大规模新能源接入下的电力系统储能优化配置研究

国网上海市电力公司青浦供电公司 王建高

1 大规模新能源接入下的电力系统储能研究背景

1.1 研究背景

随着社会的发展，石油等不可再生资源的储备量逐渐减少，且这些传统能源使用过程中不可避免会对环境造成一定程度的污染，因此，绿色清洁环保的新能源在能源市场的占比也越来越大。在数目琳琅满目的新能源市场中，风能、太阳能作为一种取材方便、经济实惠的清洁资源，一直受到来自电力单位的关注，风光储发电技术也逐渐壮大起来。

大规模新能源接入配电网会严重影响供电系统的安全平稳运行，如在炎热的夏季，太阳光辐射强因而光伏的发电出力较高，但风力强度较弱因而风电机组的出力小[1]。相反，在严寒的冬季，太阳辐射弱因而光伏的发电出力较小，风力强度较大因而风电机组的发电出力大。单从每日来看，白天日照强、风力较小，故光伏发电比风机的发电出力多；而在夜间没有日照、风力较大，所以夜间更适宜风力发电或供电调节。引入储能系统后，可以尽可能地降低风光综合发电的波动性和随机性，适应供电系统对灵活性的要求，能够有效缓解环境污染等历史难题，减少风能和太阳能发电单独输出并入电网而造成的不稳定性，促进系统的稳定运行[2]。

1.2 储能技术分类

1.2.1 电解水制氢（H）储能技术

氢能不仅能量高，且对环境友好，使用维护成本也不高，因此，经常被当作2次能源进行存放，在推动未来能源发展中起着关键作用。氢能取材方便，能够随时随地进行取材。比如电解水制氢，就是把最常见的水作为原材料，利用外接通电回路借助外力将水分解获得氢气，其生产过程中对环境无污染、零伤害。

1.2.2 热储能储能技术

热储能储能技术即借助加热抑或通过冷却存储系统来将能量以热能形式进行存储的技术，与别的技术相比，该储能系统易于维护、花费资金较小。其中常见的有显热储热、相变储能等。前者操作简单，是目前市场上较为推广并大力支持的储热方式之一，其采用固态相变材料、液态显热材料当作储热媒介，借助改变介质温度来促成储热。拥有传热性能高、传热比热容大等特点，广泛用于光伏发电、冬季供暖、余热回收等领域。后者相变储能装置储能密度比较大，体积紧凑，温度与能量便于精确控制等优点，能够通过它进行储能实现电力资源的有效调配，也可用于可再生能源，建筑行业节能，废热回收等领域。

1.2.3 电化学储能技术

电化学储能是当前大力推广且应用最多、发展远景最佳的电池，与其他储能技术比较，该技术工作时不受外界自然环境的影响、安装也不受地理因素限制、储能方便灵活、吸收和释放能量效率高、能量密度强等优势。然而当充放电次数加大时，其使用寿命会慢慢降低，这也在一定程度上影响了电化学储能电池的长期使用。但随着技术发展，电化学储能成本投入的逐渐减小，已经大规模应用于新型电力网络。

2 大规模新能源接入下的电力系统储能配置模型

本文搭建了双层规划储能系统配置模型[3]，外层优化模型的关键变量为储能所需配置的功率及容量限制，目标函数为minCA，关注储能的投资成本及风光出力联络线的波动；内层优化模型的关键变量为储能设备在运行中的充电与放电的动态功率、SOC 约束等，目标函数为minf，关注系统风光出力动态功率联络线波动最低值。双层优化模型架构如图1所示。

图1 双层优化模型架构

3 大规模新能源接入下的电力系统储能配置流程

因为采用双层优化模型计算获得全局最优解难度较高，所以，选择数值计算方法，将设定次数的步骤进行反复迭代，当符合既定的数值收敛条件时，便可认定为最优解。储能配置流程算法如图2所示[4]，其中，指各个季节风光储能系统的容量配置、指各个季节风光储能系统的功率配置。

图2 双层控制的储能配置流程

4 案例分析

4.1 案例数据

某发电系统原配置火力发电机组十台、输电线路三十八条，机组的安装点位和参数设置详见表1，在安装节点1、2、7、16、21、23位置各接入700MW光伏电站及700MW 风电场，令新能源装机容量占总装机容量的50%，达到高占比大规模的状态。

表1 机组各项参数

由于用电高峰的存在，该区域电费也不一致，

具体情况详见表2。

表2 分时段电费明细

储能设置参数详见表3。

表3 储能系统的参数设置

以某天典型的风光发电出力及用电负荷需求为例进行说明，如图3、图4所示。

图3 某天典型风光出力

图4 某天系统典型各时刻负荷需求

4.2 优化结果分析

设安装储能的节点数量为五个，分别位于节点3、5、10、16、17处，配置方案详见表4，储能系统年效益较大，为108000万元，且总投资成本较小，换算到每年为89901万元。其中，储能的最初投入为500000万元，运营中使用维护投入为10000万元，配套设施的换新投入为174000万元[5]。在设备使用寿命十五年内，储能系统通过发挥自身设备价值、提供能量储存服务获取利润为927001万元，通过提供其他辅助性电力服务获取707000万元，储能 系统可获取的总收益约为1630000万元。

5 结语

风光储发电技术作为新能源市场上的新秀，因其灵活利用风能、太阳能进行发电、对环境无污染等优点广泛应用于电力行业，解决大规模新能源并入配电网时电力系统储能配置问题、提升系统整体运行质量是当前电力行业面临的关键问题之一。本文在简要介绍了大规模新能源接入下的电力系统储能研究背景的前提下，探讨了大规模新能源接入下的电力系统储能配置模型及配置流程，最后对新能源装机容量占比50%的高比例新能源接入下的电力系统储能案例进行了分析，最大程度地保证了电力系统的运行质量，实现了工作效率与经济效益的双赢。为以后大规模新能源接入下的电力系统储能研究提供了理论指导和实践参考。