基于光伏接纳可行域的储能控制策略及经济性评价-崔杨.pdf

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1、第37卷第10期2016年10月太阳能学报ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICAV0137，No10Oct2016文章编号：02540096(2016)10251907基于光伏接纳可行域的储能控制策略及经济性评价崔 杨1，许伯阳1，张节潭2，严干贵1，王茂春2，郑旭东4(1东北电力大学电气工程学院，吉林132012；2国网青海省电力公司，西宁810008；3青海省光伏发电并网运行技术重点实验室，西宁810008；4国网辽宁省电力有限公司大连供电公司，大连116001)摘要：储能系统具有时空平移性，被认为是结合新能源入网、提高既有电网接纳光伏规模的有效手段。对于不同控制目标储能

2、系统控制策略不同，进而导致储能运行方式及电网的光伏接纳量不同。为提高光伏入网规模，提出基于光伏接纳可行域的储能控制策略，与常规储能控制策略进行对比，并计算其储能在不同功率下的需要的容量，之后对其进行综合效益评估。基于区域光伏电站群实测数据算例分析表明，较之按常规储能控制策略，可行域控制策略弃光量少且不存在过度调控，可提高光伏入网规模，且储能的成本主导着光伏电站的综合收益。关键词：储能系统；控制策略；光伏入网规模；可行域；弃光；综合收益中图分类号：TM615 文献标识码：AO 引 言光伏是目前大规模商业化开发可再生资源(包括风能，光伏等)之一。截至2015年底，全国光伏电站装机达到4318万kW

3、。与风电类似，光伏出力同样具有“难预测性”、“难调度性”与“强波动性”等特质，挑战电力系统调度运行安全。由于系统调峰限值，大规模光伏功率波动与电网安全运行之间存在严重的源网矛盾，制约光伏接纳的规模，造成大量弃光。据统计，甘肃电网、新疆电网弃光率分别达到31和26，提高电网接纳光伏的规模已成为目前亟待解决的问题。目前，储能系统被认为是有效提高新型能源接人电网的重要手段心“。文献5，6在满足负荷缺电率指标下，采用阀控铅酸电池系统作为储能系统投资最小；文献7在平抑光伏电站波动时，考虑了经济成本，确立光伏储能最优容量；文献8提出用小波包方法分解光伏输出功率信号，通过功率型储能SOC的模糊控制优化不同储

4、能间的功率分配，改善了光伏出力波动的平抑效果。文献9以适应电网调度计划为目标，构建了计及风电场弃风能量和储能系统损失能量的风电场储能容量优化模型。文献10提出基于电池储能技术的负荷侧削峰填谷控制策略，综合考虑投资成本，以经济价值最高为目标函数，通过遗传算法得到储能最优容量配置。事实上，只有当全网光伏功率波动打破原有供需平衡时，即光伏站群出力波动导致净负荷功率波动超出电力系统有功调节能力范围时，光伏一电网之间的源网矛盾才需要缓解。若按照日前出力调度计划进行储能调控，则必然出现全网的储能系统过度调控，不利于提高电站的综合收益。为此，本文提出基于光伏接纳可行域的储能控制策略，只有当电网无法满足光伏功

5、率波动时，才启动储能系统，可避免储能的过度调控，减少弃光损失，并对储能系统进行经济性分析，得到综合效益最高的最优储能配置容量。1基于可行域的集中式储能控制策略11光伏接纳可行域电力系统是一个功率实时平衡的系统，根据日前负荷预测安排当天电源出力计划。光伏功率Ps。()的接人，由于其不如传统能源具有良好的可控性和可预测性，会影响源网一荷功率的实时平衡。某区域电网功率的平衡关系为：P。d0)=P。O)+P。O)+P仆O) (1)收稿日期：20160216基金项目：国家重点基础研究发展(973)计划(2013CB228201)；国家留学基金委青年骨干项目(201407790007)；吉林省科技发展计划

6、(20140101066JC)通信作者：崔杨(1980一)，男，博士、副教授，主要从事新能源发电联网运行关键技术方面的研究。Cuiyan90432163com万方数据2520 太 阳 能 学 报 37卷式中，PO)全网实时负荷；P。水力机组实时出力；P山光伏电站群实时出力；Pn火力机组实时出力。本文引入光伏接纳可行域的概念，以计算电网接纳光伏功率的最大值。以负荷需求与水电、火电出力和之差表示：P。，。O)=P。dO)一PHrain(力一Pn。i。(力 (2)式中，Pi。接纳可行域限值；P。嘣。水力机组最小出力；Pn。火力机组最小出力。接纳可行域区域为：P“一P (3)JDPHm。JpnImm0

7、0：00：00 l 2：00：00 24：00：00时刻图1光伏接纳可行域示意图Fig1 Curve of feasible area maximization of solar power12储能系统控制策略1)常规控制策略根据日前光伏出力预测值制定其调度计划出力，这是目前常规的储能系统控制策略，即根据日前光伏计划出力P曲。作为当天某一时段储能充放电参考功率Pm按照调度计划对光伏功率波动采取抑制，实现控制时段内光伏功率的平稳输出，以保证系统功率平衡。这在一定程度上可以松弛电网接纳光伏的瓶颈，如图2所示。iE弃光申矗00尸时刻图2按照调度计划的储能系统调控示意图Fig2 Regulation

8、of energy storage system based on controlstrategy of dispatch schedule图2中Pm为储能系统的最大充电功率，即储能系统的额定功率，P耐为储能系统充放电参考功率，为方便说明，选取固定参考值。I区域为弃光电量，区域为储能充电电量，区域为储能系统放电电量。在h-t。时段内，tl-t：及t3-t。时段内充电功率为P舯k(t)一P耐(t)，t2。t，时段内充电功率为Pm。所以储能系统的充电能量为：fP。kO)一P耐O)oP。 (8)光伏接纳可行域储能只有在光伏功率波动超出电网接纳光伏范围时，储能系统才需要动作平抑，储能系统相当于热备用电

9、源，避免了储能系统过度调控。为方便比较两种储能方式区别，表l给出了两种储能方式的不同参数。表1两种储能控制策略控制参数Table 1 The control parameters of two control strategies图4为集中配置的基于光伏接纳可行域储能控制策略图，避免将储能装置分布式安装在各光伏电站，而是按照在330 kV汇集站变流器前端母线处集中安装储能装置，这是因为可以使可行域储能策略控制更简单，无需多储能系统通信协调，并且电网公司更为关注汇聚站内光伏出力的情况，而不关心单个电站的出力。330 kVf1一I、j蛮申爿i图4可行域储能系统的配置及控制策略图Fig4 The c

10、ontrol configuration and strategy of energystorage system of feasible area2储能系统的运行的评价21储能平抑后光伏电站群的弃光电量由图2可知，在光伏出力大于调度计划出力时，因受储能系统自身的额定功率和额定容量限制，光伏功率波动不能被完全平抑，将会导致一部分光伏出力不能上网，这部分电量为“弃光电量”，如式(9)所示。P。=P。k一P。(c) (9)功率限制弃光电量为：E。=fP。(碉 (10)容量限制弃光电量为：E砒=【oP。出一E。 (11)总弃光电量为：E。=E训+E砒 (12)式中，E一。储能系统额定功率限制弃光电量

11、；P一。储能系统额定功率限制弃光功率；口、6某时间段内储能充电的起、止时间；E一：储能系统额定容量限制弃光电量；E。储能系统额定容量；E。总弃光电量。22储能系统的经济性分析储能系统的综合收益肘为：M=C一C。 (13)式中，M储能系统的综合收益；Ci。一储能系统的总收益；C。储能系统的总投资。1)储能系统的总投资成本Ci。储能系统的投资成本有功率成本以及容量成本两个部分构成，具体表达式为： c御，Pm。糌)c刚玎将 )C。-(c，+C。)。(1+r) (16)式中，C，储能系统功率成本；P，、P。储能系统单位功率和单位容量成本；P。储能系统额定功率；s贴现率；n储能系统运行年限；C。储能系统

12、容量成本；E。储能系统额定容量；C。储能系统的总投资；r储能系统运行及维护费用与初始投资的比例。2)储能系统的收益储能系统的收益包括储能的“低储高发”运行收益Cd，提高光伏入网规模的电量收益c；，以及减少CO：排放的收益C。C岫。=C。+C。+C。 (17)Cd=JDdE。叼。h咏一P。E。栩dj。h。 (1 8)式中，P。负荷高峰时的电价；P。负荷低峰时的电价；ro岫、叼嘛储能系统的充、放电效率。万方数据垄丝 太 阳 能 学 报 37卷一 二利用储能系统多接纳的光伏电量收益为： 1C。=p，Ed (19)式中，P，光伏电站发电入网价格；既应用该策略储能系统多接纳的光伏能量。E。=艺fop。(

13、蚰t (20)式中，n储能系统的运行年限；Z第i个调度日储能的充电时间。储能系统提高了光伏人网规模，将减少CO：排放，为此带来的环境收益为：C。=p。，既77。 (21)式中，p。，C0z的交易价格；叼。1 MWh电量向大气排放的CO：质量。3算例分析31算例条件以实际某省级区域电网为算例，该区域主要供电能源分别为水电、光伏、火电以及极少量的风电，占比分别为6207、2327、1293以及173。该区域电网内的光伏电站群共有12个光伏电站，总装机920 MW，计算条件如下：I)发电时段为1 d，调度窗口为1 h，单站光伏采样间隔为15 rain。2)全钒液流电池使用周期时间长，一般可运行152

14、0 a1”，并且其功率与容量可以灵活地变化，可达到100的放电深度，较以阀控铅蓄电池等作为储能系统有明显优势2。设定本算例光伏储能系统运行年限n为15 a。其成本与收益参数见表23”J。表2算例参数Table 2 Parametem of example参数 数值 参数 数值pd￥MW一。 5x106 Pco一1,4 t 200口胖MWh“ 7x106 r 02pd佯MWh。 1024 s 8p摧MWh。 240 叼。啡07p，佯MWh。 900 叼co098选择一典型日内该省电网光伏接纳可行域限值与光伏功率曲线，如图5所示。图5典型日光伏接纳可行域限值与光伏出力曲线Fig5 The curv

15、e of typical daily solar power and feasible areamaximization of solar power32结果分析321两种储能控制策略的性能对比在典型日内，当储能系统额定功率为25 MW，由于储能容量及功率限值，按照调度计划的常规控制方法造成弃光量为1794 MWh，可行域控制方法弃光量249 MW。可见，同等光照、储能配置条件下，本文可行域控制策略能多接纳光伏17691 MWh，将储能成本归算到一天，可节省1765万元d。图6为按照常规控制策略与可行域控制策略下储能系统充放电功率对比图。可以看出，光伏功率没超出系统平衡的时段，按照常规控制策略

16、储能系统也会进行调控，属于过度调控。而基于光伏接纳可行域储能控制策略储能动作次数明显较少，储能系统在负荷高峰时段集中放电，调控简洁，提高了光伏电量的入网率。一1l一2200图6两种控制策略下储能系统充放电功率曲线Fig6 Comparison of charging and discharging power ofenergy storage system under two control strategies万方数据10期 崔杨等：基于光伏接纳可行域的储能控制策略及经济性评价 2523322可行域策略储能系统运行经济性分析根据典型日内当地负荷与光伏数据，当利用光伏接纳可行域的控制方法确定其

17、在不同功率配置下的储能容量配置，如图7所示。由图7可知，储能系统配置容量随储能功率的增加而增加，当储能系统功率为301 MW时，其储能配置容量为2512 MWh。然而储能功率继续增加时，容量不再增加，这是因为储能额定功率增加达到光伏功率与光伏接纳可行限制最大值时，储能系统所储存能量即为光伏功率超出可行域限值部分，所以无需再增加储能容量。PmMW图7不同额定功率下储能系统配置容量Fig7 Capacity allocation energy smrage system underdifferent rated power利用一年的实测光伏数据研究运用可行域储能策略时可多接纳的光伏电量，如图8所示

18、。由图8可知，随着储能系统额定功率增加，光伏接纳量也在提高，但是曲线斜率趋于减小，说明接纳光伏的增量逐渐减少，这是由于一年中光伏电站规模基本不变，随着额定功率的增加，多接纳的光伏电量会趋向于饱和。PmMW图8储能系统不同额定功率下多接纳的光伏入网电量Fig8 Accepted solar power by energy storage system underdifferent rated power由图9可知，随着储能系统额定功率地不断增加，光伏电站群收益呈现先增大后减小的趋势，未配置储能系统时其综合收益为零，当储能系统额定功率为38 MW时，其收益最大，为5198万元，由图7可知，此时储能

19、系统需要配置384 MWh的额定容量。日前，美国太平洋西北实验室的研究人员开发出一种新型的全钒液流电池1 5。，可大大降低全钒液流电池的成本，图10为应用全钒液流电池作为光伏储能系统随着容量成本的降低，综合收益曲线变化图，可明显看出，虽然有明显的“低储高发”运行收益、可行域提高光伏并网规模电量收益以及带来的环境收益，但是储能系统价格仍是主导着光伏电站群储能系统的经济性，随着储能成本的降低，其最大静态综合收益呈现增大的趋势。婚2叶 p|骶图10不同储能系统单位容量价格下的综合收益Fig10 Energy storage system benefit under differentprice of

20、 unit capacity5结论1)基于光伏接纳可行域储能系统控制策略，可避免储能系统过度调控，当光伏出力超出系统平衡声多I，、I蛐；_嘲万方数据2524 太 阳 能 学 报 37卷时储能系统才启动，比按调度计划储能策略多接纳光伏17691 MWh，相当于减少17337 t的CO：排放量，可节约储能成本1765万元天。2)随着储能系统额定功率增加，所需储能额定容量趋于最大值，这是由于超出系统平衡的光伏功率可完全被储能系统消纳，储能系统的额定容量无需增加。3)算例系统基于光伏接纳可行域配置储能，在储能系统运行年限期间，电站最大静态综合收益为5198万元。4)储能系统价格主导着光伏电站群储能系统

21、的经济性，随着储能成本的降低，其最大静态综合收益呈现增大的趋势。2344556参考文献国家能源局2015年光伏发电相关统计数据R国家能源局：20160205National Energy AdministrationRelated statistics ofphotovohaic generation power in 2015 lHINationalEnergy Administration：201602-05Yan Gangui， Zheng XudongA quasi-automatedgeneration control strategy for multiple energy sys

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23、n Gangui，Wang Yue，Li Junhui，et a1Controlmethods and economic evaluation of energy storagesystem to match feasible area of wind powerJHilshVoltage Engineering，2015，41(7)：2148-2155吴J,M0，刘宗歧，田立亭，等独立光伏系统储能光储容量优化配置方法J电网技术，2015，38(5)：12711276Wu Xiaogang，Liu Zongqi，Tian Liting，et a1Optimized capacity confi

24、guration of photovoltaicgeneration and storage energy device for standalonephotovohaic generation systemJPower SystemTechnology，2015，38(5)：1271一1276胡国珍，段善旭，蔡涛，等基于液流电池储能的光伏发电系统容量配置及成本分析J电工技术学677889910101212报，2012，27(5)：260一267Hu Guozhen，Duan Shanrui，Cai Tao，et a1Sizing andcost analysis of photovohaic

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30、ated to the加dJPower System Protection and evaluation of largescale energy storage allocation inContr012013。41(23)：145一153power demend sideJTransaction of China13DlazGonzalez F，Sumper A，GomisBellmunt 0，et a1 Electronical Society，2013，28(9)：224-230A review of energy storage technologies for wind power

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33、ring，Northeast DianLi University，朋in 132012，China；2State Grid Qinghai Electric Power Company，Xining 8 10008，China；3Qinghai Key laboratory ofPhotovohaic Grid Connection Technology，Xining 8 10008，China；4State Grid Dalian Electric Power Company，Dalian 1 16001，China)Abstract：The energy storage system ha

34、s the time and space translation property，which is considered to be an effectivemethod combining the new energy into grid and boosting the scale of grid-connected PV power systems in existing加dThe different control objectives have different control strategies of energy storage system，and lead to dif

35、ferent energystorage operation mode and the scale of gridconnected PV power systemIn order to improve the scale of grid-connectedPV power system，the control strategy of energy storage system Was proposed based on feasible area of PV power station，and then the general benefit was evaluated after comp

36、aring with conventional control strategy of energy storage，andcalculating the capacity requirement in different rated power of the energy storage systemThe analyses based on theactually measured data of certain area of PV power station indicate that comparing with the control strategy of generalener

37、gy storage，the energy storage system based on feasible area can reduce solar loss and does not exist excessiveregulation，can boost the scale of酣dconnected PV power system，and the cost of energy storage dominates thecomprehensive income of PV power stationKeywords：energy storage system；control strategy；scale of面d-connected PV power；feasible area；solar loss；general benefit万方数据