金鑫，王凱

(1.青島大學 電氣工程學院，山東 青島 266071；2.國網(wǎng)山東省電力公司平原縣供電公司，山東 德州 253000)

減少碳排放已經(jīng)成為我國未來發(fā)展的重要目標，到2030年，我國將完成碳達峰，到2060年我國將完成碳中和[1-2]。在國家節(jié)能減排政策的支持下，越來越多的新能源發(fā)電涌入電力系統(tǒng)中，由于新能源發(fā)電存在的波動性與不確定性，導致電力系統(tǒng)復雜程度節(jié)節(jié)攀升[3-4]。

近些年，儲能系統(tǒng)成為解決新能源發(fā)電波動性與不確定性的重要途徑[5-7]。儲能參與新能源并網(wǎng)主要應用于電源側，利用儲能的快速響應調節(jié)新能源發(fā)電的出力，以滿足并網(wǎng)要求。文獻[8]運用鋰離子電池和新能源發(fā)電功率共同輸出，從而降低新能源發(fā)電功率的波動性。文獻[9]運用飛輪儲能平滑新能源出力的波動性，通過模糊控制對系統(tǒng)輸出功率進行限制。以上文獻均為單一儲能平滑新能源發(fā)電出力的波動性，并未考慮新能源發(fā)電出力的頻率響應特性。為使新能源發(fā)電出力平滑更加優(yōu)化，混合儲能系統(tǒng)被越來越多地應用于新能源發(fā)電出力的平滑。文獻[10]通過超級電容和電池儲能相結合，共同應用于新能源發(fā)電出力的波動平滑。文獻[11]通過飛輪儲能平滑新能源發(fā)電出力的高頻功率波動和部分低頻功率，通過蓄電池平滑剩余部分的波動，從而保持電壓平衡。文獻[12]通過蓄電池和超級電容器儲能平滑新能源發(fā)電出力的波動性，考慮了新能源發(fā)電出力的雙評價指標。文獻[13]采用鋰電池和超級電容相結合的儲能系統(tǒng)平滑新能源出力的波動性，通過小波變換平滑新能源發(fā)電出力，發(fā)明了一種將儲能系統(tǒng)介質頻率具體化的研究方法。文獻[14]利用傅里葉分解方法(Fourier decomposition method，F(xiàn)DM)平滑新能源發(fā)電因調度產生的不平衡功率，將不平衡功率的高頻部分和低頻部分分別配置給不同的儲能裝置，高頻部分使用超級電容器進行平滑，低頻部分使用蓄電池儲能進行平滑。文獻[15]利用新能源發(fā)電制氫與超級電容器相結合的混合儲能形式調節(jié)新能源發(fā)電機組出力，調節(jié)后的新能源發(fā)電機組出力平緩，有效減少了新能源波動，達到并網(wǎng)要求。以上文獻均為儲能的基礎配置，并未考慮儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性，需要進一步研究。

本文在已有文獻的基礎上，考慮混合儲能平滑新能源發(fā)電出力的波動性，基于滑動平均法平滑新能源發(fā)電原始出力，將平滑后出力曲線與原始出力曲線之差作為儲能參考功率，然后通過經(jīng)驗模態(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)將儲能參考功率分解為高頻部分和低頻部分，高頻部分通過飛輪儲能進行平滑，低頻部分通過鋰離子電池儲能進行平滑，求得混合儲能所需容量和功率。最后，通過混合儲能系統(tǒng)凈收益模型求得系統(tǒng)凈收益，驗證儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性。以風電歷史數(shù)據(jù)為新能源發(fā)電數(shù)據(jù)進行算例分析，驗證所提方法的有效性，并計算儲能系統(tǒng)所需成本。

1 混合儲能平滑新能源波動優(yōu)化配置模型

本文通過滑動平均法確定新能源發(fā)電出力的平滑基準，平滑基準需要滿足國家對新能源發(fā)電并網(wǎng)的相關指標(通常為單位時段的波動率)要求，而后將新能源發(fā)電出力的實際數(shù)據(jù)與所確定的新能源發(fā)電出力的平滑基準做差，求得儲能參考功率，進而求取儲能系統(tǒng)的容量[16]。

1.1 混合儲能系統(tǒng)功率分配

本文采用EMD對儲能參考功率進行分解，通過分析瞬時頻率-時間曲線中相鄰本征模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)的模態(tài)混疊量進行高頻和低頻部分的劃分[17]。分配后的結果為：

(1)

(2)

式中：Pg為高頻部分儲能功率；Pd為低頻部分儲能功率；FIMi為第i個IMF；j為從1到n的正整數(shù)，n為全部IMF的數(shù)量。

1.2 儲能系統(tǒng)充放電功率

由于充放電損耗的存在，其功率可以表示為：

PE(t)=PHESS(t)/ηd,PHESS(t)≥0, 放電；

(3)

PE(t)=PHESS(t)·ηc,PHESS(t)<0, 充電.

(4)

式中：PHESS(t)為t時段電網(wǎng)側儲能功率；PE(t)為t時段系統(tǒng)內儲能功率；ηd為儲能放電效率；ηc為儲能充電效率。

1.3 儲能周期電量平衡

在一定時間內，儲能的初始能量需要維持在一個固定值，即此段時間儲能充放電量之和為0，也就是功率之和為0，可以表示為：

(5)

P′E(t)=PE(t)-ΔP，

(6)

式中：ΔP為儲能功率調節(jié)量；P′E(t)為t時段修正的儲能出力；N為仿真時間內的時段數(shù)。則儲能額定功率

PEN=maxP′E(t).

(7)

1.4 充放電量計算

通過修正后的儲能出力求得儲能能量變化曲線，其表達式為

(8)

式中：E(t)為儲能各時段電量；Ts為每一功率持續(xù)時間。

1.5 額定容量計算

儲能的剩余電量情況可以用荷電狀態(tài)計算，即

(9)

式中：C為各時段荷電狀態(tài)；C0為儲能初始荷電狀態(tài)；EN為儲能額定容量。充電時E(t)為正，儲能電量上升，荷電狀態(tài)相應變大；放電過程相反。

定義Cmax、Cmin分別為儲能荷電狀態(tài)變化的上下限，則

(10)

(11)

能夠同時使以上兩式成立的最小值即為EN：

(12)

(13)

聯(lián)立可知

(14)

1.6 初始狀態(tài)確定

聯(lián)立式(11)、(12)可計算初始荷電狀態(tài)

(15)

1.7 儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命

(16)

Neq=NDDk.

(17)

式中：Neq為100%充放電深度下的儲能充放電次數(shù)；ND為充放電深度D下的儲能充放電次數(shù)。

飛輪儲能循環(huán)壽命只與儲能充放電次數(shù)相關，由此能夠得出飛輪儲能循環(huán)壽命計算公式為

(18)

式中：Nf為飛輪儲能實際使用天數(shù)；Nmax為飛輪儲能最大充放電次數(shù)；Nre為飛輪儲能每日充放電次數(shù)。

2 混合儲能系統(tǒng)凈收益模型

2.1 儲能成本

本文成本模型基于費用現(xiàn)值法，混合儲能系統(tǒng)的預期壽命設為Yr年，基準折現(xiàn)率I，成本系數(shù)A=(1+I)-Yr。

初始儲能系統(tǒng)成本

W1=A(WpsPEN+WesEN).

(19)

式中：Wps為單位儲能功率成本；Wes為單位儲能容量成本。

運行維護成本

W2=A(WompPEN+WomeEN).

(20)

式中：Womp為單位儲能功率運行維護成本；Wome為單位儲能容量運行維護成本。

設備回收殘值

W3=αA(W1+W2)，

(21)

式中α為回收利益系數(shù)，本文取α=5%。

總成本

WLCC=W1+W2-W3.

(22)

2.2 儲能系統(tǒng)收益

減少新能源發(fā)電備用容量所獲得的收益

(23)

Pd=∑G.

(24)

(25)

式(23)—(25)中：Pd為新能源電場每日旋轉備用減少量；βd為新能源電場每日預測置信度；PX(t)為新能源發(fā)電在t時段的出力；Sr為新能源電場單位備用容量的費用。

減少新能源并網(wǎng)通道建設所獲得的收益

S2=Scmax{0 , maxPX(t)-

max(PX(t)-PHESS(t))},

(26)

式中Sc為單位功率通道建設費用。

綜合可得儲能系統(tǒng)收益

S=S1+S2，

(27)

進而可得整個系統(tǒng)凈收益

Z=S-WLCC.

(28)

3 算例分析

根據(jù)所提模型進行儲能配置，新能源出力數(shù)據(jù)采用2018年中國某風電場實際歷史數(shù)據(jù)，風電機組裝機容量50 MW。選取其中典型日出力曲線(圖1)進行波動平滑。該風電場風電出力具有明顯的峰谷特性，和典型日負荷對比還具有反調峰特性。

圖1 風電場典型日出力曲線

對風電出力的平滑從以下3個方面進行分析：出力平滑——對比平滑前后風電出力的相關參數(shù)；

儲能配置——求取混合儲能的功率和容量；儲能成本——求取混合儲能系統(tǒng)成本。

a)出力平滑。本文通過滑動平均法對風電出力進行平滑，平滑后的出力波動明顯減小，風電的原始出力和平滑后的對比如圖2所示，風電平滑前后的波動數(shù)據(jù)見表1。

圖2 儲能加入前后風電出力對比

表1 風電出力波動數(shù)據(jù)

從表1可以看出平滑后的風電出力各個波動數(shù)據(jù)都優(yōu)于平滑前，3項指標明顯下降，其中最大波動率下降47%，功率標準差也下降了3.5%。平滑后的風電出力更有利于電網(wǎng)的優(yōu)化運行。

b)儲能配置。通過滑動平均法確定新能源發(fā)電出力的基準，將其與新能源發(fā)電實際出力做差，求得PHESS的變化數(shù)據(jù)，對儲能參考功率進行EMD，分解后的各部分IMF分量(IMF1—IMF5)如圖3所示。可以看出：高頻部分的IMF分量波動更加劇烈，適用于功率型儲能；低頻部分的IMF分量波動緩慢，適用于能量型儲能。根據(jù)相鄰曲線混疊最少原則，通過各IMF的瞬時頻率-時間曲線可以將儲能參考功率分為高頻部分和低頻部分。根據(jù)式(1)、(2)即可求得儲能高頻部分的出力和儲能參考功率低頻部分的出力，高頻部分和低頻部分儲能功率如圖4所示。

圖3 各IMF分量波動曲線

圖4 混合儲能高頻部分和低頻部分功率曲線

本文儲能配置選取的能量型儲能為鋰離子電池儲能，功率型儲能為飛輪儲能。根據(jù)式(3)—(7)可以求得混合儲能的相應功率，根據(jù)式(8)—(14)可以求得儲能相應部分的容量，儲能系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)由式(15)求得，儲能系統(tǒng)功率與容量配置具體結果見表2?？梢钥闯觯轰囯x子儲能電池儲能容量更大，但功率較小，系統(tǒng)的初始荷電狀態(tài)也相對較高；飛輪儲能系統(tǒng)儲能容量較小，但功率較大，初始荷電狀態(tài)較低。其原因是：儲能參考功率的高頻部分波動范圍更廣，且充放電更頻繁，使得儲能容量長期保持在相對穩(wěn)定的水平；儲能參考功率的低頻部分波動范圍小，但充放電過程少，儲能長期處于放電狀態(tài)，需要持續(xù)輸出。

表2 混合儲能系統(tǒng)功率與容量配置結果

c)成本求取。鋰離子儲能和飛輪儲能的相關技術參數(shù)參考文獻[18]。鋰離子儲能電池100%充放電狀態(tài)下的循環(huán)次數(shù)為6 000次，飛輪儲能最大充放電次數(shù)為500 000次。根據(jù)式(16)—(18)計算可得鋰離子儲能電池運行年限為7.10年，飛輪儲能運行年限為30.44年，所以混合儲能系統(tǒng)全壽命周期為7.10年。根據(jù)式(19)—(22)可以求得鋰離子儲能成本為4 312.01萬元，飛輪儲能成本為6 819.98萬元，混合儲能系統(tǒng)總成本為11 131.99萬元。

通過歷史數(shù)據(jù)模擬可得儲能系統(tǒng)年收益為3 558.52萬元，預計3.12年收回成本，儲能系統(tǒng)全壽命周期為7.1年，凈收益為14 133.01萬元。

4 結論

本文針對新能源發(fā)電出力的波動性提出了混合儲能的平滑方法，將滑動平均法和EMD相結合，構建儲能成本模型，并采用實際數(shù)據(jù)進行仿真分析。主要得出以下結論：

a)用滑動平均法平滑新能源出力更加簡單方便，平滑后的出力曲線更為流暢。

b)通過配置儲能系統(tǒng)減小系統(tǒng)備用容量以及減少新能源并網(wǎng)通道，使電網(wǎng)運行效益最大化。

c)通過EMD確定混合儲能高頻分量和低頻分量，高頻部分波動劇烈，低頻部分波動平緩。

在新能源廣泛接入電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀下，由新能源發(fā)電出力的波動性造成的問題會越來越多，為電力系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展增添了難度。本文在新能源大規(guī)模并網(wǎng)的背景下對電力系統(tǒng)可靠性進行研究，在已有科研成果的基礎上，進一步探索新能源接入電力系統(tǒng)的可靠性問題，但還存在許多的不確定因素有待展開更深入的研究，具體有以下幾點：①新能源發(fā)電波動平滑過程中具有出力不確定性；②混合儲能平滑新能源波動方面，未考慮儲能的壽命損耗；③新能源發(fā)電并網(wǎng)時，只研究了系統(tǒng)層面的可靠性變化，并未討論節(jié)點層面的可靠性變化。