考虑风电反调峰特性的储能调峰优化策略

钱海

鲁能新能源（集团）有限公司江苏分公司

江苏省南通市   226499

摘要：大规模风电并网引发调峰问题的本质原因在于风电出力具有不可控性，电池储能系统能够实现对电能的吞吐而被认为是控制风电出力、提高电网接纳风电能力的有效手段。考虑到电力生产的特点，即发、供、用几乎同时完成，理想状态下的电力生产过程应该是供给侧和用户侧的实时平衡，但新能源发电会以负的负荷形式与其余负荷进行算术叠加，结果会对电力系统净负荷峰谷差产生影响。在电网负荷中对外显示为负，则称为反调峰特性，这种反调峰特性会使存在风电并网的系统调峰压力愈加严重，且系统的调峰容量需求更大。以储能系统额定功率为约束，选取合适的功率迭代步长，分别计算出系统功率最低移峰功率值和最高填谷功率值，然后根据所需功率差在对应时段进行充放电动作，功率差超出范围的部分按照储能系统额定功率动作，最终实现对储能系统各时段充放电的实时优化控制。

关键词：风电；储能系统；电网调峰

能源枯竭与环境压力迫使人们将目光转向清洁能源，我国风能资源丰富，可开发利用潜力巨大，但是风能有别于常规能源，它的波动性、反调峰特性等不足将影响到电力系统的调频、调峰、电能质量以及可靠运行。风力发电与水力发电、火力发电等常规发电方式相比，最根本的不同点在于其有功出力的随机性、间歇性和不可控性。这一特点决定了风电并网运行时，必须由常规电源为其有功出力提供补偿，以保证对负荷安全可靠地供电。这种对风电有功出力的补偿调节可看作是对负的负荷波动的跟踪，即对风电“调峰”。电力系统的调峰能力主要由电源所决定。风电并网运行之前，电网的调峰任务主要是在满足必要的安全预度的前提下应对系统负荷波动。对风电进行调峰需要考虑风电出力特性等多方面因素。利用储能系统吸收和释放能量的特点可以弥补风功率的不足，促进风能高效利用，然而目前储能系统投资成本仍较高，因此需要对储能容量进行优化配置。

一、调峰特性

风功率调峰特性分为正调峰和反调峰，可以通过风功率变化方向和负荷变化方向进行判断。当风功率变化方向和负荷变化方向相同时，净负荷（负荷与风功率之差）峰谷差减小，呈现正调峰，极端情况下表现为风电场以最大功率输出，负荷需求最大，或风电场无输出，负荷需求很小；反之净负荷峰谷差增加，呈现反调峰特性，极端情况下表现为风电场输出为零，而负荷需求最大，或风电场以最大功率输出，而负荷需求很小。大量统计数据表明风功率通常呈现反调峰特性。

二、大规模风电并网对电力系统的影响

世界上最早的风电场建立于1891年，但是风力发电得到快速发展是在上世纪八十年代后期，这是因为燃煤发电造成了相当严重的环境污染，西方国家意识到必须探索新的电能生产方式，于是重新将目光转向风力发电。我国风电技术经过三十多年的发展，风电技术逐渐成熟，经历了在早期通过建立示范项目研究风力发电、探索完整的风电产业链、产业化发展风电、再到大规模发展风电。但是风电出力固有的间歇性、随机性、波动性和反调峰等缺陷对电网运行、频率稳定和电能质量等的影响不容忽视，主要表现在以下方面：

1、影响电力系统运行的稳定性。电能的生产、输送和消费要时刻保持平衡，是电能的特点之一，风能等新能源与传统能源的区别主要表现为不可控，风功率的突然增强或减弱将对系统稳定性产生冲击。

2、影响电能质量。并网风电中的高频波动会影响到电网的频率稳定；同时储能输出功率必须经过功率转换后才能将功率注入到大电网，而电力电子装置在工作的时候容易产生谐波，谐波也会流入电网，降低电能质量。

3、影响电力系统运行的经济性。利用风能发电的成本主要是投资建设风电场的成本，在正常发电的过程中可近似认为其发电成本为零，但是风功率具有不确定性，电网需要留有足够的备用容量，增加备用容量可以增加风电的接纳水平，但是会增加经济成本，影响运行经济性。

三、储能调峰优化策略

储能调峰优化模型的约束条件，为了使优化策略调峰更具优越性，系统约束在一些常规约束基础上增加了可靠性约束，具体如下。

1、系统功率等式约束。通常认为系统功率平衡约束是系统内包括风电实际上网功率在内的所有机组的出力必须和系统实际负荷加上实际网损相等，但为了简化模型，网损可以忽略不计，因此发电总量等于系统负荷功率加上储能的充放电功率再减去调峰不足量。

2、火电机组约束。火电机组约束包括出力上下限约束和爬坡速率约束。机组的出力应大于或等于其出力最小值，小于或等于其出力最大值;爬坡速率约束可分为最大向上和向下爬坡率。

3、储能系统约束。储能系统出力上下限约束，保证出力不超过最大功率，且不出现同时充放电。

四、储能参与调峰优化策略分析

储能系统参与移峰填谷的优化策略研究中，以恒功率法最为常用，还有分别建立削峰、填谷和平衡电量模型的策略等，但是因为场景不同，实际负荷曲线偏差比较大，即出现峰谷时间不尽相同。这些方法都各自存在缺陷，不能很好地完成优化系统移峰填谷实时控制的效果。以恒功率法作为比较对象进行讨论。

1、优化恒功率策略。恒功率调度策略是指即使电网负荷由于客观原因产生变化，储能系统在任意时段依然根据预测负荷曲线制定充放电策略，并且是按照恒定功率执行。具体步骤如下。(1)由储能系统额定容量C和恒定充放电功率

P可以计算出总的充放电时间均为T=C/P。(2)削峰时段即放电时段，首先根据历史数据通过负荷预测手段得到预测负荷曲线，以负荷峰值处为起点，将一条水平直线按照很小的迭代步长ΔP向下移动，这样水平线会和预测负荷曲线的高峰阶段有两个交点，当两交点之间的放电时长等于T时，迭代截止。若水平线与负荷曲线高峰区间交点不止两个，则相交时段的时间之和为T时，迭代截止。(3)填谷时段即充电时段，以负荷曲线谷值为起点，将水平线从下往上依次按照步骤进行，确定储能系统最终充电时段。总体上看，采用恒功率充放电策略，简化算法计算，结果稳定，可快速进行短期调峰优化，但是当应用场景属于新能源发电集中区时，实际负荷曲线与预测负荷曲线相差较大时，储能辅助调峰效果就会变差，甚至会出现反向充放电，增大电网峰谷差。

2、优化功率差策略。策略主要是充分考虑整个系统各个部分存在的约束，利用负荷预测曲线首先得出负荷基准值，确定算法迭代步长，逐步在满足所有约束后得到储能系统的最低移峰功率值和最高填谷功率值，再按照功率差计算出每个时段储能系统充放电功率。

当之前给出的约束条件有任何不满足要求时，返回初值Pav，依次以kΔP为步长迭代，直至满足所有约束要求，此时可以得到新的储能系统最低移峰功率限值P1和最高填谷功率限值P2。其中，t1—t2为储能系统充电时段，t3—t4为储能系统放电时段。当含新能源发电的系统实际负荷大于P1的时候，储能系统放电，放电功率为此时负荷与前式中提到的最低移峰功率限值P1的差ΔPBESS1;当实际负荷小于P2的时候，储能系统充电，充电功率为前式中提到的最高填谷功率限值P2和此时负荷的差值ΔPBess4，功率差为ΔPBess2，ΔPBess3储能系统既不充电也不放电。新能源技术发展迅速，所以随机性电源并网带来的波动更大，因此实际负荷曲线和预测负荷曲线吻合难度增大。

结论

(1)通过逐步迭代的方法找到并确立一段时间内电力系统中更加合理的最低移峰功率限值和最高填谷功率限值，并以此为基准实时调整储能系统充放电时间和功率。

(2)风电调峰特性的优化策略优化后的调峰负荷曲线没有明显的尖峰，所以该方法更适合风光发电并网较多的场合，使储能系统参与调峰的效果更加合理优越。

参考文献：

[1]胡剑琛,刘燕华,李献.风电并网后电网调峰措施的经济性分析[J].现代电力,2019(01):86-89.

[2]张宁,周天睿,段长刚.大规模风电场接入对电力系统调峰的影响[J].电网技术,2018(01):152-158.