計(jì)及多影響因素的發(fā)電側(cè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法及配置工具

摘要

儲(chǔ)能是推動(dòng)主體能源由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提升清潔能源消納，保障電力連續(xù)穩(wěn)定輸出，提升火電效率，保障電能質(zhì)量具有突出作用，是實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同、清潔低碳、安全高效能源體系的重要支撐。本工作主要聚焦新能源場(chǎng)站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景下的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置，綜合考慮了不同儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)出力特性、儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命、儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等諸多因素，并在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)能量及功率平衡、儲(chǔ)能荷電率限制、儲(chǔ)能出力置信度等多約束目標(biāo)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多時(shí)間尺度小波分析、儲(chǔ)能容量迭代優(yōu)化算法和雨流計(jì)數(shù)電池壽命預(yù)測(cè)等數(shù)值分析理論，開發(fā)出適用于新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法，并基于MATLAB開發(fā)了儲(chǔ)能配置專用計(jì)算工具。本工作通過一個(gè)400MW風(fēng)電場(chǎng)參與一次調(diào)頻場(chǎng)景中儲(chǔ)能的配置驗(yàn)證了所開發(fā)的混合儲(chǔ)能配置方法及工具。關(guān)鍵詞

儲(chǔ)能；混合儲(chǔ)能；配置計(jì)算方法在“雙碳”目標(biāo)指引下，中央財(cái)經(jīng)委員會(huì)提出構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系，實(shí)施可再生能源替代行動(dòng)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。預(yù)計(jì)到2030年全國風(fēng)光裝機(jī)總量將達(dá)到12億千瓦。由于新能源的波動(dòng)性、隨機(jī)性和反調(diào)峰性以及新能源發(fā)電設(shè)備的低抗擾性和弱支撐性，給電力系統(tǒng)在高效消納、安全運(yùn)行等方面帶來了挑戰(zhàn)。為了保證未來含高比例新能源的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，新能源場(chǎng)站一方面需降低其出力不確定性、強(qiáng)化其調(diào)度運(yùn)行可控能力，另一方面需具備調(diào)頻能力來改善電力系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性，提升電網(wǎng)在大擾動(dòng)后期的一次調(diào)頻能力，降低電網(wǎng)頻率越限和失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻已成為必然趨勢(shì)。新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻的方法主要包括：①通過保留有功備用容量。這其中包括將調(diào)頻指令下發(fā)至風(fēng)場(chǎng)能量管理平臺(tái)和將調(diào)頻指令下發(fā)至風(fēng)機(jī)控制器兩種形式；②通過配置儲(chǔ)能等輔助設(shè)備。相較基于新能源場(chǎng)站預(yù)留備用容量參與一次調(diào)頻的策略，通過配置儲(chǔ)能參與新能源一次調(diào)頻在響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)短時(shí)及穩(wěn)態(tài)頻率特性、頻率二次跌落風(fēng)險(xiǎn)防范等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，配置儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)新能源平滑出力以及參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的雙重功能，可極大提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。目前已有文獻(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能輔助新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻等進(jìn)行了研究。討論了輔助新能源場(chǎng)站開展一次調(diào)頻時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，但未指出儲(chǔ)能輔助新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)峰時(shí)所需配置的功率及容量；提出了利用小波包分析風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差信號(hào)，并結(jié)合SOC分區(qū)二次功率修正的混合儲(chǔ)能控制策略，實(shí)現(xiàn)利用儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)場(chǎng)功率波動(dòng)的平抑，提升其對(duì)電網(wǎng)的頻率支撐能力，但未詳細(xì)討論參與調(diào)頻時(shí)所需的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置策略；研究了基于功率頻譜、考慮不同儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)特性的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率配置方法及其對(duì)電網(wǎng)的支撐，并結(jié)合仿真算例驗(yàn)證了所提方法的正確性，但配置方法過多側(cè)重于技術(shù)層面，忽略了對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析；指出可采用平滑濾波器、電池荷電狀態(tài)模糊控制等策略來計(jì)算儲(chǔ)能所需出力，并通過仿真對(duì)所提的算法進(jìn)行了驗(yàn)證，但未對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命及經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容做出評(píng)估；研究了儲(chǔ)能參與風(fēng)場(chǎng)一次調(diào)頻情況，提出了采用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃結(jié)合置信水平的方法來配置儲(chǔ)能，但論文中研究的儲(chǔ)能方式較為單一，未考慮混合儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)場(chǎng)一次調(diào)頻在性能上帶來的提升，且文獻(xiàn)未考慮儲(chǔ)能電池壽命對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響；研究了基于超級(jí)電容和蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻的參與，論文對(duì)儲(chǔ)能電池壽命的考慮較少且未考慮不同置信水平下儲(chǔ)能配置的優(yōu)化。本工作在上述工作的基礎(chǔ)上，綜合考慮了不同儲(chǔ)能技術(shù)出力特性、不同儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命、資金使用成本等諸多因素，并在計(jì)及能量/功率平衡、SOC、出力置信度等多約束目標(biāo)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多時(shí)間尺度小波分析、儲(chǔ)能容量迭代優(yōu)化計(jì)算算法和雨流計(jì)數(shù)電池壽命預(yù)測(cè)等數(shù)值分析理論，研究出適用于新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方法，并基于MATLAB開發(fā)了儲(chǔ)能配置計(jì)算工具。本工作主要聚焦風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻應(yīng)用場(chǎng)景下的儲(chǔ)能配置。1風(fēng)電場(chǎng)與混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻要求1.1風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻要求國家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)規(guī)范DLT1870—2018》(以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn))對(duì)新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻做出了要求。新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻過程中的出力要求如圖1所示，其中為風(fēng)電場(chǎng)有功功率初值(MW，在圖1中)，為風(fēng)電場(chǎng)有功功率額定值(MW)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在電網(wǎng)高頻擾動(dòng)情況下，有功功率降至額定出力的10%時(shí)新能源場(chǎng)站出力可不再向下調(diào)節(jié)，圖1中標(biāo)出了10%對(duì)應(yīng)的位置。圖1

風(fēng)電場(chǎng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻下垂曲線函數(shù)

針對(duì)新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻所需出力，對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式見式(1)。(1)其中為新能源場(chǎng)站參與一次調(diào)頻中所需出力的變化；為新能源場(chǎng)站初始出力；為新能源場(chǎng)站調(diào)頻調(diào)差率(一般取值2%)；為新能源場(chǎng)站額定功率；為電網(wǎng)額定頻率；為頻率差。(2)式(2)中為電網(wǎng)的實(shí)際頻率，為一次調(diào)頻的死區(qū)。將電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的頻率波動(dòng)數(shù)據(jù)帶入式(2)，即可求得不同時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的出力。1.2混合儲(chǔ)能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻配置算法本工作基于混合儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)參與一次調(diào)頻時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置方法進(jìn)行研究。通過將功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能按一定配比組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可大幅提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的對(duì)外出力特性。在儲(chǔ)能系統(tǒng)參與風(fēng)場(chǎng)一次調(diào)頻的應(yīng)用場(chǎng)景中，通過信號(hào)分析理論將風(fēng)場(chǎng)參與一次調(diào)頻的需求分解為高頻需求和低頻需求。短時(shí)高頻需求由飛輪儲(chǔ)能承擔(dān)，長時(shí)低頻需求由鋰電池儲(chǔ)能承擔(dān)，可充分發(fā)揮飛輪儲(chǔ)能的功率優(yōu)勢(shì)和鋰電池儲(chǔ)能的能量?jī)?yōu)勢(shì)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性。完成上述混合儲(chǔ)能配置工作的重點(diǎn)在于對(duì)應(yīng)工作頻率的確定。本工作利用小波分析對(duì)調(diào)頻所需出力進(jìn)行多時(shí)間尺度分析，將風(fēng)場(chǎng)參與一次調(diào)頻的出力信號(hào)分解為高、低頻信號(hào)，不同頻段的出力信號(hào)對(duì)應(yīng)不同頻率段的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在小波分析中對(duì)于任意調(diào)頻出力信號(hào)[n]都可將其小波分解為低頻部分L[n]和高頻部分H[n]，低頻部分L[n]在下一層小波分解又可以再次分解為低頻部分和高頻部分，最后形成多分辨率框架，如圖2所示。圖2

小波多分辨率分解示意圖Fig.2

Schematicdiagramofthewaveletmulti-resolutionanalysis基于小波分解計(jì)算，風(fēng)電場(chǎng)參與一次調(diào)頻時(shí)的實(shí)際出力可分解為高頻分量與低頻分量之和，見式(3)(3)用小波分析對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻所需出力進(jìn)行處理時(shí)，經(jīng)過第n層小波分析得到的一次調(diào)頻出力高頻頻率段為[](為數(shù)據(jù)采樣頻率)、低頻頻率段為[]。假設(shè)飛輪儲(chǔ)能的適用工作頻段為[]，，。為了保證飛輪儲(chǔ)能在一次調(diào)頻過程中的可靠動(dòng)作，飛輪儲(chǔ)能的工作頻段與高頻分量需有交集、需滿足式(4)(4)滿足式(4)的n的最大數(shù)定為。綜上小波分析中各個(gè)分解層對(duì)應(yīng)關(guān)系見式(5)(5)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻所需出力為：（1）能量型儲(chǔ)能(即鋰電池儲(chǔ)能)需要平抑的為(低頻及中頻分量)；（2）功率型儲(chǔ)能(即飛輪儲(chǔ)能)需要平抑的為(較高頻分量)。1.3混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略混合儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的控制策略如圖3所示，輸入為高/低頻的一次調(diào)頻出力分量，其中高頻分量輸入至飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，低頻分量輸入至鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。定義時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)。系統(tǒng)進(jìn)入充電狀態(tài)時(shí)需考慮：①充電功率是否大于鋰電池儲(chǔ)能或飛輪儲(chǔ)能PCS的最大功率；②此時(shí)鋰電池儲(chǔ)能或飛輪儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)(SOC)是否允許其充電。當(dāng)時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入放電狀態(tài)，此情況下同樣需要考慮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在功率、SOC等方面的約束。圖3

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制流程

在圖3中，為鋰電池儲(chǔ)能或飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量；為鋰電池儲(chǔ)能或飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率；為儲(chǔ)能系統(tǒng)單次參與一次調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間；SOC為鋰電池儲(chǔ)能或飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電率；SOC_min和SOC_max分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC允許的上、下限值。2考慮電池循環(huán)壽命約束的風(fēng)電場(chǎng)混合儲(chǔ)能配置模型2.1混合儲(chǔ)能系統(tǒng)等效循環(huán)壽命模型在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，飛輪儲(chǔ)能可完成十萬次以上的循環(huán)使用而鋰電池的等效充放電次數(shù)為4000～6000次?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的壽命主要取決于鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。針對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等效壽命的計(jì)算，本工作采用雨流計(jì)數(shù)法分析鋰電池的SOC變化曲線，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)出鋰電池的放電深度(DOD)及其對(duì)應(yīng)的充放電循環(huán)次數(shù)，然后從電池放電深度與循環(huán)壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系中推算電池的等效循環(huán)壽命。在得出每次的實(shí)際DOD后，基于式(6)，可計(jì)算出每次充放電時(shí)的電池循環(huán)壽命[12]。(6)式中，為第i次放電過程中電池的實(shí)際放電深度；為實(shí)際放電深度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際循環(huán)次數(shù)；為電池的額定放電深度(一般設(shè)為1)；為額定放電深度所對(duì)應(yīng)的額定循環(huán)次數(shù)?；诠?6)，電池壽命衰減率可表示為式(7)(7)式中，表示第i次放電深度對(duì)應(yīng)的電池循環(huán)次數(shù)。若電池經(jīng)歷了n次循環(huán)，電池剩余壽命可表示為式(8)(8)通過對(duì)R值判斷電池當(dāng)前壽命狀態(tài)，當(dāng)折算比R為0時(shí)，說明該電池壽命耗盡應(yīng)進(jìn)行更換?；谏鲜鲇?jì)算，即可得出混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命，并在此基礎(chǔ)上評(píng)估儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。2.2目標(biāo)函數(shù)本工作在考慮混合儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資成本、資金使用成本、更換成本、運(yùn)行維護(hù)成本、儲(chǔ)能提供一次調(diào)頻服務(wù)所獲收益、儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的置信水平等因素的基礎(chǔ)上，以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合成本最低為目標(biāo)，研究所需配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)功率及容量?；诮?jīng)典機(jī)會(huì)約束模型，本工作所搭建的目標(biāo)函數(shù)為式(9)(9)上式中為儲(chǔ)能系統(tǒng)初始總成本；為儲(chǔ)能系統(tǒng)的商業(yè)貸款比例；R為儲(chǔ)能系統(tǒng)的年資金使用成本；Y為儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營年限，可基于雨流計(jì)數(shù)法和儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)變化曲線求得；為儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)維成本；為儲(chǔ)能系統(tǒng)的更換成本；為儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻所獲收益。為約束條件滿足的概率，為機(jī)會(huì)約束條件，為儲(chǔ)能系統(tǒng)出力的置信水平。在上述目標(biāo)函數(shù)的基礎(chǔ)上，本工作通過計(jì)算內(nèi)部收益率(IRR)確定最優(yōu)的儲(chǔ)能配置方式，IRR的計(jì)算公式參看式(10)。(10)（1）儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻置信水平。參與一次調(diào)頻時(shí)隨著并網(wǎng)點(diǎn)頻率的變化(圖4)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力存在波動(dòng)(圖5)，通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的出力進(jìn)行正態(tài)分布分析，可得儲(chǔ)能系統(tǒng)出力概率密度分布圖。若配置儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足一次調(diào)頻所有情況下的出力需求，將導(dǎo)致配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)過大，且基于概率數(shù)理統(tǒng)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)在極少數(shù)情況下才需如此大的出力。過度配置儲(chǔ)能系統(tǒng)將降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)儲(chǔ)能所需出力的概率密度進(jìn)行積分，可得式(11)圖4

并網(wǎng)點(diǎn)頻率波動(dòng)示意圖圖5

儲(chǔ)能參與風(fēng)電場(chǎng)一次調(diào)頻所需出力(11)在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的前提下，考慮配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足一定置信水平()內(nèi)的出力，即式(12)(12)通過合理設(shè)置置信水平，可保證儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足絕大部分情況下風(fēng)場(chǎng)的出力需求，從而可兼顧風(fēng)電場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求以及配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。（2）儲(chǔ)能初始成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始成本為式(13)(13)式(13)中，為鋰電池的功率成本系數(shù)；為鋰電池的容量成本系數(shù)；為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率，MW；為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量，MWh；為飛輪的功率成本系數(shù)；為飛輪的容量成本系數(shù)；為飛輪的額定功率，MW；為飛輪的額定容量，MWh。（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)資金使用成本?？紤]到目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本仍較高，在儲(chǔ)能項(xiàng)目的建設(shè)過程中，除去部分自有資金，項(xiàng)目的大部分資金極有可能來自商業(yè)貸款。儲(chǔ)能系統(tǒng)的年資金使用成本R為式(14)(14)式中為貸款年利率；為每年的還款次數(shù)；Y為還款年限。（4）儲(chǔ)能運(yùn)維成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)維成本為(15)式中，為鋰電池的功率運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；為鋰電池的容量運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；為飛輪的功率運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)；為飛輪的容量運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)。（5）儲(chǔ)能更換成本。儲(chǔ)能的更換成本為(16)式(16)中，和分別為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、飛輪系統(tǒng)所需更換的次數(shù)。（6）儲(chǔ)能提供一次調(diào)頻產(chǎn)生的服務(wù)價(jià)值。儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻輔助服務(wù)，電力市場(chǎng)需支付對(duì)應(yīng)的服務(wù)費(fèi)用。調(diào)頻的服務(wù)費(fèi)用為(17)式(17)中，為儲(chǔ)能參與一次調(diào)頻的單價(jià)(元/MWh)，分別為t時(shí)刻參與一次調(diào)頻時(shí)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的電量。2.3約束條件儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的過程中，風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)需滿足下述條件。（1）風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平衡約束見式(18)(18)式中為置信水平為α下的風(fēng)場(chǎng)一次調(diào)頻所需出力。（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)功率約束見式(19)和(20)鋰電池儲(chǔ)能功率約束：(19)飛輪儲(chǔ)能功率約束：(20)式中，為t時(shí)刻鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率；為t時(shí)刻鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余容量；為鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量；為t時(shí)刻飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率；為t時(shí)刻飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余容量；為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量；分別為鋰電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率；為儲(chǔ)能系統(tǒng)單次參與一次調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間。（3）儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)功率約束鋰電池儲(chǔ)能SOC約束：(21)鋰電池儲(chǔ)能SOC約束：(22)3混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置工具混合儲(chǔ)能容量配置軟件主要有3個(gè)功能模塊，分別為電網(wǎng)頻率、風(fēng)場(chǎng)出力等數(shù)據(jù)錄入模塊、儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊(如功率、容量成本系數(shù)等)和混合儲(chǔ)能配置方案生成模塊。所開發(fā)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置工具界面圖如圖6所示。儲(chǔ)能容量配置求解流程如圖7所示。圖6

開發(fā)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置工具軟件界面圖圖7

配置工具軟件求解流程圖

開發(fā)了儲(chǔ)能配置的計(jì)算軟件?，F(xiàn)有儲(chǔ)能配置計(jì)算軟件與本工作所開發(fā)的儲(chǔ)能配置軟件的對(duì)比分析見表1，從中可看出本工作所開發(fā)的軟件綜合考慮了不同儲(chǔ)能技術(shù)出力特性、不同儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命、資金使用成本等不同變量，較之現(xiàn)有軟件，本工作所開發(fā)的軟件考慮因素更加全面。表1

已有儲(chǔ)能配置軟件與本工作所開發(fā)儲(chǔ)能配置軟件對(duì)比4算例分析本工作以國外某地2018年1月電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算該電網(wǎng)中一個(gè)400MW風(fēng)電場(chǎng)參與一次調(diào)頻時(shí)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率、容量的配置。電網(wǎng)的頻率波動(dòng)情況如圖4所示。根據(jù)式(1)和(2)可得該風(fēng)場(chǎng)參與一次調(diào)頻所需的出力情況，如圖5所示?；诒竟ぷ?.3節(jié)所述內(nèi)容，采用db6小波對(duì)圖5中的信號(hào)進(jìn)行多時(shí)間尺度分解。將分解得到的高、低頻信號(hào)分別用于計(jì)算飛輪儲(chǔ)能、鋰電池儲(chǔ)能的配置[式(5)]。經(jīng)過小波分解，考慮鋰電池儲(chǔ)能提供第3層高頻以及低頻的一次調(diào)頻出力，得到鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的初始值?；谏鲜龉接?jì)算可得鋰電池所需出力情況如圖8所示。圖8

鋰電池儲(chǔ)能所需出力情況

對(duì)鋰電池所需出力進(jìn)行正態(tài)分布擬合可得圖9。其中鋰電池儲(chǔ)能出力的標(biāo)準(zhǔn)差σ為10.3MW。若置信水平為99%，對(duì)應(yīng)3σ，鋰電池儲(chǔ)能的功率為30.9MW；同理可計(jì)算得出飛輪儲(chǔ)能功率為9.1MW。圖9

鋰電池儲(chǔ)能所需出力正態(tài)分布圖

將得到的鋰電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能功率代入式(18)～(22)并假設(shè)：①鋰電池儲(chǔ)能的SOC均滿足：0.2≤SOCbat≤1(SOC數(shù)值可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整)；②飛輪儲(chǔ)能的SOC滿足0.1≤SOCfly≤1；③飛輪儲(chǔ)能首先動(dòng)作，當(dāng)其功率不能滿足一次調(diào)頻動(dòng)作所需功率時(shí)，鋰電池儲(chǔ)能動(dòng)作；④飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)效率為94%；⑤鋰電池儲(chǔ)能效率為92%；⑥考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)每天工作完成后，系統(tǒng)SOC重置為初始值；⑦單次一次調(diào)頻的持續(xù)時(shí)間為20s?；趫D3和圖7，通過計(jì)算可得鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率為30.94MW時(shí)，容量需為47MWh；飛輪儲(chǔ)能功率為9.06MW時(shí)，容量需為35MWh?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)中鋰電池、飛輪儲(chǔ)能SOC變化情況如圖10、圖11所示。圖10

鋰電池儲(chǔ)能SOC變化示意圖圖11

飛輪儲(chǔ)能SOC變化示意圖

基于圖10，對(duì)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化情況進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)法分析，可得等效放電深度與放電次數(shù)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過式(6)～(8)計(jì)算可得在此應(yīng)用場(chǎng)景下鋰電池的壽命約為9.4年。圖12

鋰電池儲(chǔ)能雨流計(jì)數(shù)法分析

表2列出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)，其中儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命參考當(dāng)前廣西等地對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求，需滿足10年的工作壽命；儲(chǔ)能參與調(diào)頻的收益取自華中區(qū)域兩個(gè)細(xì)則中相關(guān)數(shù)據(jù)；鋰電池和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)基于前期與相關(guān)生產(chǎn)廠商的溝通獲得?；谛〔ǚ治?、鋰電池壽命預(yù)測(cè)算法以及表1，可得不同配置策略下儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命及收益情況，如表3所示。表3的儲(chǔ)能功率和容量配置數(shù)據(jù)為基于所開發(fā)的儲(chǔ)能配置程序通過計(jì)算得出，在輸入新能源場(chǎng)站數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖7所示流程圖、程序計(jì)算出不同的儲(chǔ)能配置方式，并將IRR最大的組合方式列出，從而得到最優(yōu)解。由表3可知，在不考慮運(yùn)營年限的情況下，若全部采用鋰電池，系統(tǒng)容量配置為40MW/87MWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)為1.11億元，項(xiàng)目的IRR為3.9%，但該配置下儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營年限僅有6.96年；若采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)配置鋰電池儲(chǔ)能38.94MW/79MWh、飛輪儲(chǔ)能1.06MW/5MWh時(shí)，項(xiàng)目的IRR最高為3.92%，該配置下儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營年限僅有7.17年。考慮到目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的最低運(yùn)營年限為10年。在此情況下，7.17年后混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的鋰電池儲(chǔ)能部分需全部更新，如果鋰電池儲(chǔ)能不更新，僅靠剩余的飛輪儲(chǔ)能無法滿足400MW風(fēng)場(chǎng)最高10%(即40MW)的一次調(diào)頻功率要求；若全部采用飛輪儲(chǔ)能，系統(tǒng)容量配置為40MW/84MWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)的造價(jià)為2.08億元，儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營年限滿足10年的要求，但項(xiàng)目不盈利(飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命大于10年，為了對(duì)比在滿足10年運(yùn)行條件下單獨(dú)配置飛輪儲(chǔ)能與配置其他儲(chǔ)能方案的收益率，此處