光伏电站和风电场储能容量配置的技术经济研究

光伏电站和风电场储能容量配置的技术经济研究

陈铭

中广核（福建）风力发电有限公司 福建省 福州市 350001

摘要：“十四五”期间，我国将大力推动能源清洁低碳安全高效利用，加快新能源产业发展，促进能源全面绿色转型。当前，我国正处于能源绿色低碳化转型的关键时期，储能产业的发展对未来我国能源结构性调整，构建清洁低碳、安全高效的能源体系具有重要意义。“十四五”期间可再生能源装机比重将进一步提升，电力系统对储能的需求也将随之增加。因此，发展储能是能源绿色低碳转型的新方向，也是“十四五”期间能源发展的重点方向。

关键词：光伏电站；风电场；储能容量配置；技术经济

引言

近期，《关于促进储能产业与技术发展的指导意见》《南方区域电化学储能电站并网运行管理及辅助服务管理实施细则（试行》《国家电网有限公司关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》《关于加强储能标准化工作的实施方案》等政策的发布对储能产业的扶持，以及产业链的发展完善、产品的研发改进、产品制造成本降低等利好因素的影响，储能的发展有望进一步提速。从储能技术看，考虑到大规模推广应用所需的技术成熟度和造价水平，相比于机械储能、压缩空气储能、飞轮储能和电磁储能而言，现阶段电化学储能有望实现大规模推广应用，其中锂离子电池储能技术和液流电池储能技术是储能技术重要的发展方向。在新能源发展过程中，由于光伏发电和风力发电具有间歇性、波动性、随机性的特点，需要配套储能解决弃光弃风问题以及平滑光伏电站和风电场的出力。因此，对于光伏电站和风电场而言，电网结构薄弱、弃光弃风问题突出的地区储能产业的发展潜力巨大。

1储能系统装机容量及充放电功率配置方法

以光伏电站为例，配置储能系统的目的是降低弃电率、平滑光伏电站出力并产生收益，结合光伏电站典型日发电及限电曲线。根据需求不同，储能系统在装机容量计算时一般有两种方法：一是目标弃电率，即设定某一弃电率目标值，通过配置储能系统将光伏电站的弃电率降低至该值，在此基础上计算得出储能系统容量。通常可结合全年8760h逐时发电量、弃电量和太阳能资源情况，利用光伏发电延时曲线能够推断储能装机容量;二是最佳经济性，即通过比较不同容量储能系统的投资收益情况，得到经济性最佳的储能系统容量并计算对应的弃电率。

2光伏电站和风电场储能容量配置的技术经济

2.1计及可再生能源可靠性的虚拟电厂动态聚合方法

作为碳达峰的关键时期，“十四五”期间我国将持续推动可再生能源的大规模开发与利用，构建清洁低碳安全高效的现代化能源体系。但受地形、地势、气候条件以及机组自身等随机因素的影响，可再生能源出力呈现不确定性，使得可再生能源发电系统的可靠性大幅降低，导致电网调度中心对可再生能源制定的计划发电量以及对可再生能源调度的积极性都大幅下降。虚拟电厂VPP(Virtual Power Plant)技术是将不同类型的能源聚合，通过高效的能源管理优化方案，提高VPP整体可靠性，使电网对其下达更多的发电计划。当VPP可靠性较差时，会加剧常规能源对可再生能源的挤出效应，致使电网对可再生能源供电能力的信任度下降，弃风弃光现象严重。由此可见，VPP的可靠性评估不仅是其能否参与电网调度的重要参考依据，还是本文所提VPP动态聚合模型的基础。现阶段。计及可再生能源可靠性的VPP动态聚合方法。首先对风电、光伏的出力模型进行分析和修正；其次，将不同机组进行同质化处理，建立考虑置信容量的VPP可靠性评估模型；然后，以电量不足期望值最小为优化目标，构建计及可再生能源可靠性的VPP动态聚合模型，并采用改进无网格光线寻优(IFLRO)算法对该模型进行求解；最后通过仿真验证了所提方法的可行性、高效性与稳定性。

2.2基于非合作博弈的风-光-氢微电网容量优化配置

为顺应国际能源转型大势，我国将在“十四五”期间加快建设风电、光伏等新能源产业，推动能源清洁低碳、安全高效利用，提升新能源消纳和存储能力。近些年随着风电、光伏的渗透率不断提高，推进其消纳和高效利用面临着巨大挑战。而制氢-储氢-发电系统因其清洁高效的优势已经成为部分发达国家解决该问题的有效方案。氢能作为一种理想的清洁能源，具备大容量、高密度、低排放，对环境无污染等优点，且制氢设备使用寿命长，原料获取简单，氢气储存和运输都较为方便，为风电、光伏的大规模开发、利用和消纳提供了一种新的优选方案。以风、光、氢等多能源互补发电的微电网系统容量配置和能量管理成为了研究热点。与传统化学电池储能相比，氢储在多个方面具有良好的性能:(1)氢气的能量密度比常规蓄电池的平均能量密度高;(2)能量转换设备中质子交换膜的使用寿命要高于蓄电池的电解液;(3)蓄电池存在自放电的问题，只能作为短期储能的介质;(4)氢气为清洁能源，对环境无污染，且其存储和运输十分方便。文中构建的风-光-氢微电网系统，由电解槽(electrolysiscell，EC)、储氢罐(hydrogen storage tank，HST)、燃料电池(fuel cell，FC)、风电场、光伏电站和微电网调度中心等组成。当风电、光伏出力大于负荷需求时，通过EC将多余的电能转换为氢气进行存储;在风电、光伏出力不足或负荷处于高峰期时通过FC将氢气转换成电能进行补充。由于风电、光伏输出功率的随机性和不确定性，微电网系统会不可避免地出现功率不足或盈余的情况。功率不足时需要从主网购买相应的功率以补足缺额;而功率盈余时则会出现弃风弃光现象。因此目标函数中考虑了各投资方的设备投资费用、购售电费用、运行维护成本、弃风弃光惩罚费用、负荷中断惩罚费用和政府补贴等因素，旨在寻求更合理的容量配置策略，降低容量配置成本，提高可再生能源的利用率。

2.3考虑不确定性的风光储协同控制

新能源发电包括光伏发电和风力发电，受到光照、风速等自然因素的影响，具有波动性和不确定性。随着新能源并网规模的不断增大，其出力的波动性与负荷的波动性相叠加，会影响到电网的稳定运行。含有大量新能源的电网常须配置储能装置，以抑制负荷及新能源出力的波动。为了更好地保证电网的安全稳定，有必要对储能装置与风电、光伏的协调控制进行研究。目前已有风光储协调控制的研究，相关研究一般涉及新能源并网规划、电网经济调度、容量优化配置等领域，需要根据优化目标建立相应的协调控制优化模型，采用动态规划、粒子群算法、遗传算法等优化算法进行求解。风光储协同控制不确定性优化模型，针对模型中的不确定性，提出一种基于置信度校验的求解方法，首先根据历史数据，采用混合高斯模型拟合出概率密度函数，进行概率建模，使用粒子群优化算法动态地求解储能装置最优充放电功率，并根据混合高斯模型对求得的最优充放电功率进行置信度校验，淘汰不能满足置信度校验的可行解，最终得到满足不确定性约束的最优充放电功率。

结语

总而言之，风电场+储能的综合发电特性进行调整，基本保证储能设备能够每天完成一充一放，能够提高储能电站的经济效益。此外，建议以风电场配套建设储能系统或者以储能系统参与调频给予电价补贴，并按照储能系统的上网电量核算发放，从而提高储能系统的经济性。

参考文献

[1]施琳，罗毅，涂光瑜，等.考虑风电场可调度性的储能容量配置方法[J].电工技术学报，2013，28(5):120-127.

[2]李建林，郭斌琪，牛萌，等.风光储系统储能容量优化配置策略[J].电工技术学报，2018.