4.3 优化模型法
优化模型法首先分析储能系统的效益和成本构成,随后构建优化模型,最终求解确定储能配置功率容量。
不同的研究偏重于不同的方面进行规划,所以目标函数各异,文献[46-50]以储能总成本最小为目标函数：
文献[46]采用经验模态分解技术获取超级电容储能、电池储能的输出功率,随后考虑储能投资成本与弃风惩罚成本,建立了储能总成本最小模型。文献[47]在计及储能投资成本、弃风惩罚成本、缺电惩罚成本、维护成本、越限成本及更新成本的条件下,以储能总成本最小为目标,建立了储能容量规划模型,利用粒子群算法求解。文献[48]在考虑储能投资成本、弃风惩罚成本、缺电惩罚成本及越限成本的情况下,构建了储能总成本最小模型,并探讨了储能在低风电出力季节参与电网调峰的可行性。文献[49]提出了超级电容储能优先充放电的混合储能协调运行策略,构建了以混合储能总投资成本最小为目标的容量优化模型,采用量子遗传算法求解。文献[50]通过电池累计损伤模型计及储能寿命,提出了储能分期偿还投资成本最小模型,采用曲线拟合与遗传算法相结合的方法求解。
有的文献以储能性能指标、寿命成本评价指标及收益指标为目标进行规划。文献[28]基于储能全充-全放状态交替运行策略,提出了计及储能投资成本与寿命的储能性能指标,构建了储能性能指标最大模型。文献[51]引入了寿命成本评价指标,提出了以评价指标最小为目标的储能规划模型,采用线性搜索方法求解。该文也提出了一种储能全充-全放状态交替运行策略,重点分析了相邻调度时段的暂态过渡问题。文献[29]采用平均等效循环法计算储能寿命,并在考虑风电售电效益、储能残值效益以及储能投资成本、维护成本、更新成本的情况下,构建了以风-储联合系统净收益最大为目标的储能规划模型。文献[52]计及风电售电效益与储能投资成本,构建了风-储联合系统净收益最大模型,采用迭代方法求解。
综上,优化模型法可对储能系统进行细致的效益评价,但现有方法多基于确定性的风电历史数据,忽略了风电不确定性对储能效益评价的影响,存在效益评价风险。
综合储能系统的类型选取、风电平滑策略及功率容量配置方法,本文提出一种确定储能最佳配置方案的方法,如图3所示。
由图3可知,首先根据风电波动限制指标确定储能参考类型,然后针对任一参考类型,依次选择风电平滑策略及功率容量配置方法,确定储能配置方案,并进行检验：若不满足风电波动限制指标要求,更换风电平滑策略,再次求解储能配置方案;若满足要求,更换储能类型再次求解储能配置方案,直至完成所有储能参考类型配置方案的求解。随后,对所有配置方案进行经济性与技术性评估。最后,输出储能最佳配置方案。
5 研究展望
目前,虽然针对储能系统的风电平滑策略与功率容量配置方法研究取得了若干成果,但仍存在许多不足。综上所述,凝练出关键科学问题如下：
1)在满足风电波动限制指标要求的前提下,延长储能寿命是未来研究的重点。储能全充-全放状态交替运行策略为延长储能寿命提供了一种重要思路,该策略多通过风电概率区间预测计及风电不确定性。但是,现有研究均未给出最优风电置信度的确定方法,影响了上述策略的应用效果。因此,量化风电置信度对风电平滑效果及储能寿命的影响,提出最优风电置信度的确定方法是未来需关注的内容。
2)储能自适应风电平滑策略是未来研究的另一重点。由于风电功率具有显著的随机波动性,控制参数不变的风电平滑策略难以保证风电平滑效果,而自适应风电平滑策略可根据风电功率动态调整控制参数(一阶滤波算法时间常数,小波分解层数等),有效弥补了上述不足。目前,已有研究利用风电预测功率调整控制参数,使风电平滑策略具有一定的前瞻性。但是,上述研究鲜有计及风电预测不确定性,若风电实际出力与风电预测出力存在较大偏差,将会显著影响风电平滑效果。另外,风电预测不确定性的背景下,储能自适应风电平滑策略的风险分析与风险管控还有待研究。
3)储能平滑风电出力、参与调峰及提供备用的协调运行策略是未来研究的难点。在风电波动较小时段,利用储能闲置容量参与调峰及提供备用,可提高储能利用率,增加储能运行效益。现阶段,虽然已有研究提出了储能平滑风电出力与参与调峰的协调运行策略,但是部分问题仍有待深入研究,包括：储能调峰、备用效益的量化方式,储能备用激活后的运行调整策略,储能参与调峰、提供备用后的寿命估计等。
4)风火打捆外送下的储能与送端配套火电协调运行策略是未来研究的另一难点。风火打捆外送是提高输电系统经济性与安全稳定性的重要举措。规划设计风火打捆直流外送时,直流按照给定功率计划曲线运行,风电功率波动由送端配套火电和相联送端系统调节。但是由于风电功率波动显著,送端配套火电与相联送端系统的调频压力巨大。另外,火电进行调频时,可能出现机组反调、机组死区振荡等问题,影响了调频效果。配置在风电场端口的储能系统,凭借其快速充放电特性,一方面可以改善送端配套火电的调频效果,另一方面可以减小,送端配套火电因频繁改变出力造成的机组磨损,提高机组运行稳定性。然而,目前还未有风火打捆外送下储能与配套火电协调运行策略的研究。此背景下,兼顾风电波动限制指标要求与辅助配套火电调频的储能协调运行策略是未来待研究的重要内容。
5)调频市场下的储能风电平滑策略是未来重要的研究内容。在电力市场化较为发达的美国,已将储能等非传统电源纳入调频市场,并在2011年10月,美国FERC正式发布法案755“批发电力市场的调频服务补偿”,改进了调频市场的补偿机制,由原先的仅按调频容量补偿变为考虑调频容量与调频效果的综合补偿,促进了储能等高性能调频电源的建设[55]。相较美国,虽然中国也已经建立了调频辅助服务补偿机制,但目前的辅助服务管理办法中,把包括调频在内的辅助服务提供者限定为并网发电厂。随着中国电力体制改革的逐步推进,纳入储能系统的调频市场机制会逐步建立。此背景下,计及风电波动限制指标约束的储能调频运行策略是未来研究的重点。
6)储能寿命估计是储能功率容量配置的关键。现有研究多基于储能最大循环次数曲线估计储能寿命。需注意的是,储能最大循环次数是给定测试条件(环境温度,储能充放电速率等)下的实验值,但储能实际运行条件并非如此,因而带来了估计误差。另外,现有研究估计储能寿命时均未考虑储能容量损耗的影响。随着储能循环次数的增加,部分储能(铅酸电池储能,锂电池储能等)的最大存储容量逐渐减小,储能放电深度发生改变,也会带来估计误差[56]。因此,建立综合考虑环境温度、储能充放电速率、放电深度及容量损耗影响的储能寿命估计方法是未来待研究的重要内容。
7)能源互联网下的储能综合效益评价体系是未来研究的关键。能源互联网中,储能已成为大规模新能源发电接入和利用的重要支撑技术。配置在风电场端口的储能系统,不仅可以平滑风电出力,也可以减少弃风,改善风电场电压波动,提高风电场低电压穿越能力,提供电网调频、调峰、备用及黑启动等。当确定风电场端口储能系统的规划方案时,如果仅考虑储能平滑风电出力的效益,将会得出不具备经济性的结论,这不利于该项技术的商业化推广。因此,建立储能综合效益评价体系,对于全面评估储能价值,促进投资者获得国家政策的支持具有重要意义。
