技术领域
[0001] 本
发明涉及
风力发电技术领域，是一种利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的优化配置方法。
背景技术
[0002] 我国
风能资源丰富，风电的“爆炸式”发展，风电装机容量快速增加，风电多集中在东北、华北、西北及内蒙古地区，这些地方风电装机容量大，现已形成一定风电集中外送规模，风电集中外送能力与外送通道紧密相关。然而风电外送通道建设滞后，输电功率不断增加，但输电容量并未改变，使得输电功率超过原来规划建设的输电容量，最终导致较大程度的弃风，对包括风电在内的
可再生能源发电发展产生不利影响，使得火电厂继续使用
非可再生能源燃
煤发电，没有充分利用可再生能源的优势，对社会也造成极大损失，对环境治理及节能减排带来不便，加重雾霾影响。2011年，“三北”地区限电比例都接近20％。2013年全国“弃风”电量162.31亿千瓦时，经济损失约75亿，相当于159万吨煤炭消费量。由风电集中外送输电瓶颈引起的弃风问题日益严重，现已成为电力行业关注的焦点。
[0003] 随着储能技术的发展，储能系统趋于成熟，现已广泛应用于风
电场中。在风电出力较大，出现弃风现象时，储能可将部分风电进行吸收，并且在风电出力较小时，将储存的
能量进行释放，起到松弛输电瓶颈作用，有效解决风电集中外送输电瓶颈问题，提高风电接纳能力。大规模储能的应用可弥补输电通道建设滞后风电电源建设造成的损失，能够延缓输电建设，为输电建设赢得时间。然而，现配置大规模储能系统价格比较昂贵，因此，有必要综合考虑输电工程成本，储能系统成本，输电收益，储能系统收益，建立以综合效益最大化为目标，给定输电线路输
电能力时的储能系统优化配置的方法。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提出一种利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的优化配置方法，该方法综合考虑输电工程成本，储能系统成本，输电收益，储能系统收益，建立储能系统全寿命周期成本模型，以综合效益最大化为目标，最终确定确定储能系统最优配置容量及容量。
[0005] 解决其技术问题所采用的技术方案是一种利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的优化配置方法，其特征是,它包括以下步骤：
[0006] 1)输送通道受阻原因及弃风量计算
[0007] 风电输送通道是指用于输送风电场输出的风电功率到用电负荷较大较集中的地区进行消纳的输电线路，影响风电输送通道的因素有风电的
波动性，输电线路容量以及
电网用电负荷变化。
[0008] 风电实际功率大于输电通道容量或者电网允许接纳风电功率时，出现弃风量，Pwind＞Paccept＞Pline，或Paccept＞Pwind＞Pline时，弃风功率为风电输出功率与输电通道容量之差，Pline＞Pwind＞Paccept，或Pwind＞Pline＞Paccept时，弃风功率为风电输出功率与电网允许接纳风电功率之差，
[0009] 其中，Pwind为风电实际功率，Pline为输电通道容量，Paccept为电网允许接纳风电功率，QE为储能系统提高的风电外送电量，其计算方法为：
[0010]
[0011]
[0012] 式中，n为储能寿命周期；Pd为储能放电功率，MW；Pc为储能充电功率，MW；η为储能能量转换功率；sign为符号函数；
[0013] 2)基于全寿命周期理论建立储能系统及输电线路数学模型
[0014] LCC成本总体上包括投资
费用和运行维持费用两大类，投资费用主要指设备购置的投资成本IC；运行维持费用可细分为：运行成本OC、检修维护成本MC、故障成本FC和退役处置成本DC，由各阶段成本即可构成LCC成本：
[0015] LCC＝IC+OC+MC+FC+DC (3)
[0016] 采用LCC净年值(NAV)来计算电网建设项目全寿命周期成本，为方便计算，只对储能系统成本按照LCC来计算，输电线路成本按照静态回收考虑来计算器成本，净年值是通过资金等值换算将项目净现值分摊到寿命期内各年，从第1年到第n年的等额年值，
[0017] 其计算公式为:
[0018] NAV＝LCC×i(1+i)n÷[(1+i)n-1] (4)
[0019] 按照LCC成本，给出储能系统各部分分解成本计算公式：
[0020] IC发生在设备购置当年，即计算周期的起始年为基准年，主要有设备购置费和安装调试费用构成，故有：
[0021] IC＝ICp+ICi (5)
[0022] ICp＝cp×Be+cc×Ce (6)
[0023] 安装调试费用ICi与储能购置费用ICp相比，费用较少，为方便计算，可忽略不计，[0024] 式中：ICp为储能购置费用；ICi为安装调试费用；cp为储能功率价格，元/MW；Be为储能系统功率，MW；cc为储能系统容量价格，元/MWh；Ce为储能系统容量，MWh，
[0025] 运行成本OC
[0026] 储能系统的运行成本由设备能耗费用和巡视人工费用，为方便计算，用设备能耗费用近似代替OC
[0027] OC＝(Pc-Pd)×8760×α (7)
[0028] 式中，Pd为储能放电功率，MW；Pc为储能充电功率，MW；α为风电成本电价[0029] 检修维护成本MC
[0030] 储能系统的检修维护可分为周期性的解体检修，即大修和检修维护，即小修两大类，其成本主要由检修维护周期和单次的检修维护费用决定，第n年的检修维护成本可用下面公式进行计算：
[0031] MCn＝n0×MCn0+nr×MCnr (8)
[0032] 式中：MCn0为单次大修费用；MCnr为单次小修费用，其中，n0和nr分别表示第n年是否对储能系统进行大小修或者小修，其取值由各自的检修维护周期T0和Tr决定，为0或1，具体为：n能整除T0时，n0取1，否则取0；nr的取值与n0类似，
[0033] 故障成本FC
[0034] 储能系统的故障成本包括故障检修费用和故障损失费用，为计算方便，以故障损失费用近似代替故障成本FC，故障损失费主要由停电损失费用决定，故第n年的故障成本可用下面公式计算：
[0035] FCn＝λ×PF×tF×α (9)
[0036] 式中：λ为储能系统故障率；PF为故障时储能系统损失功率：tF为储能系统平均停止工作时间；α为风电成本电价，
[0037] 退役处置成本DC
[0038] 储能系统的退役处置成本主要包括设备的退役或报废处理费和退役残值，其中设备退役残值以负数计入，退役处理费可将投资成本中的安装调试费安清理费率，取32％折算得到；设备退役残值可将投资成本中的设备处置费按一定比例，取5％折算得到，则储能系统的退役处置成本DC为：
[0039] DC＝32％×ICi+5％×ICp (10)
[0040] 按静态回收考虑的输电线路成本Cs计算
[0041] Cs＝(KsPlineL)/Ts (11)
[0042] 式中，L为输电距离，Ks为单位容量、单位长度下的输电工程造价；Ts为输电工程投资静态回收期；
[0043] 储能系统收益
[0044] 储能系统收益B为寿命周期期限内提高的风能接纳量，其计算公式为
[0045] B＝KEQE (12)
[0046] 式中，KE为输电企业外送单位风电电量的价格，QE为储能系统提高的风电外送电量，
[0047] 输电工程收益
[0048] R＝KrGw (13)
[0049] 式中，Kr为输电企业外送单位风电电量的价格；Gw为不加储能系统时每年输电工程外送的风电电量；Gw的计算公式为
[0050]
[0051]
[0052] 式中，d1为一天0点时刻d2为一天最后时刻，fp为可送出风电功率曲线，
[0053] 替代火电出力效益
[0054] Breplace＝kfbQE (16)
[0055] 式中，kf为单位
质量燃煤价格，b为火电厂标准煤耗率，QE为储能系统提高的风电外送电量节能减排效益
[0056]
[0057] 式中：Bj为储能系统节能减排效益，元；Pco2、Pso2、Pno分别为电网处理向外界排放的co2、so2、氮
氧化物产生的投资，元/kg；eco2、eso2、eno分别为火
电机组生产单位电能的co2、so2、氮氧化物
排放量，kg/MWh；
[0058] 输电线路储能系统最优配置
[0059] 基于全寿命周期理论，综合考虑储能系统及输电线路的经济效益，投资成本，以储能系统寿命周期n年内综合效益最大化为目标，构建了一种风电外送储能最优配置，其目标函数如下式所示：
[0060] f＝max{B+R+Breplace+Bj-Cs-NAV} (18)
[0061] 式中，f为储能系统综合效益，元，目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置。
[0062] 本发明为利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的储能优化配置方法，其有益效果体现在：能够充分考虑风电波动性、输电线路容量及电网用电负荷等因素对储能系统最优配置的影响，在此
基础上，综合考虑输电工程成本，储能系统成本，输电收益，储能系统收益等因素，确定储能系统的最优配置，同时事项综合效益最大化，为松弛风电外送输电瓶颈提供了有效手段。
附图说明
[0063] 图1风电外送通道受阻示意图；
[0064] 图2储能系统不同配置与其全寿命周期成本图；
[0065] 图3储能系统配置与其综合效益对应图；
[0066] 图4配置储能系统前后风电基地年限电量累计图。
具体实施方式
[0067] 下面利用附图和
实施例对本发明利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的优化配置方法。
[0068] 本发明的一种利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的优化配置方法，包括以下步骤：
[0069] 1)输送通道受阻原因及弃风量计算
[0070] 风电输送通道是指用于输送风电场输出的风电功率到用电负荷较大较集中的地区进行消纳的输电线路，影响风电输送通道的因素有风电的波动性，输电线路容量以及电网用电负荷变化。
[0071] 参照图1，风电实际功率大于输电通道容量或者电网允许接纳风电功率时，出现弃风量。由附图1可知，Pwind＞Paccept＞Pline(或Paccept＞Pwind＞Pline)时，弃风功率为风电输出功率与输电通道容量之差，Pline＞Pwind＞Paccept(或Pwind＞Pline＞Paccept)时，弃风功率为风电输出功率与电网允许接纳风电功率之差。其中，Pwind为风电实际功率，Pline为输电通道容量，Paccept为电网允许接纳风电功率。
[0072] QE为储能系统提高的风电外送电量，其计算方法为：
[0073]
[0074]
[0075] 式中，n为储能寿命周期；Pd为储能放电功率，MW；Pc为储能充电功率，MW；η为储能能量转换功率；sign为符号函数。
[0076] 2)基于全寿命周期理论建立储能系统及输电线路数学模型
[0077] LCC成本总体上包括投资费用和运行维持费用两大类，投资费用主要指设备购置的投资成本IC；运行维持费用可细分为：运行成本OC、检修维护成本MC、故障成本FC和退役处置成本DC。由各阶段成本即可构成LCC成本：
[0078] LCC＝IC+OC+MC+FC+DC (3)
[0079] 采用LCC净年值(NAV)来计算电网建设项目全寿命周期成本。为方便计算，只对储能系统成本按照LCC来计算，输电线路成本按照静态回收考虑来计算器成本。
[0080] 净年值是通过资金等值换算将项目净现值分摊到寿命期内各年，从第1年到第n年的等额年值。其计算公式为:
[0081] NAV＝LCC×i(1+i)n÷[(1+i)n-1] (4)
[0082] 按照LCC成本，给出储能系统各部分分解成本计算公式：
[0083] IC发生在设备购置当年，即计算周期的起始年为基准年，主要有设备购置费和安装调试费用构成，故有：
[0084] IC＝ICp+ICi (5)
[0085] ICp＝cp×Be+cc×Ce (6)
[0086] 安装调试费用ICi与储能购置费用ICp相比，费用较少，为方便计算，可忽略不计。
[0087] 式中：ICp为储能购置费用；ICi为安装调试费用；cp为储能功率价格，元/MW；Be为储能系统功率，MW；cc为储能系统容量价格，元/MWh；Ce为储能系统容量，MWh。
[0088] 运行成本OC
[0089] 储能系统的运行成本由设备能耗费用和巡视人工费用，为方便计算，这里用设备能耗费用近似代替OC。
[0090] OC＝(Pc-Pd)×8760×α (7)
[0091] 式中，Pd为储能放电功率，MW；Pc为储能充电功率，MW；α为风电成本电价[0092] 检修维护成本MC
[0093] 储能系统的检修维护可分为周期性的解体检修，即大修和检修维护，即小修两大类，其成本主要由检修维护周期和单次的检修维护费用决定。第n年的检修维护成本可用下面公式进行计算：
[0094] MCn＝n0×MCn0+nr×MCnr (8)
[0095] 式中：MCn0为单次大修费用；MCnr为单次小修费用。其中，n0和nr分别表示第n年是否对储能系统进行大小修或者小修，其取值由各自的检修维护周期T0和Tr决定，为0或1，具体为：n能整除T0时，n0取1，否则取0；nr的取值与n0类似。
[0096] 故障成本FC
[0097] 储能系统的故障成本包括故障检修费用和故障损失费用，为计算方便，以故障损失费用近似代替故障成本FC，故障损失费主要由停电损失费用决定，故第n年的故障成本可用下面公式计算：
[0098] FCn＝λ×PF×tF×α (9)
[0099] 式中：λ为储能系统故障率；PF为故障时储能系统损失功率：tF为储能系统平均停止工作时间；α为风电成本电价。
[0100] 退役处置成本DC
[0101] 储能系统的退役处置成本主要包括设备的退役或报废处理费和退役残值，其中设备退役残值以负数计入。退役处理费可将投资成本中的安装调试费安清理费率(取32％)折算得到；设备退役残值可将投资成本中的设备处置费按一定比例(取5％)折算得到，则储能系统的退役处置成本DC为：
[0102] DC＝32％×ICi+5％×ICp (10)
[0103] 2)按静态回收考虑的输电线路成本Cs计算
[0104] Cs＝(KsPlineL)/Ts (11)
[0105] 式中，L为输电距离，Ks为单位容量、单位长度下的输电工程造价；Ts为输电工程投资静态回收期。
[0106] 3)储能系统收益
[0107] 储能系统收益B为周期期限内提高的风能接纳量，其计算公式为
[0108] B＝KEQE (12)
[0109] 式中，KE为输电企业外送单位风电电量的价格，QE为储能系统提高的风电外送电量[0110] 4)输电工程收益
[0111] R＝KrGw (13)
[0112] 式中，Kr为输电企业外送单位风电电量的价格；Gw为不加储能系统时每年输电工程外送的风电电量；Gw的计算公式为
[0113]
[0114]
[0115] 式中，d1为一天0点时刻d2为一天最后时刻，fp为可送出风电功率曲线。
[0116] 替代火电出力效益
[0117] Breplace＝kfbQE (16)
[0118] 式中，kf为单位质量燃煤价格，b为火电厂标准煤耗率，QE为储能系统提高的风电外送电量节能减排效益
[0119]
[0120] 式中：Bj为储能系统节能减排效益，元；Pco2、Pso2、Pno分别为电网处理向外界排放的co2、so2、氮氧化物产生的投资，元/kg；eco2、eso2、eno分别为火电机组生产单位电能的co2、so2、氮氧化物排放量，kg/MWh。
[0121] 输电线路储能系统最优配置方法
[0122] 基于全寿命周期理论，综合考虑储能系统及输电线路的经济效益，投资成本，以储能系统寿命周期n年内综合效益最大化为目标，构建了一种风电外送储能最优配置方法，其目标函数如下式所示：
[0123] f＝max{B+R+Breplace+Bj-Cs-NAV} (18)
[0124] 式中，f为储能系统综合效益，元。
[0125] (18)式目标函数的最优解即为总收益最优的储能系统配置。
[0126] 本实例针对某省某大型风电基地外送工程，总装机容量为1500MW,考虑储能系统经济效益和投资成本，分析以使储能系统综合效益最大化的储能系统最优配置；
[0127] 实施例计算条件说明如下：
[0128] (1)输送电企业单位风电量的外送价格Kr＝KE＝0.6元/(KWh)
[0129] (2)输电工程单位综合造价Ks＝100万元/(MW/100km),输电线路容量Pline取890MW,输电线路长度L＝200km，输电静态回收期Ts＝20年。
[0130] (3)储能系统采用容量、功率可单独配置的
钒液流
电池储能系统，其寿命周期n为10年，循环使用次数大于12000次，系统能量效率η为90％，容量价格C1为900元/(KWh),功率价格C2为3600元/kw，储能系统故障率λ＝2.8次/年，平均故障时间tF为30h/次。
[0131] (4)替代火电出力计算中，kf＝400元/1000kg，火电厂标准煤耗率b取中温中压凝汽式
发电厂煤耗率0.48kg/KWh
[0132] (5)风电成本电价α＝0.25元/(KWh)
[0133] (6)涉及储能系统节能减排效益计算参数如表1所示：
[0134] 表1储能系统节能减排效益计算参数
[0135]
[0136] 在上述计算条件下，应用本发明方法对实施例利用储能系统松弛风电外送输电瓶颈的容量优化配置方法的结果如下：
[0137] 1.基于全寿命周期理论建立储能系统及输电线路数学模型
[0138] 根据公式(4)～(11)计算，可得到储能系统全寿命周期成本随配置容量和功率不同的变化情况。储能系统全寿命周期成本如附图2所示。随着储能系统配置功率及容量的增加，其全寿命周期成本逐渐升高，减小的弃风电量也逐渐升高，但松弛输电瓶颈效果不明显。当配置达到一定程度时，风电基地的输电通道受阻情况可完全改善，松弛输电效果显著，此后不必继续增加储能系统投资。然而，此时的储能配置虽保证了风电基地无弃风量，达到松弛输电瓶颈效果，但并不能保证综合效益达到最大还需考虑输电线路的投资与收益。
[0139] 2.储能系统环境效益及代替火电出力效益表
[0140] 表2储能系统环境效益及代替火电出力效益表
[0141]
[0142] 根据公式(15)～(17)，还可以计算出不同配置储能对风电基地限电的改善程度，可分别计算出减少的弃风量，替代效益及节能减排效益，由表2可以看出，随着储能系统配置功率及容量增加，替代效益及节能减排效益也随之增加；当储能系统配置达到70MW，配置容量达到500MW时，每年可减小弃风量达1130.6GWh，此时，风电基地限电状况得到完全改善，继续增加储能配置将导致资源限制，储能系统不能充分利用。
[0143] 3.储能系统综合效益
[0144] 由附图3及表1可知：当储能系统功率配置较小时，综合效益随配置功率、配置容量的增加而增加，当储能系统配置功率及容量超过某值时，其替代效益及节能减排效益增加，但其综合效益随其配置功率及容量的增加而下降。由公式(19)计算可知：在风电波动性、风电外送输电线路容量Pline及电网接纳风电程度限制下，储能系统最优配置功率为46MW，最优配置容量为421MWh时，储能系统投资成本为5.928亿元，其综合效益达到2.033亿元。
[0145] 4.弃风量计算
[0146] 由公式(2)计算得到：当储能系统配置功率为46MW，配置容量为421MWh时，储能系统处于最优配置状态，松弛输电瓶颈效果显著，可减少的弃风量为983.6GWh，有附图4相当于火电厂节省47.21万吨燃煤，节能减排效益明显，可有效减少雾霾。
[0147] 本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对
权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
