技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统分析的技术邻域，具体涉及一种应大规模新能源并网消纳条件下储能容量合理配置的方法。
背景技术
[0002] 随着智能
电网建设的逐步深入，新能源技术(如
风电和光伏等)也获得了较快的发展。由于新能源单位容量建设成本快速下降，系统中新能源机组的装机容量在总装机容量中的比重越来越高，然而新能源电源出力具有随机性和
波动性等特点，且新能源出力的反调峰特性明显，当新能源大规模接入电网后，会给电力系统安全运行带来不小的挑战。特别是在新能源量大而系统消纳空间不足时，往往通过“弃风”“弃光”来维持系统的电力平衡。随着我国新能源发电规模的快速增长以及大范围跨区输电格局的建立，电网对于缓解调峰压力、提高备用
水平、减少电网阻塞以及提升跨区通道输送能力等需求日益凸显。
[0003] 储能技术作为应对上述问题的重要技术方案，有着广阔的应用前景。由于储能具有快速充放电及易于控制充放电功率的特性，因此对于含大规模新能源的电力系统来说，引入储能后不仅可以保证满足系统安全可靠运行的要求，还可以通过合理配比储能容量，提高新能源的利用率，减少弃风弃光现象的发生。储能设备作为电力系统的重要环节可以将暂时不需要的
能量存储并在需要的时候释放出来，对于系统调峰和保证系统备用容量充裕性等具有重要意义。因此，结合大规模新能源并网消纳的需求，对储能的容量配置进行合理优化，不仅能够进一步缓解能源浪费，降低新能源并网给电网调度运行所带来的冲击，还可以优化储能投资，提高社会的整体效益。
[0004] 但目前国内外的储能容量规划方法大都是基于典型日的新能源出力与负荷需求特性曲线来进行计算，缺乏在大区域环境和大时间尺度下的储能容量配置研究。这样的处理方法无法考虑新能源出力在每日的差异性，使得最后优化得到的储能容量配比不合理，容易造成大量的弃风弃光现象。现有的研究难以指导电网中储能容量的合理配置，也难以为国家制定储能相关规划和发展政策提供有效
支撑。
[0005] 有鉴于此，急需提供一种在大区域环境和大时间尺度下，适应大规模新能源并网消纳条件下合理配置储能容量的方法。
发明内容
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种适应大规模新能源并网消纳的储能容量优化配置方法，包括以下步骤：
[0007] 确定区域电网计算参数并生成新能源受阻地区集合；确定区域电网储能初始配置规模及其相关参数；建立优化调度模型；
[0008] 确定当前新能源受阻地区电网新能源最大消纳量；更新储能配置规模优化区间；
[0009] 判断是否需要更新系统储能配置规模，若需要，则更新系统储能配置规模，并重新确定当前新能源受阻地区电网新能源最大消纳量；若不需要更新，则判断新能源受阻地区集合是否遍历，若新能源受阻地区集合中所有元素均已遍历，则确定并输出储能逆变器功率、
电池容量及配置储能投资
费用，若未遍历完全，则重新确定当前新能源受阻地区电网新能源最大消纳量；
[0010] 所述区域电网计算参数包括区域电网内部的新能源受阻地区；全网正/负备用容量水平，区域电网的供暖时间，区域电网与外部电网之间联络线全年计划序列，区域电网全年负荷序列，新能源出力全年归一化序列，新能源全年逐月并网容量；
[0011] 火
电机组类型、火电机组台数、火电机组单机容量、火电机组全年的最小开机方式、火电机组出力上下限、火电机组在1min内改变出力的最大速率、区域电网对新能源利用水平的要求；
[0012] 所述相关参数包括储能逆变器功率，储能电池容量，储能充电效率，储能放电效率，储能电池最小
荷电状态，储能电池最大荷电状态，逆变器单位容量建造成本和电池单位容量建造成本。
[0013] 在上述方法中，所述建立优化调度模型具体为：
[0014] 建立以年度为时间周期的优化调度模型，系统新能源消纳量最大为优化目标，建立混合整数规划模型；
[0015] 目标函数如下：
[0016]
[0017] 其中， 为区域n中的风电机组在第t时刻的发电功率， 为区域n中的光伏机组在第t时刻的发电功率，N为新能源受阻地区数目，T为优化时段数目；
[0018] 混合整数规划模型约束包括区域负荷平衡约束、旋转备用约束、区域电网内部传输断面容量约束、系统调度指令约束、火电机组运行台数约束、火电机组运行状态约束、火电机组发电功率约束、火电机组发电功率爬坡率约束、新能源出力约束、储能充放电状态约束、储能充放电功率约束和储能SOC状态约束。
[0019] 在上述方法中，所述确定当前新能源受阻地区电网新能源最大消纳量包括：
[0020] 采用时序生产模拟方法求解当前边界条件下的长期优化调度模型，确定该区域电网在当前边界条件下的新能源最大消纳量。
[0021] 在上述方法中，所述更新储能配置规模优化区间包括以下步骤：
[0022] 判断当前新能源受阻地区是否是第一次更新储能配置规模优化区间，若当前新能源受阻地区是第一次更新储能配置规模优化区间，则储能配置规模优化区间的左端点更新为0，右端点更新为当前新能源受阻地区内储能的初始配置规模；
[0023] 若当前新能源受阻地区不是第一次更新储能配置规模优化区间，则判断当前储能配置规模下系统新能源利用率是否能满足要求来更新储能配置规模优化区间，若当前储能配置规模下系统新能源利用率能满足要求，则将当前的储能配置规模更新为储能配置规模优化区间的右端点，反之用当前的储能配置规模更新为储能配置规模优化区间的左端点。
[0024] 在上述方法中，所述储能配置规模优化区间包括：
[0025] 储能逆变器功率优化区间与电池容量优化区间。
[0026] 在上述方法中，所述判断是否需要更新系统储能配置规模包括以下步骤：
[0027] 根据更新储能配置规模优化区间，确定当前储能逆变器功率优化区间的长度，如果该长度不小于预设值，则需要更新系统储能配置规模。
[0028] 在上述方法中，所述更新系统储能配置规模为采用二分法或试凑法。
[0029] 本发明根据系统负荷和风光的时序曲线、常规电源的出力特性等，确定储能容量配置的边界条件，综合考虑电网调峰、系统备用容量充裕性和新能源利用率等因素，在大区域环境和大时间尺度下，确定系统中储能配置的合理容量，实现了储能在适应大规模新能源并网消纳条件下容量合理配置方面的定量研究，指导电网中储能容量的合理配置，也为国家制定储能相关规划和发展政策提供有效支撑。
附图说明
[0031] 图2为本发明提供的区域电网全年8760小时负荷序列图；
[0032] 图3为本发明提供的电网中风电出力全年8760小时归一化序列图；
[0033] 图4为本发明提供的电网中光伏出力168小时归一化序列图。
具体实施方式
[0034] 本发明提供了一种适应大规模新能源并网消纳的储能容量优化配置方法，在系统内新能源装机容量一定的前提下，综合考虑电网调峰、系统备用容量充裕性和新能源利用率等因素，根据系统负荷和风光的时序曲线、常规电源的出力特性等，确定储能容量配置的边界条件，并采用时序生产模拟方法，在大区域环境(主要体现在不同区域之间有断面约束的情况)和大时间尺度(全年时间尺度下的储能容量配置研究)下，确定系统中储能配置的合理容量，实现了储能在适应大规模新能源并网消纳条件下容量合理配置方面的定量研究，指导电网中储能容量的合理配置，也为国家制定储能相关规划和发展政策提供有效支撑。下面结合具体实施方式和
说明书附图对本发明做出详细的说明。
[0035] 如图1所示，本发明提供的一种适应大规模新能源并网消纳的储能容量优化配置方法，包括以下步骤：
[0036] S1、确定区域电网计算参数，参数具体如下：
[0037] 在给定大规模新能源并网容量的场景下，确定该区域电网内部的主要传输断面限额、断面限制而导致的新能源受阻地区，并生成新能源受阻地区集合Ni，i＝{1,2，……n}；
[0038] 全网正/负备用容量水平，区域电网的供暖时间，区域电网与外部电网之间联络线全年计划序列，区域电网全年负荷序列，新能源出力全年归一化序列，新能源全年逐月并网容量；
[0039] 火电机组类型、火电机组台数、火电机组单机容量、火电机组全年的最小开机方式、火电机组出力上下限、火电机组在1min内改变出力的最大速率、区域电网对新能源利用水平的要求及其他电源结构数据等。
[0040] S2、确定区域电网储能初始配置规模及相关参数，具体如下：
[0041] 确定每个新能源受阻地区的储能初始配置规模及相关参数，相关参数包括储能逆变器功率，储能电池容量，储能充电效率，储能放电效率，储能电池最小荷电状态，储能电池最大荷电状态，逆变器单位容量建造成本，电池单位容量建造成本等。每个地区的储能初始配置规模要足够大。
[0042] S3、建立优化调度模型，具体如下：
[0043] 本
实施例建立以年度为时间周期的优化调度模型，系统新能源消纳量最大为优化目标，建立混合整数规划模型；
[0044] 目标函数如下：
[0045]
[0046] 其中， 为区域n中的风电机组在第t时刻的发电功率， 为区域n中的光伏机组在第t时刻的发电功率，N为新能源受阻地区数目，T为优化时段数目。
[0047] 混合整数规划模型约束包括区域负荷平衡约束、旋转备用约束、区域电网内部传输断面容量约束、系统调度指令约束、火电机组运行台数约束、火电机组运行状态约束、火电机组发电功率约束、火电机组发电功率爬坡率约束、新能源出力约束、储能充放电状态约束、储能充放电功率约束和储能SOC状态约束等。
[0048] 本实施例中主要考虑储能出力影响后的系统旋转备用水平约束条件，如下所示：
[0049]
[0050] 其中，式(2)表示系统正备用需求约束，该约束表示在考虑系统风电和
光伏发电置信容量的前提下，所有开机机组的最大发电功率与其他电源出力之和要能够满足系统的最大正备用需求，储能此时通过放电来保证系统备用容量充裕性；
[0051] 式(3)表示系统负备用需求约束，该约束表示在系统只调度常规火电机组和储能设备的时候，可以满足系统的最大负备用需求，此时储能通过充电来满足系统的负备用水平要求。
[0052] 式中，Dt为系统在时段t上的负荷需求； 为系统在时段t上的正备用需求； 为区域n在时段t上向系统外部输送的功率；Skind为火电机组种类数目； 为机组种类编号j的火电机组的最大出力水平； 为机组种类编号j的火电机组在t时段在区域n中的运行台数； 为区域n中风电机组的可信容量； 为区域n中光伏机组的可信容量； 为区域n中的储能在第t时刻的放电功率； 为区域n中的储能在第t时刻的充电功率； 为机组种类编号j的火电机组的最小出力水平； 为系统在时段t上的负备用需求。
[0053] S4、确定当前新能源受阻地区电网新能源最大消纳量；具体为：
[0054] 根据步骤S1～S2电网计算数据和储能配置规模及相关参数，求解在步骤S3中建立的长期优化调度模型，该模型的最优目标值就是给定区域电网在当前边界条件下的新能源最大消纳量。
[0055] 本实施例中采用时序生产模拟方法求解当前边界条件下的长期优化调度模型，获得该区域电网在当前边界条件下的新能源最大消纳量。
[0056] S5、更新储能配置规模优化区间，包括以下步骤：
[0057] 判断当前新能源受阻地区是否是第一次更新储能配置规模优化区间，若当前新能源受阻地区是第一次更新储能配置规模优化区间，则储能配置规模优化区间的左端点更新为0，右端点更新为当前新能源受阻地区内储能的初始配置规模；
[0058] 若当前新能源受阻地区不是第一次更新储能配置规模优化区间，则判断当前储能配置规模下系统新能源利用率是否能满足要求来更新储能配置规模优化区间，若当前储能配置规模下系统新能源利用率能满足要求，则将当前的储能配置规模更新为储能配置规模优化区间的右端点，反之用当前的储能配置规模更新为储能配置规模优化区间的左端点。其中，
[0059] 判断当前新能源受阻地区是否是第一次更新储能配置规模优化区间，具体为如果储能配置容量为初始容量水平，则当前为第一次更新储能配置规模优化区间。
[0060] 具体说明如下：
[0061] 假定对于当前新能源受阻地区来说，储能配置规模包括储能逆变器功率与储能电池容量；
[0062] 储能逆变器功率的优化区间为 储能电池容量的优化区间为
[0063] 如果当前新能源受阻地区是第一次改变储能配置规模，则设置优化区间的左右端点：
[0064]
[0065]
[0066] 其中， 为当前新能源受阻地区的储能初始逆变器功率， 为当前新能源受阻地区的储能初始电池容量。
[0067] 如果当前新能源受阻地区不是第一次更新储能配置规模优化区间，则根据当前储能配置规模下系统新能源利用率是否能满足要求来更新优化区间。
[0068] 区域电网的新能源理论发电量为：
[0069]
[0070] 其中， 为区域n中风
电场的装机容量； 为区域n中光伏电站的装机容量；为风电的理论归一化出力序列； 为光伏的理论归一化出力序列。
[0071] 根据步骤4的优化结果，可以计算得到系统新能源的实际发电量为[0072]
[0073] 根据式(4)和(5)，可以计算得到当前系统的新能源利用率为：
[0074]
[0075] 假定区域电网对新能源利用率的要求为η*，如果η＜η*，则说明当前储能配置规模下系统新能源利用率不能满足要求，则更新储能逆变器功率优化区间和电池容量优化区间的左端点：
[0076]
[0077] 其中， 为目前的储能逆变器功率水平， 为目前的储能电池容量水平。
[0078] 如果η≥η*，则说明当前储能配置规模下系统新能源利用率能满足要求，则更新储能逆变器功率优化区间和电池容量优化区间的右端点：
[0079]
[0080] S6、判断是否需要更新系统储能配置规模；包括以下步骤：
[0081] 本实施例中，可通过单一确定储能逆变器功率优化区间长度或者单一确定电池容量优化区间长度来判断是否需要更新系统储能配置规模，因为储能的充放电时长是确定的，只要逆变器功率一定，则电池容量也是一定值。下面具体分析通过确定储能逆变器功率优化区间长度来判断是否需要更新系统储能配置规模；
[0082] 根据步骤S5的结果，可以计算得到当前储能逆变器功率优化区间的长度，如果该长度不小于某预设值，则需要更新系统储能配置规模，则执行下一个步骤，即转步骤S7；如果该长度小于某预设值，则转步骤S8。
[0083] 假设预设值为非常小的常数ε，根据步骤S5，可以计算得到当前储能逆变器功率优化区间的长度为：
[0084]
[0085] 即如果δ≥ε，则转S7，则更新系统储能配置规模并转至步骤S4；
[0086] 如果δ＜ε，则转S8；
[0087] S7、更新系统储能配置规模，并转至步骤S4；
[0088] 更新系统储能配置规模具体为：
[0089] 结合储能配置规模的优化区间，采用二分法或试凑法更新当前新能源受阻地区内储能配置规模，即逆变器功率和电池容量，同时其他新能源受阻地区的储能配置规模保持不变，基于二分法更新效率很高，下面通过二分法计算如下：
[0090]
[0091] 其中， 为更新后的储能逆变器功率水平， 为更新后的储能电池容量水平。
[0092] S8、判断新能源受阻地区集合是否遍历，如果新能源受阻地区集合中所有元素均已遍历，则转步骤S9，若未遍历，则转步骤S4。
[0093] S9、确定并输出配置储能投资费用，将每个新能源受阻地区储能配置规模优化区间右端点值，作为每个新能源受阻地区储能合理最优的配置规模，结合储能逆变器和电池的单位容量建设成本，可以计算得到合理最优配置储能的投资费用，计算如下：
[0094]
[0095] 式中，Cost为优化得到的合理最优配置储能的投资费用，Cbattery为储能电池单位容量建设成本，Cinverter为储能逆变器单位容量建设成本， 为优化得到的合理的储能电池容量， 为优化得到的合理的储能逆变器功率。
[0096] 下面通过具体案例来说明本实施例。
[0097] (1)根据需求收集计算所需的区域电网基本参数，包括该新能源受阻地区电网内部的主要传输断面限额，全网正/负备用容量水平，区域电网的供暖时间，区域电网与外部电网之间联络线全年8760小时计划序列，区域电网全年8760小时负荷序列，如图2所示；新能源出力全年8760小时归一化序列，如图3-4所示，包括电网中风电及光伏出力全年8760小时归一化序列图；新能源全年逐月并网容量、火电机组类型、火电机组台数、火电机组单机容量、火电机组全年的最小开机方式、火电机组出力上下限、火电机组在1min内改变出力的最大速率、区域电网对新能源利用水平的要求及其他电源结构数据等，如下表。
[0098] 表1、区域电网内部新能源受阻地区之间的传输断面限额
[0099]线路编号 输电断面 传输功率上限(MW)
L1 地区1-地区2(地区2-地区1) 1800
L2 地区2-地区3(地区3-地区2) 1500
[0100] 表2区域电网内的火电机组参数
[0101]
[0102]
[0103] 2)给定区域电网储能初始配置规模及相关参数；
[0104] 给定每个地区的储能初始配置规模及相关参数，包括储能逆变器功率、储能电池容量、储能充电效率、储能放电效率、储能电池最小荷电状态、储能电池最大荷电状态、逆变器单位容量建造成本、电池单位容量建造成本等；储能电池的满充满放时间为4个小时，如下表3-5所示。
[0105] 表3、区域电网中各地区储能电池参数
[0106]储能电池地区 地区1 地区2 地区3
充电效率 0.92 0.92 0.92
放电效率 0.92 0.92 0.92
最小荷电状态 0 0 0
最大荷电状态 1 1 1
[0107] 表4储能电池建造成本参数
[0108]逆变器单位容量建造成本(万元/MW) 85
电池单位容量建造成本(万元/MWh) 218
[0109] 表5各个新能源受阻地区储能初始容量配置
[0110]储能电池地区 地区1 地区2 地区3
逆变器功率(MW) 4000 4000 4000
电池容量(MWh) 16000 16000 16000
[0111] 3)建立以年度为时间周期的优化调度模型，以系统新能源消纳量最大为优化目标，建立混合整数规划模型，模型约束包括区域负荷平衡约束、旋转备用约束、区域电网内部传输断面容量约束、系统调度指令约束、火电机组运行台数约束、火电机组运行状态约束、火电机组发电功率约束、火电机组发电功率爬坡率约束、新能源出力约束、储能充放电状态约束、储能充放电功率约束和储能SOC状态约束等。
[0112] 结合储能逆变器和电池的单位容量建设成本，可以计算得到合理最优配置储能的投资费用。本案例中，系统新能源利用率需求为90％以上，三个地区内的储能配置规模如下表所示。
[0113] 表6三个地区内的储能配置规模
[0114]储能电池地区 地区1 地区2 地区3
逆变器功率(MW) 2400 2500 2400
电池容量(MWh) 9600 10000 9600
[0115] 此时该区域电网的储能投资费用为6,986,100万元。
[0116] 本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
