考虑辅助服务收益的储能与火...机组灵活性改造协调规划方法_杨修宇.pdf
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1、第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 Vol.47 No.4 2023 年 4 月 Power System Technology Apr.2023 文章编号:1000-3673(2023)04-1350-10 中图分类号:TM 721 文献标志码:A 学科代码:47040 考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法杨修宇1,刘雪媛1,郭琪1,孙勇2,严干贵1,李海燕2(1 现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室(东北电力大学),吉林省 吉林市 132012;2国网吉林省电力有限公司,吉林省 长春市 130022)Coordinated Planning of E
2、nergy Storage and Flexible Retrofit of Thermal Power Units Considering Ancillary Service Income YANG Xiuyu1,LIU Xueyuan1,GUO Qi1,SUN Yong2,YAN Gangui1,LI Haiyan2(1.Key Laboratory of Modern Power System Simulation and Control&Renewable Energy Technology(Northeast Electric Power University),Jilin 1320
3、12,Jilin Province,China;2.State Grid Jilin Electric Power Supply Company,Changchun 130022,Jilin Province,China)1ABSTRACT:The rapid development of renewable energy has put forward higher requirements for the power system flexibility.The income of the ancillary services is conducive to the flexible re
4、source allocation and improving their enthusiasm to the peak shaving.Based on the analyses of stepped compensation for the deep peak shaving of the thermal power units and the peak valley arbitrage of the time-of-use electricity price for the energy storage,this paper puts forward a method of coordi
5、nated planning for energy storage considering the auxiliary service income and the flexible transformation of the thermal power units.Firstly,the mechanism of flexible resource peak shaving is analyzed.Secondly,the system benefit index and cost index of the flexible resource peak shaving are constru
6、cted.Then,a multi-objective source-storage planning model considering the comprehensive benefits and the wind curtailment rate is established,and the solution idea and the procedure are given.Finally,through the simulation of an actual engineering system in northeast China,a source-storage planning
7、scheme considering both the system economy and the wind power acceptance capacity is obtained.At the same time,the influence of the dynamic time-of-use electricity price mechanism on the utilization of energy storage and flexibility transformation of the thermal power units is discussed to improve t
8、he peak shaving capacity of the system.基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFB0902200);国网吉林省电力有限公司科技项目(SGJLJY00GPJS2100061);东北电力大学博士科研启动资金(BSJXM-2021206)。Project Supported by National Key Research&Development Program of China(2017YFB0902200);Science and Technology Project of State Grid Jilin Electric Power Co.,Ltd.
9、(SGJLJY00GPJS2100061)and Northeastern Electric Power University Doctoral Research Start-up Fund(BSJXM-2021206).KEY WORDS:energy storage;thermal power unit transformation;peak shaving compensation;wind power consumption;dynamic electricity price 摘要:可再生能源飞速发展对电力系统灵活性提出了较高要求。辅助服务收益有利于灵活性资源配置以及提高其参与调峰积极
10、性。从火电机组深度调峰阶梯式补偿与储能峰谷套利两方面分析入手,提出了考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法。首先,分析了灵活性资源调峰机理,其次构建了灵活性资源调峰的系统收益指标和成本指标;然后,建立兼顾系统综合收益和弃风率的多目标源储规划模型,并给出了模型的求解思路和求解步骤,最后,通过中国东北某风电基地外送输电工程系统的仿真,得到了兼顾系统经济性和风电接纳能力的源储规划方案;同时在此基础上探究了动态分时电价机制对利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力的影响。关键词:储能;火电机组改造;调峰补偿;风电消纳;动态电价 DOI:10.13335/j.1000-3673.ps
11、t.2022.1306 0 引言 大力发展新能源是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要举措。以风电为例,截至 2021 年底,我国 2021 年风电新增装机 4757 万 kW,累计装机容量已达到 3.28 亿 kW。然而,由于风力发电具有不确定性和反调峰特性,规模化风电并网加大了净负荷的峰谷差,给电网的安全稳定运行带来了挑战1-2。在我国电源结构中,火电装机占主导地位,通过火电机组改造以提高灵活性的方式来实现可再生能源的消纳仍是电网当前的主要选择3。然而,随着可再生能源并网比例逐渐升高,火电机组出力第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1351 空间逐渐被挤占,致使火电发电商利益受损,参
12、与调峰积极性低,出台火电机组调峰辅助服务机制有利于提供其参与深度调峰的积极性。此外,储能作为一种优质灵活性资源,具有响应速度较快、安装位置灵活的特点,但其存在成本高、收益核算机制不健全的问题4。因此,在高比例风电并网的条件下,充分考虑火电机组调峰深度阶梯式补偿与储能利用分时电价峰谷套利对储能配置与火电机组灵活性改造协调规划的影响,对推动“双碳”目标实现具有重要意义。目前,火电机组深度改造来缓解电力系统调峰压力的相关研究已取得一定的成果。文献5针对火电机组总量富余而灵活性不足的问题,在保证经济性和环保性的基础上,建立了考虑火电机组灵活性改造的混合整数非线性规划模型。文献6提出了一种基于区间优化的
13、火电机组改造模型,改善了发电成本波动性和潮流不确定性。由于火电机组的灵活性有效响应范围与输电网有关,文献7提出了一种将火电机组的灵活性改造作为输电网规划的决策变量,统筹优化火电机组灵活性和输电网架传输能力的研究思路。然而,上述研究工作主要集中于火电机组深度改造提升系统灵活性的经济性研究,而新能源的渗透率逐渐升高,火电机组的调峰能力已经接近极限。因此,单纯的依靠火电机组进行灵活性改造在高渗透率电网中很难缓解系统的调峰压力。配置储能来提高系统对风电的接纳能力已有部分学者进行了相关的研究。文献8论证了在高比例可再生能源系统中,配置储能是提升新能源消纳的关键措施,文献9通过配置储能来缓解局部区域新能源
14、外送受阻导致弃电现象,文献10针对受端电网灵活性不足导致风电消纳不足的问题,提出了一种基于瓶颈识别的新型受端电网系统储能需求评估方法。然而,由于储能价格昂贵,随着可再生能源渗透率的逐渐升高,大规模配置储能会严重影响系统的经济运行。利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力作为缓解电力系统调峰压力的有效措施,其相关研究已取得一定成果。由于含风-火-储系统电源结构的复杂性,文献11-12在储能辅助火电机组调峰模型中引入调峰主动性约束,提高了多源系统的整体调峰利益与调峰交易的积极性;由于利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力的模型中,涉及约束条件较多,文献13-14在降低系统负荷峰谷差和提高
15、风电消纳的基础上,建立了一种储能辅助火电机组深度调峰的分层优化模型。文献15-16考虑了各类型储能资源的调节特性,对多类型储能装置参与辅助调峰的经济性进行了分析。然而,在含风-火-储的多源联合系统中,电源结构的复杂导致了模型求解难度高、计算量较大的问题。电价响应能够主动引导用户优化负荷曲线,直接关乎储能峰谷套利收益,是辅助电网调峰的一种有效手段。文献17统筹了电价响应、储能和电力市场架构的调峰效果,建立了考虑储能辅助火电机组调峰容量的二次分配的分层优化模型。文献18将需求侧响应引入储能辅助火电机组调峰服务中,提高了火储深度调峰的积极性。文献19考虑了尖峰电价对系统风电消纳能力的影响。然而,由于
16、我国电源结构和电能消费方式的变化,原有的分时电价机制已难以适应新形势,建立动态的电价调整机制和科学的划分峰谷时段是必要的。综上所述,虽然火电机组深度改造和储能优化配置都能够缓解调峰压力,但在可再生能源渗透率较高时,仅依赖火电机组改造或储能优化配置难以平衡系统经济性与调峰性能之间的关系。为此,本文提出了一种考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法。该方法利用储能与火电机组灵活性改造提升系统调峰能力,综合考虑了系统运行的收益指标和系统成本指标,建立兼顾综合收益和弃风率的多目标源储规划模型,得到了兼顾系统经济性和风电接纳能力的源储规划方案;此外,探究了动态分时电价机制对储能与火电机组灵
17、活性改造联合规划的影响。1 灵活性资源调峰机理分析 1.1 储能系统削峰填谷原理分析 储能作为一种具有较快响应速度的灵活性资源,能够在负荷低谷时期进行充电,在负荷高峰时期通过放电来满足系统的电量平衡,减小系统净负荷的峰谷差,提高了系统对风电的接纳能力,平滑了风电并网的波动性,其示意图如图 1 所示。净负荷曲线5101520时间/h300400500600净负荷/MW240未加储能时峰谷差加入储能时峰谷差储能充电区域储能放电区域 图 1 储能系统调峰示意图 Fig.1 Peak shaving diagram of energy storage system 1352 杨修宇等:考虑辅助服务收益
18、的储能与火电机组灵活性改造协调规划方法 Vol.47 No.4 1.2 火电机组深度改造调峰机理分析 火电机组深度改造主要是指一种在调度日火电调峰机组追踪等效负荷变化的手段17,依据调峰辅助服务补偿模式,火电机组的调峰过程包含 2 个阶段,其调峰示意图如图 2 所示,Pmax-Pa为基本调峰过程,Pa-Pc为深度调峰过程,其中 Pa-Pb为不投油深度调峰过程,Pb-Pc为投油深度调峰过程。净负荷曲线0100200288t/5min10002000300040005000PmaxPbPcPa机组深度调峰不投油最低稳燃出力机组深度调峰投油稳燃极限出力机组常规调峰最小技术出力机组最大出力弃风区域功率
19、/MW 图 2 火电机组深度改造调峰示意图 Fig.2 Schematic diagram of peak load regulation for deep transformation of thermal power unit 2 灵活性资源调峰过程经济分析 2.1 灵活性资源调峰收益指标分析 系统的收益指标主要包含储能的辅助服务收益、火电机组上网电量收益和火电机组运行补偿收益,其计算公式为 proe,profit,proGGFFFF(1)式中:Fe,pro为储能的辅助辅助收益;FG fit,pro为火电机组上网电量收益;FG为火电机组运行补偿收益。2.1.1 储能的辅助服务收益 储能的辅
20、助服务主要是指储能参与系统的调峰辅助服务,储能系统利用电力价格峰谷差,在电价较低时给储能设备充电,在电价较高时储能设备放电,从而降低用户用电的成本,并获取相应收益,其计算公式为 12e,proeD,e,pr,e,C,e,pr,e,00ddttttttFPCtPCt(2)式中:e为储能系统放电效率;PD,e,t为储能系统 t时刻放电功率;PC,e,t为储能系统 t 时刻充电功率;Cpr,e,t为电网 t 时刻的实时峰谷电价;t1和 t2为储能放电时间段与充电时间段。目前各省为了保障电力系统的安全稳定运行,降低峰谷差,相应地制定了分时电价机制,图 3 为东北某省的峰谷电价曲线。2.1.2 火电机组
21、上网电量收益 G,fitGfit,pro1niiFWC(3)246810121416182022240.40.60.81.01.21.4电价/(元/(kW.h)时间/h 图 3 东北某省的峰谷电价曲线 Fig.3 Peak valley electricity price curve of a province in Northeast China 式中:WG,i,为第 i 台火电机组的上网电量;Cfit为火电上网电价。2.1.3 火电机组运行补偿收益 为鼓励火电机组进行深度调峰,完善电力辅助服务补偿(市场)机制,国家和各地方出台相应的深度调峰补偿政策,如国家能源局东北监管局 2020年颁布了
22、东北电力辅助服务市场运营规则,当火电机组在深度调峰Pa-Pc阶段时给予一定的补偿,其计算公式为 3Gpr,GPa,G,01()dntiiiFCPPtt(4)式中:PG,i(t)为第 i 台火电机组在 t 时刻功率;Pa,i为第 i 台火电机组常规调峰阶段的最小出力值;Cpr,GP为火电机组深度调峰补偿单价;t3为火电机组深度调峰时间段。目前我国针对火电机组深度调峰补偿采用阶梯式补偿方法,其示意图见附录 A 中图 A1 所示,其表达式为 G,pr,GPG,G,050%()100%=10040%()50%40020%()40%iiiPtCPtPt,(5)2.2 灵活性资源调峰成本指标分析 系统成本
23、指标主要包含储能设备的投资成本、火电机组深度改造成本、火电机组运行燃料成本、投油成本和附加环境成本,其计算公式为 GGinve.invGZ,invinvo.invenv.inv+FFFFFF(6)2.2.1 储能设备投资成本 储能设备的投资成本主要由功率成本及容量成本构成,其计算公式为 e.inve.invPesse.invEess+FPKEK(7)式中:Pe.inv为配置的储能功率;Kpess为单位功率变流器购置成本;Ee.inv为配置的储能容量;KEess为储能系统单位容量购置成本。第 47 卷 第 4 期 电 网 技 术 1353 2.2.2 火电机组改造成本 火电机组在进行灵活性改造时
24、总投资成本计算公式为 GGZ,invGamin=()FKPP(8)式中:KG为火电机组深度改造的单位投资成本;Pmin为火电机组深度改造后机组的最低技术出力。2.2.3 火电机组运行燃料成本 火电机组在常规阶段运行时,主要通过燃烧煤炭来保证火电机组的正常稳定运行,火电机组的耗量特性函数一般表示为二次函数,其计算公式为 4G2invcoal,01=()dntii tii tiiFMa Pb Pct(9)式中:ai、bi、ci分别为机组耗量特性函数的二次项系数、一次项系数和常数项;Pi,t为机组 i 在 t 时段的输出功率;Mcoal为当季的单位煤炭价格;t4为火电机组运行时间。2.2.4 投油成
25、本 当火电机组调峰超过一定阶段时,为保持机组的正常稳定运行,需要采取投油措施来维持,投油成本计算公式为 o.invoiloilFP K(10)式中:Poil为耗油量;Koil为当季的油价格。2.2.5 附加环境成本 随着火电机组的深度改造,火电机组需要投油运行,运行排放的污染物如 SO2、NOx会随之增加,因此,会产生相应的附加环境成本,其计算公式为 env.invoilmm+FP KC(11)式中:Km为燃油产生的单位污染物排污费;Cm为污染物排放超过规定值时的额外罚款,超标程度越高,罚款越多。3 考虑辅助服务收益的储能与火电机组灵活性改造协调规划模型 3.1 目标函数 在规划过程中,应该保
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