虚拟电厂内多台小规模火电机组与储能聚合分析及出力优化.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 3 0 1 1 5作者简介:吕鸣阳(1 9 9 9-),男,硕士研究生,主要研究方向为虚拟电厂调峰调频。基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 2 7 6 0 0 6)。虚拟电厂内多台小规模火电机组与储能聚合分析及出力优化吕鸣阳1,陈 衡1,马 瑞2,苟凯杰1,雷 兢1(1.华北电力大学,北京 1 0 2 2 0 6;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 0 5 0 0 2 1)摘要:虚拟电厂是一种将先进的通信技术和软件系统相结合,将分布式的发电机组、储能设备系统和用户负荷等分布式设备聚合优化统一调配,参与电力市场运行的新一代控制技术,被认为是统筹协
2、调区域能源供给、实现双碳政策的重要路径。针对当下小型火电机组并网比较困难等问题,基于虚拟电厂能够聚合优化的特性,提出一种考虑供给与负荷转移的虚拟电厂调度策略,以发电系统整体利润最优为目标,从供给侧增强虚拟电厂的调度弹性。在供给侧充分利用火电机组灵活调峰的优势,并通过储能系统实现负荷转移,发挥储能优势。仿真结果表明:储能设备参与虚拟电厂调度,显著提高了虚拟电厂运行的经济性,增强了能源的消纳水平,实现“削峰填谷”的效果。同时,该系统对于外电网的依赖程度大大降低,提高了运行的稳定性与自主性。关键词:虚拟电厂;小型火电聚合;储能设备;能源消纳中图分类号:TM 7 2 1 文献标志码:A 文章编号:1
3、0 0 1 9 8 9 8(2 0 2 3)0 3 0 0 2 0 0 6AA nn aa ll yy ss ii ss aa nn ddOO uu tt pp uu ttOO pp tt ii mm ii zz aa tt ii oo nnoo ffMM uu ll tt ii pp ll eeSS mm aa ll ll-ss cc aa ll eeTT hh ee rr mm aa llPP oo ww ee rrUU nn ii tt ssaa nn ddEE nn ee rr gg yySS tt oo rr aa gg ee ii nnVV ii rr tt uu aa llPP
4、oo ww ee rrPP ll aa nn ttL V M i n g y a n g1,CHE N H e n g1,MAR u i2,GOU K a i j i e1,L E I J i n g1(1.N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,B e i j i n g1 0 2 2 0 6,C h i n a;2.S t a t eG r i dH e b e iE l e c t r i cP o w e rR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h i j i a z h
5、 u a n g0 5 0 0 2 1,C h i n a)AA bb ss tt rr aa cc tt:V i r t u a l p o w e rp l a n t s(V P P s)i s an e wg e n e r a t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yp a r t i c i p a t i n g i nm a r k e t o p e r a t i o n.I t c o m b i n e s a d-v a n c e dc o mm u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i
6、t hs o f t w a r es y s t e m s t oa g g r e g a t e,o p t i m i z e,a n dc e n t r a l l yd i s p a t c hd i s t r i b u t e dd e v i c e ss u c ha sd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r s,e n e r g ys t o r a g es y s t e m s,a n du s e r l o a d s.A n di t i sc o n s i d e r e da sa ni m p o r t
7、 a n tp a t h w a yt oo v e r a l lp l a na n dc o o r d i n a t ee n e r g ys u p p l y i nr e g i o n a l a r e a s a sw e l l a s t oa c h i e v eD o u b l eC a r b o nP o l i c y.T oa d d r e s s c u r r e n t c h a l l e n g e s,s u c ha st h ed i f f i c u l t yo fg r i dc o n n e c t i o no f
8、s m a l l-s c a l et h e r m a lp o w e ru n i t s,aV P Ps c h e d u l i n gs t r a t e g yc o n s i d e r i n gs u p p l ya n dl o a dt r a n s f e r i sp r o p o s e db a s e do n t h e a g g r e g a t i n ga n do p t i m i z i n gc h a r a c t e r i s t i c so fV P P s.T h eo b j e c t i v e f u
9、n c t i o no f t h e s t r a t e g ya i m st om a x i m i z e t h eo v e r a l lp r o f i to f t h ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m,a n de n h a n c e t h es c h e d u l i n gf l e x i b i l i t yo f t h eV P Pf r o mt h es u p-p l ys i d e.T h i sa p p r o a c hl e v e r a g e s t h ea d v
10、a n t a g eo f f l e x i b l ep e a ks h a v i n go f t h e r m a lp o w e ru n i t so nt h es u p p l ys i d ea n dr e a l i z e sl o a dt r a n s f e r t h r o u g ht h ee n e r g ys t o r a g es y s t e m,t h e r e b ym a x i m i z i n gt h ea d v a n t a g e so fe n e r g ys t o r a g e.T h es i
11、 m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t e n e r g y s t o r a g ed e v i c e s i nV P Ps c h e d u l i n gs i g n i f i c a n t l y i m p r o v e s t h e e c o n o m i co p e r a t i o no fV P P s,e n h a n c e s t h ei n t e g r a t i o nl e v e l o f r e n e w a b l ee n e r g y,
12、a n da c h i e v e s t h ee f f e c t o f p e a ks h a v i n ga n dv a l l e y f i l l i n g.M o r e o v e r,t h i ss y s t e mr e d u c e st h er e l i a n c eo nt h ee x t e r n a lp o w e rg r i d,a n de n h a n c e s t h eo p e r a t i o n a l s t a b i l i t ya sw e l l a sa u t o n o m y.KK ee
13、 yyww oo rr dd ss:v i r t u a lp o w e rp l a n t;s m a l l t h e r m a lp o w e rp o l y m e r i z a t i o n;e n e r g ys t o r a g ed e v i c e s;e n e r g yc o n s u m p t i o n0 引言随着电力工业的发展,电力行业市场化改革后,小型火电机组仍面临生存困境。如何最大化利用资源优势成为小型火电机组关注的关键问题。虚拟电厂可为火电机组提供一种有效的智能02V o l.4 2N o.3 河北电力技术 第4 2卷 第3期J
14、u n.2 0 2 3 HE B E IE L E C T R I CP OWE R 2 0 2 3年6月电网运行框架,且理论上能有效解决并网消纳的问题,但虚拟电厂内部功率单元的功率协调管理以及其作为一个整体参与电力系统调度仍然存在一些难以解决的问题。虚拟电厂(V P P)1由多个实体组成,其中包括能源消费者、分布式能源资源、能源存储系统等。国内外学者对虚拟电厂都进行了深入的研究。龙勇等2发现在预测电网负荷时会受到用电高峰日等因素的影响导致预测结果准确性大大降低,提出了结合季节调整方法和B P神经网络两种方法的数据模型。范宏等3提出了多种能源协调运行的调度模型,考虑了系统网损和多区域虚拟电厂的
15、运行,该模型对于实现多个虚拟电厂之间的协调运行具有指导意义。陶莉4等建议采用电网的峰谷差来核算电力价格,这将在电力市场中产生积极效果。虚拟电厂能够积极参与市场交易,并发挥积极作用,但综合能源与虚拟电厂之间难形成有效的信息交流。为解决这一问题,需要采用有效的信息交流机制,以促进虚拟电厂与分布式能源之间的有效合作,降低交易成本,推动电力市场的健康发展。何奇琳等5研究了在虚拟电厂中引入区块链技术,并且详细的分析了虚拟电厂技术与区块链技术之间的共通性与技术融合的可能性。李楠等6提出基于S P N组网技术构建虚拟电厂的多业务融合承载平台,实现了虚拟电厂业务所需的信息贯通,电力分区业务承载性能指标满足业务
16、和规约要求。文献7 提出了综合调度风电机组和燃气热电联产机组的虚拟电厂模型,增加了新能源的消纳比例,降低了发电成本。在V P P综合能源调度方面,文献8 提出了一种聚合热电联供机组和储热进入虚拟电厂的方案,以满足地区的供热需求,并使其参与能源市场。文献9 建立了一个在能源市场下包含新能源、锅炉、储能、负荷的V P P优化调度模型。文献1 0在文献9 的基础上考虑了虚拟电厂中热电联供机组和可中断负荷参与可持续资源市场(S RM),并采 用M I L P(M i x e d-I n t e g e rL i n e a rP r o g r a m-m i n g)模型来描述V P P的热电联合调
17、度优化。此外,贾清泉等人1 1针对电采暖型虚拟电厂,建立了房屋热需求模型,并提出了风电与蓄热电采暖的联合运行模式,以有效降低虚拟电厂的运行成本,并提高风电的消纳水平。然而,目前的研究主要关注单区域虚拟电厂,而对于多区域V P P的协调调度和不同区域之间能量流动问题的研究相对较少。本文基于虚拟电厂能够聚合优化的特性,提出了一种考虑供给与负荷转移的虚拟电厂调度策略,以发电系统整体利润最优为目标函数,从供给侧增强虚拟电厂的调度弹性。此系统以满足某地区电力负荷为目标,安排4台小型火电机组进行供电,考虑火电机组的总体调节能力与调节速度有限,为每个火电机组增加一套储能系统组成虚拟电厂系统,并通过算例进行分
18、析验证。1 小型火电机组-储能V P P系统介绍以某一地区的用户负荷作为发电量目标,考虑到负荷需求比较大,聚合4台小型火电机组进行发电承担当地的负荷,由于火电机组的总体调节能力与调节速率有限,每个火电机组配置1套储能系统,增加该系统的调节能力,同时也可以增强火电机组调峰调频能力和电网供电的可靠性。虚拟电厂结构如图1所示,本文重点研究搭建商业型虚拟电厂,并假设其联盟由火力发电机组和储能设备组成,每个成员均保持个体理性。虚拟电厂对配电网的影响不在本文的考虑范围内系统主要由4台火电机组和4套储能系统组成,电网收到用户负荷的需求,经过数据处理后发送给火电机组和储能系统进行调度,受火电机组功率爬坡速率和
19、溜坡速率的影响,不能完全契合用户负荷的巨大波动。储能系统在用户负荷升高时输出电能,在用户负荷下降时储存电能,达到削峰填谷的目的。图1 虚拟电厂结构示意2 虚拟电厂模型计算2.1 火电机组火力发电的收益主要来自售电收入,而发电的成本包括燃料费用、运维费用等,使用二次函数来表达时段内火电机组k发电总成本12V o l.4 2N o.3 河北电力技术 第4 2卷 第3期J u n.2 0 2 3 HE B E IE L E C T R I CP OWE R 2 0 2 3年6月ck,t=ak(qk,t)2+bkqk,t+gk(1)式中:ck,t为t时段内第k组火电机组的发电成本;ak,bk,gk分别
20、为第k组火力发电机组的发电成本二次函数对应系数,通过分析机组历史运行数据并机器学习得到;qk,t为第k组火电机组t时段内发电量。t时段火电机组k的利润函数表示为Ek,t=ptqk,t-ck,t(2)式中:Ek,t为t时段内第k组火电机组参与调度的利润;pt为t时段内火电上网电价。2.2 储能设备本文储能设备选择为蓄电池lb。锂电池储能技术作为主要蓄电池技术广泛应用于各领域,具备高度成熟度。充放电特性是描述储能系统的关键指标,包括容量、功率、充电效率、放电效率、自放电率和荷电状态等,分为充电和放电两种状态。荷电状态指储能系统当前存储能量的百分比。通过监测一段时间内的充电和放电功率,并结合系统的容
21、量和荷电状态,可以对储能系统的能量存储情况进行评估和分析。使用公式(3)进行评估。qet=qet-1+(qe,c htc h-qe,d i st/d i s)(3)式中:qet和qet-1分别为蓄电池lb在t时段和t-1时段的电量状态;qe,c ht和qe,d i st分别为蓄电池lb在t时段的电量储存和释放功率;c h和d i s分别为蓄电池lb的充、放电效率。在虚拟电厂中,储能设备可以通过存储和释放能量的方式,为系统提供灵活的调节能力,以满足电力需求的变化和应对电网的波动,被视为虚拟电厂的一部分,从中获得相应的收益。因此蓄电池储能系统的收益表示为Eet=etqe,d i st-cet(4)
22、式中:Eet为t时段内储能系统参与调度的利润;et为蓄电池储能系统lb在t时段释出电量参与调度时的调度补偿系数;cet为蓄电池储能系统lb在t时段 的 成 本 支 出,主 要 包 括 运 维 成 本、折 旧 成本等。储能设备的规模应该合理匹配虚拟电厂的需求和运营模式。如果储能设备的容量过大,超过了虚拟电厂所需的能量储存量,那么储能设备的折旧成本可能会变得过高,而无法通过参与虚拟电厂的调度获得足够的收益来覆盖这些成本。如果储能设备的规模过小,无法满足虚拟电厂的能量需求,那么虚拟电厂可能无法充分利用储能设备的调度能力,无法最大程度地降低能源成本或提高系统的效益。在规划和建设储能设备时,需要进行合理
23、的规模选择,以确保储能设备的规模与虚拟电厂的需求相匹配,从而最大化经济效益,在本文中假设储能设备的规模在合理的范围内。3 虚拟电厂调度模型3.1 模型目标函数虚拟电厂能够聚合不同区域、不同类型的分布式能源,通过协同合作,各成员可以共享资源、优化能源调度和交易策略,从而实现更高效的能源利用和市场行为。合作博弈的机制鼓励成员之间分享信息、协调行动,并共同追求整体效益的最大化。这种协作可以通过优化发电机组的运行方式、调整能源供需平衡和灵活响应市场需求来实现。这种情况下虚拟电厂的收益包括火力发电机组收益、储能设备调峰收益和向大电网售卖多余电量收入,成本包含向外购电成本,公式表示为f=Tt=1kKEk,
24、t+Eet+po u ttqo u tt-pi ntqi nt()(5)式中:f为在一个周期内的总利润;K为参与调度的火力发电机组数;po u tt和pi nt分别为t时段内网售电和购电的统一价格;qo u tt和qi nt分别为t时段内电网输出和外购的电量。3.2 约束条件3.2.1 功率平衡约束集合分布式能源由虚拟电厂统一调控,在任意时段需要保证用电和发电之间的功率平衡,约束公式为kKqk,t+qe,d i st-qe,c ht+qi nt-qo u tt=qdt-qd,u n m e n tt,t 0,T(6)式中:qdt为在t时段内虚拟电厂所辐射范围内的电力负荷需求量;qd,u n m
25、 e n tt为t时段内未能被满足的负荷量;T为一个调度周期内的总时段数。3.2.2 机组出力约束对于火电机组,存在输出功率约束,约束公式为qm i nk,tqk,tqm a xk,t(7)式中:qm i nk,t和qm a xk,t分别为t时段火电机组的最小稳22V o l.4 2N o.3 河北电力技术 第4 2卷 第3期J u n.2 0 2 3 HE B E IE L E C T R I CP OWE R 2 0 2 3年6月定运行功率和机组额定功率。3.2.3 火力发电机组爬坡约束火电机组功率调控速率有一定的限制-rd o w nkqk,t-qk,t-1ru pk,kK(8)式中:r
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