基于多目标的风电场混合储能容量优化配置与经济评估

摘要

风电预测精度低和风功率波动率大等问题，会降低风电并网后电能质量，影响电网调度与发电计划，甚至还会威胁到电网安全。接入储能系统可以平抑风电出力波动和补偿风电预测误差，使风电输出功率最大程度满足目标功率，但其经济性问题仍是实践应用的巨大瓶颈。储能系统的容量、功率等配置又将直接影响补偿风电预测精度，平抑波动效果和经济性指标。因此，本文针对上述问题从风储联合系统经济运行角度出发，以满足风电出力波动率和预测误差率优于国网标准为约束，进行多目标的混合储能容量经济优化配置与评估。具体研究内容与特色如下：
　　（1）在风电功率输出特性模型和四种典型风速特征基础上，基于新疆实证数据和仿真结果，对比分析了单台风机与整个风电场输出功率特性，论证了风功率间歇性大（最长可达6.83小时）、随机波动性大（最大可达80％）、弃风量大（最大可达15%）、电能质量差（在波动率为22.4%时频率偏差最大可达0.25HZ），但整个风电场输出功率具有自平滑特性，波动量降低了12%。在混合储能特性分析基础上，从电网和风电自身两个角度，揭示了影响风电消纳和电能质量的机理及储能改善机理。
　　（2）在风功率波动模型和预测误差模型基础上，量化分析了不同时间尺度（1min、10min、1h）下的风电功率波动率（10min最大可达79.15%）和预测误差率（10min最大可达99.35%），并与国网规定限值（波动率33%，预测误差率25%）进行了对比分析，以优于国网风电出力波动限值和预测误差限值为综合约束值（波动率20%，预测误差率20%），制定了双目标交集综合目标控制范围域，为储能容量配置提供依据。采用滑动时间窗口算法并引入补偿修正系数制定出满足波动率与误差率约束的目标功率曲线（波动率20%，预测误差率20%），有利于与经济储能下的波动率和误差率补偿效果作对比分析。
　　（3）依据超出综合目标域范围的风电功率占比量原理，采用溢出综合目标域频重法概率统计了风功率占比量大小，依据储能响应特性，采用占比量大由蓄电池补偿，占比量小由超级电容器补偿，由此确定了混合储能各自运行时间和额定功率及容量配比。基于新疆某实际风电场配置了所需的总存储容量为风电场装机容量的35.39%，获得了超级电容器与蓄电池容量配比为1:6.66，仿真验证了所提方法的正确性。
　　（4）针对混合储能总存储容量偏大缺陷，从风储联合系统经济运行角度，将超出目标域风电量与储能最大允许充电量差值转化为价值量定义为弃风成本，将超出目标域风电量与储能最大允许放电量差值转化为价值量定义为储能惩罚成本，将储能额定功率与额定充放电时间转化为价值量定义为储能投资成本，将储能运行功率和实时充放电时间产生的运行维护费用定义为储能营运成本，揭示了弃风成本和储能惩罚成本与储能容量的反比关系、储能投资成本和储能营运成本与储能容量的正比关系，通过四种成本与储能容量之间的相互制约关系，构建了总成本最小的储能容量经济优化计算模型。采用改进粒子群算法，针对新疆某风电场进行了储能容量经济优化配置，所需的总存储容量为风电场装机容量的15.3%。对两种模式（经济储能、完全储能）下的储能容量进行了经济评估。构建了平抑风电波动和补偿预测误差效果量化评估模型，引入补偿效果量化因子?对新疆某风电场不同储能容量下平抑风电出力波动和补偿预测误差效果进行了量化评估，使?由频重储能的0.076升高到0.116，降低了补偿效果，由此采用储能容量、补偿效果量化因子和总成本的三维空间关系，寻找到兼顾三者的最佳储能容量仍然为经济优化后的储能容量。
　　本文依托科技部“国家国际科技合作专项（International Science&Technology Cooperation Program of China）”项目《高效和可靠风力发电系统关键技术的合作研究》和“国家自然科学基金”项目《利用储能技术提高风电短期功率预报精度研究》的资助，项目编号分别为：2013DFG61520、51267020。

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第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.3 本文主要工作及特色

第二章 风储联合并网消纳风电及提高电能质量机理研究

2.1 引言

2.2 风电输出特性分析

2.3 风电弃风及影响电能质量分析

2.4 混合储能系统特性分析

2.5 风储联合并网消纳风电及提高电能质量机理分析

2.6 小结

第三章 基于风电出力波动和预测误差约束的双目标交集综合目标带宽制定及目标曲线转换

3.1 引言

3.2 风功率波动特性量化分析

3.3 风功率预测误差特性量化分析

3.4 基于风电出力波动和预测误差约束的双目标交集综合目标带宽制定

3.5 满足波动率和预测误差率约束的经济优化模型目标曲线转换

3.6 小结

第四章 基于溢出综合目标域频重法确定混合储能容量配比

4.1 引言

4.1 溢出综合目标域频重法原理

4.2 溢出综合目标域频重法计算步骤

4.3 基于新疆某风电电网的算例分析验证

4.4 小结

第5章 基于多目标的风储联合系统经济评估方法研究

5.1 引言

5.2 风储联合系统经济优化模型关键因素探讨

5.3 基于储能成本最低的经济优化目标函数构建

5.4 约束条件

5.5 基于粒子群算法的求解

5.6 平抑风电波动和补偿预测误差效果量化评估模型构建

5.7 基于新疆某含储能的风电电网算例分析

5.8 小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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