面向新型电力系统发展需要的储能配置优化研究

作     者：孙冬阳 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：李泓泽

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 08[工学] 

主      题：新型电力系统 混合储能 容量优化配置 储能选型 AHP-MARCOS 

摘      要：为实现“双碳目标,我国正加快构建以新能源为主体的新型电力系统。随着以风光为代表的新能源大规模接入电网,新能源固有的随机波动性和间歇性特征给电力系统的安全稳定运行带来了挑战。储能作为重要的灵活性资源,凭借其快速充放电的特性,能够有效弥补新能源发电随机波动的缺点,提高电力系统灵活性。然而,储能系统投资建设成本较高、投资回收期长,单从满足技术需求的角度一味追求储能容量,将大大降低储能系统建设的经济性。此外,新型电力系统对能量和功率的需求复杂多样,导致对储能的需求具有多元化,由两种及以上类型的储能构成的混合储能系统,能够极大地提高储能对电力系统的适用性。因此,本文以混合储能系统为研究对象,立足大规模新能源接入的背景,探讨在新型电力系统中,如何通过协同优化配置不同类型的储能以实现新能源消纳。具体研究内容如下:第一,构建了基于AHP-MARCOS方法的混合储能系统选型模型。在对储能特性进行分析的基础上,从技术性、经济性、环境影响与安全性三个维度构建了反映新型电力系统中储能特性的选型指标体系,以储能需解决的两个问题作为需求场景(平抑新能源出力波动、削峰填谷),运用AHP方法对各场景的指标进行赋权,并运用MARCOS方法开展储能系统的优选排序,最终得到由磷酸铁锂电池、抽水蓄能构成的混合储能系统最佳选型方案。第二,构建了混合储能系统两阶段协同优化配置模型。在一阶段,以CEEMDAN分解出的风电出力高频分量作为磷酸铁锂电池的目标平抑功率,基于此构建磷酸铁锂电池容量配置及运行优化模型,并输出风电并网功率作为二阶段模型的参数。在二阶段,构建了抽水蓄能容量优化配置的双层模型,上层决策抽水蓄能的额定功率和规划容量,下决策系统运行调度结果。一阶段模型调用CPLEX求解器进行求解,二阶段上层模型采用自适应粒子群算法求解,下层在对非线性表达式分段线性化后调用CPLEX求解器求解。第三,通过算例仿真验证了所提优化模型的有效性。根据仿真结果,基于CEEMDAN的电池容量优化配置方法,使风电5分钟内波动率从17.8%降低到10%以下,在波动率满足并网要求的同时,实现了电池容量配置最小。经抽水蓄能削峰填谷,系统负荷峰谷差由49%降至40%,风电消纳率为99.95%。同时,本文设置了仅建设单一储能的两个对比情景。结果表明,若只建设抽水蓄能,风电出力波动将有42个采样时刻超过风电装机容量的10%,最大波动率高达17.7%,同时也会影响二阶段运行的经济性,最终导致系统总成本增加21.57%;若只建设磷酸铁锂电池,风电消纳率由99.95%降至89.97%,且有失负荷现象发生,系统总成本增加16.43%。此外,敏感性分析结果表明,储能投资成本是影响风电消纳率和电力系统总成本的重要因素。本文所提出的混合储能协同优化配置方法,能够有效缓解大规模新能源并网所带来的系统出力波动、峰谷差增大、弃能严重等问题,促进了电力系统的安全、稳定、经济运行。本文的创新点如下:本文立足新能源并网的全过程,考虑新能源在不同环节、不同时间尺度上随机波动带来的问题,提出了一种新型电力系统中混合储能协同优化配置方法。该方法以大规模风电接入的电力系统为例,将风电并网过程分为两个阶段,针对各阶段中不同问题,分别选取合适的储能并进行协同优化配置,实现了风电顺利并网以及并网后电力系统的安全稳定经济运行。具体而言:(1)基于储能在技术性、经济性、环境影响与安全性层面的特性差异,提出了基于AHP-MARCOS方法的混合储能系统选型模型,实现了电力系统多场景储能选型;(2)提出了一种基于CEEMDAN方法的风电并网优化策略,在使风电波动率满足并网技术要求的同时,使磷酸铁锂电池配置成本最小化;(3)提出了含大规模风电的电力系统中抽水蓄能的双层容量配置和运行优化模型,促进了风电消纳,提高了系统运行的经济性、安全性和灵活性。