中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01
研究背景
我國(guó)海岸線綿長(zhǎng)、海上風(fēng)資源優(yōu)渥，雙碳目標(biāo)下正在大力發(fā)展海上風(fēng)電：截至2024年第三季度我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)建成并網(wǎng)39.10GW，已連續(xù)三年位居全球首位。然而，海上風(fēng)電出力在時(shí)間尺度上存在多重不平衡波動(dòng)：日內(nèi)短尺度波動(dòng)和季節(jié)長(zhǎng)尺度波動(dòng)。這給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)顯著挑戰(zhàn)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(hybrid energy storage system，HESS)能發(fā)揮不同儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，是平滑風(fēng)電出力的主流方向。新型電力系統(tǒng)下，海上風(fēng)電等新能源項(xiàng)目要求建成時(shí)同步落地配套儲(chǔ)能設(shè)施。為此，亟需開(kāi)展平抑海上風(fēng)電出力波動(dòng)的混合儲(chǔ)能規(guī)劃研究。
02
研究?jī)?nèi)容
氫儲(chǔ)能具備大容量、高密度的特性，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間尺度和大空間范圍的能源轉(zhuǎn)移，還有望帶動(dòng)近海電力、工業(yè)等領(lǐng)域的碳減排。同時(shí)電池儲(chǔ)能短時(shí)充放電能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換效率高被廣泛應(yīng)用于日內(nèi)調(diào)峰或調(diào)頻。為實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，以電儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能構(gòu)建海上風(fēng)電源側(cè)HESS框架。
首先，針對(duì)風(fēng)電出力多尺度波動(dòng)難以準(zhǔn)確拆分、有效分配給混合儲(chǔ)能的問(wèn)題，提出變分模態(tài)分解(variational mode decomposition，VMD)結(jié)合波動(dòng)特征頻譜以準(zhǔn)確分解不同時(shí)間尺度波動(dòng)分量，再通過(guò)構(gòu)建模態(tài)分配矩陣模型刻畫(huà)時(shí)頻域波動(dòng)分量與儲(chǔ)能容量的映射關(guān)系。待平抑波動(dòng)功率分解和電-氫HESS功率分配的過(guò)程如圖1所示。
圖1 波動(dòng)時(shí)頻域轉(zhuǎn)換關(guān)系和HESS功率分配示意圖
在此基礎(chǔ)上，針對(duì)海陸不同位置配置電氫混合儲(chǔ)能的差異性，計(jì)及電-氫儲(chǔ)能不同壽命、海-陸儲(chǔ)能差異成本等因素進(jìn)行全生命周期成本建模；此外綜合考慮海上儲(chǔ)能對(duì)輸變電設(shè)備的間接降本效益以及儲(chǔ)能系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)化效率，建立了適應(yīng)海上風(fēng)電多時(shí)間尺度功率波動(dòng)的混合儲(chǔ)能多目標(biāo)規(guī)劃模型(圖2)。
圖2 海陸混合儲(chǔ)能系統(tǒng)LCC分析
最后，提出一種改進(jìn)規(guī)格化法平面約束法(improved normalized normal constraint，INNC)，通過(guò)空間投影適當(dāng)拓展烏托邦面，在分布更廣的Pareto前沿解中實(shí)現(xiàn)最優(yōu)規(guī)劃方案的選擇。具體求解流程如圖3所示。
圖3 規(guī)劃求解流程圖
03
研究結(jié)果及結(jié)論
雙碳目標(biāo)下，海上風(fēng)電發(fā)展正由淺海向深遠(yuǎn)海推進(jìn)，風(fēng)電場(chǎng)不同離岸距離對(duì)HESS配置結(jié)果的影響如圖4所示。
圖4 離岸距離對(duì)儲(chǔ)能規(guī)劃結(jié)果的影響
子模態(tài)數(shù)越高對(duì)應(yīng)的波動(dòng)頻率越高，方格顏色越深代表承擔(dān)比例越高。從圖4中可以看出，電儲(chǔ)能主要集中在高頻區(qū)域，氫儲(chǔ)能則主要承擔(dān)低頻波動(dòng)；顏色較深區(qū)域主要集中在λbat,on和λhyd,on序列上，這說(shuō)明陸上儲(chǔ)能規(guī)劃容量占比較高。對(duì)比3個(gè)場(chǎng)景，發(fā)現(xiàn)隨著離岸距離的增加，海上儲(chǔ)能比重變高，在近海岸土地資源趨緊的背景下可以有效分擔(dān)陸上儲(chǔ)能配置壓力。
所作研究得出如下結(jié)論：
1）所提改進(jìn)VMD分解方法能夠結(jié)合風(fēng)資源特征頻率確定分解模態(tài)數(shù)，與原有方法相比，可以在分解不同時(shí)間尺度的波動(dòng)量過(guò)程中降低能量損失和模態(tài)混疊度，實(shí)現(xiàn)不同波動(dòng)量的有效分解。
2）通過(guò)引入模態(tài)分配系數(shù)矩陣進(jìn)行電-氫HESS容量分配，精細(xì)地考慮了儲(chǔ)能間的不同頻域配合，在同樣滿足波動(dòng)平抑的前提下，所需配置的電、氫儲(chǔ)能容量更低，總規(guī)劃成本減少了53.21%，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)有效的儲(chǔ)能規(guī)劃。
3）所提INNC法利用空間投影拓展烏托邦面，提升了Pareto前沿解17.72%的分布廣度，可以更全面地提供綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和能量利用率的儲(chǔ)能配置方案。
4）研究表明現(xiàn)階段與陸上相比海上儲(chǔ)能配置成本仍然較高，然而隨著海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海推進(jìn)海上儲(chǔ)能對(duì)海上輸電通道的降本效益逐漸凸顯，在離岸100km以上的遠(yuǎn)海大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)側(cè)配置儲(chǔ)能將具有經(jīng)濟(jì)性。
04
后續(xù)研究方向或討論話題
隨著海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海推進(jìn)，為大規(guī)模風(fēng)場(chǎng)配置儲(chǔ)能將是解決其并網(wǎng)問(wèn)題的關(guān)鍵，海陸混合儲(chǔ)能的協(xié)同運(yùn)行過(guò)程將更為多樣，其運(yùn)行過(guò)程的優(yōu)化將有待進(jìn)一步的研究。
