风电、光伏与储能(含电池和废弃矿井小型抽水蓄能)互补调度运行研究附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-12-01 20:15:00 发布

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🔥 内容介绍

随着全球能源结构的转型，风力发电和光伏发电作为主要的非化石能源，在全球能源供应中的比重日益增加。然而，风能和太阳能的间歇性、波动性和随机性给电力系统的稳定运行带来了严峻挑战。为有效解决这一问题，储能技术，尤其是电池储能和废弃矿井小型抽水蓄能，被视为实现可再生能源平滑出力和电力系统可靠性的关键。本文旨在深入探讨风电、光伏与储能系统互补调度运行的策略、技术挑战与发展前景。研究内容包括互补系统的优化配置、多时间尺度调度运行策略、经济效益分析以及未来发展趋势。通过构建多目标优化模型，并结合实际案例进行仿真分析，本文将为构建高效、稳定、经济的现代电力系统提供理论依据和技术支持。

关键词： 风电；光伏；储能；电池储能；废弃矿井抽水蓄能；互补调度；优化运行

1. 引言

全球气候变化和能源危机日益加剧，促使各国政府和能源行业加速向低碳、可持续的能源结构转型。风力发电和光伏发电以其清洁、可再生的特性，成为替代传统化石燃料发电的主力军。近年来，风电和光伏的装机容量呈现爆发式增长，在电力总装机中的占比不断提升。然而，风速和光照强度的自然波动导致风电和光伏出力具有显著的间歇性和不确定性，这给电力系统的频率稳定、电压支撑和调度运行带来了诸多挑战。

为有效应对可再生能源的波动性，储能技术被认为是平抑其出力波动的关键。目前，储能技术种类繁多，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、电池储能等。其中，电池储能以其响应速度快、能量密度高、部署灵活等特点，在可再生能源并网领域展现出巨大的应用潜力。废弃矿井小型抽水蓄能则利用废弃矿井的天然高落差和地下空间，具有建设周期短、环保效益显著、可实现大规模储能等优势，为老工业区能源转型提供了新的思路。

将风电、光伏与不同类型的储能系统进行优化组合，形成互补调度运行模式，能够显著提升电力系统的稳定性、可靠性和经济性。本文将聚焦于风电、光伏与电池储能、废弃矿井小型抽水蓄能的互补调度运行研究，旨在探索如何通过智能调度策略，最大限度地发挥各类能源的优势，实现电力系统的高效、稳定运行。

2. 风电、光伏与储能互补系统概述

2.1 风力发电与光伏发电特性

风力发电通过风力机将风能转化为电能，其出力受风速影响显著。风速的随机性和波动性导致风电出力也呈现出间歇性和不确定性。当风速过大或过小时，风力机可能停机或降低出力，影响电力系统的稳定供电。

光伏发电通过光伏电池板将太阳能转化为电能，其出力受太阳辐照强度、环境温度和遮挡等因素影响。光伏出力具有明显的日变化和季节变化，夜间无出力，阴雨天气出力降低。

2.2 储能技术分类及特点

2.2.1 电池储能

电池储能技术是指利用电池设备将电能储存起来，并在需要时释放电能的技术。常见的电池储能技术包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池等。

优点：
响应速度快，充放电效率高，循环寿命长，能量密度高，模块化设计，部署灵活。
缺点：
初始投资成本较高，部分电池存在安全隐患，废旧电池回收处理问题。
应用：
平抑可再生能源波动、调峰调频、备用容量、黑启动等。

2.2.2 废弃矿井小型抽水蓄能

废弃矿井小型抽水蓄能是利用废弃矿井的地下空间作为下水库，地表水体作为上水库，通过水泵和水轮机实现电能的存储和释放。

优点：
环保效益显著（废弃矿井再利用），可实现大规模储能，建设周期相对较短，运营成本低，寿命长。
缺点：
对矿井地质条件要求较高，初期投资大，选址受限。
应用：
大规模可再生能源消纳、电网调峰、备用容量等。

2.3 互补系统配置模式

风电、光伏与储能互补系统可以根据实际需求和资源条件进行多种配置。常见的配置模式包括：

风电+储能：
储能系统主要用于平抑风电出力波动，提供调峰调频服务。
光伏+储能：
储能系统用于解决光伏夜间无出力问题，实现光伏发电的昼夜连续供电。
风电+光伏+储能：
这种模式能够最大程度地发挥风、光、储的互补特性，提升系统整体的稳定性和经济性。

3. 互补调度运行策略

互补调度运行策略是实现风电、光伏与储能系统高效运行的关键。合理的调度策略能够有效平抑可再生能源的波动，提升电网的接纳能力，同时实现系统的经济效益最大化。

3.1 多时间尺度调度

考虑到风电、光伏出力的随机性和不确定性，以及不同储能技术响应时间的差异，多时间尺度调度策略是必不可少的。

日内调度（超短期）：
主要关注未来几分钟到几小时内的风电、光伏出力预测，通过储能系统的快速响应能力进行实时功率平衡，平抑短时波动。
日前调度（短期）：
基于日前的风电、光伏出力预测和负荷预测，制定次日的机组组合和发电计划，确定储能系统的充放电策略。
周/月度调度（中长期）：
考虑季节性变化和燃料成本等因素，对储能系统的容量配置和运行模式进行优化，为短期调度提供指导。

3.2 优化调度目标

互补调度运行的优化目标通常包括：

经济性：
最小化系统运行成本（燃料成本、启动停机成本、储能损耗等），最大化系统收益（售电收益、辅助服务收益）。
可靠性：
满足负荷需求，保证电力系统频率和电压稳定，降低弃风弃光率。
环境效益：
减少碳排放，提升可再生能源利用率。

3.3 调度方法与模型

优化调度问题通常可以建模为混合整数线性规划（MILP）或非线性规划（NLP）问题。常见的调度方法包括：

线性规划（LP）：
在一些简化假设下，可以将问题转化为LP进行求解。
动态规划（DP）：
适用于多阶段决策问题，但计算复杂度较高。
启发式算法：
如遗传算法、粒子群优化算法等，适用于求解复杂的非线性问题，但可能无法保证全局最优解。
滚动优化：
通过不断更新预测信息和重新规划，提高调度策略的适应性和鲁棒性。

数学模型示例（简化版）：

假设考虑日前调度，目标为最小化系统运行成本。

4. 经济效益分析

风电、光伏与储能互补调度运行不仅能够提升电力系统的技术性能，还能带来显著的经济效益。

4.1 降低运行成本

通过优化调度，储能系统可以在电价低谷时充电，电价高峰时放电，实现“削峰填谷”，从而降低发电成本。同时，储能系统能够平抑可再生能源的波动，减少常规机组的频繁启动和停机，降低维护成本和燃料消耗。

4.2 提高可再生能源消纳能力

储能系统的应用可以有效减少弃风弃光现象。当风电或光伏出力过剩时，多余电能可以存储起来，在负荷高峰或可再生能源出力不足时释放，提高了可再生能源的利用率。

4.3 提供辅助服务

储能系统具有快速响应的特点，可以为电网提供调频、调压、备用容量等辅助服务，从而获得额外的收益。特别是电池储能，其毫秒级的响应速度在频率调节方面具有显著优势。

4.4 延长设备寿命

通过平滑可再生能源出力，储能系统可以减少电网对常规发电机组的调峰压力，降低机组的磨损，延长其运行寿命。

4.5 废弃矿井的经济效益

废弃矿井抽水蓄能项目不仅提供了储能功能，还实现了废弃矿产资源的再利用，减少了环境污染，带动了当地经济发展和就业。

5. 技术挑战与发展趋势

5.1 技术挑战

高精度预测：
风电和光伏出力的准确预测是优化调度的基础，但其内在的随机性和不确定性使得高精度预测仍面临挑战。
储能成本：
尽管电池储能成本持续下降，但大规模部署仍需克服初始投资高的障碍。废弃矿井抽水蓄能虽然具有成本优势，但选址和地质条件限制了其推广应用。
系统安全稳定：
大规模可再生能源并网和储能系统接入，对电力系统的稳定控制、故障保护和并网标准提出了更高要求。
调度优化算法：
互补系统的高度复杂性使得优化调度问题规模庞大，需要开发更高效、鲁棒的优化算法。
政策法规：
完善的电力市场机制和激励政策是推动储能技术发展的关键，需要进一步明确储能的电网身份、定价机制和辅助服务市场准入。

5.2 发展趋势

多源互补融合：
未来电力系统将更加注重多种可再生能源（风、光、水、生物质）与多元储能（电池、抽水蓄能、压缩空气储能、氢储能）的深度融合，形成更加灵活、弹性的能源供应体系。
人工智能与大数据应用：
结合人工智能、机器学习和大数据技术，将大幅提升风电、光伏出力预测的准确性，优化调度策略，实现电力系统的智能化运行。
虚拟电厂与需求侧响应：
通过虚拟电厂技术将分布式电源、储能和可控负荷聚合起来，共同参与电网调度，提升系统灵活性。
储能技术多元化发展：
除了电池储能和抽水蓄能，其他新兴储能技术如热储能、飞轮储能等也将不断发展和完善，以满足不同应用场景的需求。
碳中和目标驱动：
随着全球碳中和目标的推进，风电、光伏与储能互补系统将在构建新型电力系统、实现能源转型中发挥越来越重要的作用。

6. 结论

风电、光伏与储能（含电池和废弃矿井小型抽水蓄能）互补调度运行是解决可再生能源并网挑战、构建清洁低碳电力系统的必然选择。本文对互补系统的特性、调度策略、经济效益以及面临的挑战和发展趋势进行了深入探讨。研究表明，通过优化配置和智能调度，互补系统能够有效平抑风电和光伏的波动性，提高可再生能源消纳水平，降低系统运行成本，并提供重要的辅助服务。

尽管互补系统在技术和经济上仍面临诸多挑战，但随着储能技术的不断进步、智能电网技术的发展以及相关政策的完善，风电、光伏与储能互补系统必将在未来的能源转型中扮演核心角色，为实现可持续发展和应对气候变化贡献重要力量。未来的研究工作将着重于提升预测精度、开发更高效的优化算法、探索更多元化的储能技术融合以及完善电力市场机制，以期实现互补系统的更加高效、稳定和经济运行。