电工杯A题高比例风电电力系统储能运行及配置分析思路/高比例风电电力系统储能运行及配置

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2022年电工杯数学建模挑战赛思路包括如下:

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“碳中和”目标驱动下未来电力系统必将是高比例可再生能源电力系统,可
再生能源输出功率强随机波动性导致系统运行中功率实时平衡困难;储能被认为
是保障系统功率实时平衡的有效手段,由于储能成本相对昂贵,利用储能平衡系
统功率将增加系统运行成本;下面以高比例风电电力系统为例,探究“供给侧”
低碳化转型对电力系统运行经济性、可靠性影响。
待研究系统包含火电、风电、储能和负荷,火电机组 3 台、装机容量 1050MW;
某日风电、负荷归一化功率(1.0p.u.风电对应其装机容量,1.0p.u.负荷对应最大
负荷功率)数据见附件 1,风电渗透率(最大风电功率与最大负荷功率之比)递
增可能造成系统弃风、失负荷,影响系统功率平衡。
定义:系统单位供电成本=系统发电总成本/系统总负荷电量,发电总成本=
火电成本+风电成本+储能成本+弃风损失+失负荷损失,其中:
⚫ 火电成本包括运行成本、碳捕集成本,其中火电运行成本由运行维护成
本和发电煤耗成本构成,发电煤耗与其出力关系:
2 F aP bP c = + + ,F 为
机组煤耗量(kg/h),P 为机组出力/MW;运行维护成本按照 0.5 倍煤耗
成本考虑,碳捕集成本取决于碳排放量及碳捕集单价,火电机组相关参
数如附表 1 所示,电煤价格为 700 元/t。
⚫ 风电成本仅考虑运维成本,相关参数如附表 2。
⚫ 储能成本由投资成本、运维成本构成,相关参数如附表 3。注:在计算
每天成本时,需将投资成本平摊至每天,即平均每天投资成本=总投资
成本/运行年限/365 天。
⚫ 弃风损失按 0.3 元/kWh 计算,失负荷损失按 8 元/kWh 计算。
基本题:
假设系统日负荷功率最大值 900MW,单位碳捕集成本分别为 0 元/t、60 元
/t、80 元/t、100 元/t,摄动风电渗透率,分析计算以下问题:

  1. 无风电接入,火电以最小成本运行,绘制机组日发电计划曲线,计算系
    统单位供电成本,将结果填于表 1 相应栏(保留三位有效数字)。
  2. 风电装机 300MW、替代机组 3 时,系统功率平衡发生什么变化?弃风电
    量多少?在此场景下,为减少弃风又不失负荷,风电接入装机容量可以降低多少?
  3. 风电装机 600MW、替代机组 2 时,系统功率平衡又发生什么变化?在此
    场景下,为不失负荷,风电接入容量可增加多少?
  4. 针对上述 2-3 风电替代场景,考虑上述 4 种碳捕捉成本,系统按最低发
    电成本供电,计算系统单位供电成本,并将相关计算结果填入表 2、3。
  5. 风电装机 900MW、替代机组 2、3 时,失负荷电量多少?为不失负荷,需
    要配置的最小储能容量是多少(储能充放电效率 90%)?考虑储能成本、单位碳
    捕捉成本(取 60 元/t),此时系统单位供电成本多大?
  6. 当负荷功率不变,试分析风电替代容量递增給系统可靠供电带来哪些挑
    战?为保障可靠供电,系统单位供电成本发生了什么变化?结合上述计算结果进
    行定量分析。
    拓展题:
  7. 针对附件 2 所示的十五天负荷功率(最大值 1200MW)、风电功率(装机
    容量 1200MW),在风电替代火电机组 2、3 场景下,系统功率平衡存在什么问题?
    请设计可能的功率平衡解决方案,并论述方案的可行性和有效性。

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