1、考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法 黄际元 李欣然 常敏 黎淑娟 刘卫健 国网湖南省电力公司长沙供电分公司 湖南大学电气与信息工程学院 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 摘 要： 规模间歇电源并网引起的电网频率问题, 导致对引入储能辅助调频的研究越发迫切。提出一种考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法。阐述了储能电池功率和容量设计的通用方法;通过分析储能电池在调频运行过程中的成本和效益, 基于全寿命周期理论, 运用净现值法结合仿真模型构建储能电池参与一次调频的技术经济模型;设计了一种储能电池参与一次调频的充放电策略, 在此基础上, 考虑受风电出力波动影响的电网
2、综合负荷, 从与之对应的电网频率信号波动特性出发, 在确定的电网调频及储能电池运行要求约束下, 得出调频效果最优、经济性最优以及两者综合最优目标下的储能电池容量配置方案。仿真结果表明了该方法的合理性及有效性。本研究有助于推动储能电池在辅助调频服务上的示范与工程化应用。关键词： 储能电池; 一次调频; 成本 效益; 容量配置; 作者简介：黄际元 男, 1988 年生, 博士, 研究方向为储能在电力系统中的应用及优化调度技术。E-mail: (通信作者) 作者简介：李欣然 男, 1957 年生, 教授, 博士生导师, 研究方向为电力系统分析控制、负荷建模。E-mail:收稿日期：2016-08-2
3、0基金：国家自然科学基金项目 (51477043) Capacity Allocation of BESS in Primary Frequency Regulation Considering its Technical-Economic ModelHuang Jiyuan Li Xinran Chang Min Li Shujuan Liu Weijian State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company; College of Electrical and Information Engin
4、eering Hunan University; Power China Zhongnan Engineering Co.Ltd.Electrical Engineering; Abstract： Large-scale integration of intermittent power generation has caused grid frequency problems, bringing an urgent research need for introducing battery energy storage system ( BESS) into the auxiliary fr
5、equency regulation field. A capacity allocation method of BESS in primary frequency regulation is proposed considering its technical-economic model. The universal way to allocate the power and capacity of BESS is introduced; through analyzing the cost and benefits of BESS in frequency regulation pro
6、cess, based on the life cycle cost ( LCC) theory, using the net present value ( NPV) method, and integrated with a BESS simulation model, the technical-economic model of BESS in primary frequency regulation is constructed; a charge-discharge strategy of BESS to participate in primary frequency regul
7、ation are designed, and with the charge-discharge strategy, considering the composite load affected by volatile wind power, starting from the corresponding fluctuation characteristics of grid frequency signals, and under the constraints of the operation requirements of grid frequency regulation and
8、BESS, capacity allocation schemes of BESS are obtained with the optimal frequency regulationperformance, the optimal economic benefits and the comprehensive optimum of both, respectively. Results prove the rationality and effectiveness of this method. The study helps propel the demonstration and eng
9、ineering application of BESS in the auxiliary frequency regulation field.Keyword： Battery energy storage system (BESS) ; primary frequency regulation; costs-benefits; capacity allocation; Received： 2016-08-200 引言近年, 以“智能电网+特高压电网+清洁能源”为核心的能源互联网迅速兴起, 其中, 清洁能源中如风电等具有波动性和不确定性1, 其出力波动的幅值、频率及分布等特性与电网负荷波动趋
10、势弱相关, 该不确定性给电网调频带来挑战, 且调频容量的限制也制约了电网消纳清洁能源的能力。储能电池具有响应迅速、控制精度高的特点, 在此背景下, 探讨储能参与电网调频具备一定的必要性。而储能容量的科学合理配置, 是储能应用规划的重要环节, 也是推动其进入调频市场的基础。目前, 相关学者对储能电池的容量配置进行了初步研究。文献2综述了储能参与调频的研究现状, 指出储能的容量配置与经济性评估的初步思路, 即基于容量配置结果分析储能在辅助调频领域的经济价值, 同时反过来指导与修正储能的容量配置。文献3提出了基于机会约束规划的储能参与风电场一次调频的容量优化方法, 构建了以风储系统运行成本最小为目标
11、, 满足一次调频需求为约束的优化模型。文献4提出了一种基于净效益最大的平抑风电功率波动的混合储能容量配置方法, 通过分析不同功率分配方法的差异, 计及减少风电场旋转备用和并网通道容量的效益, 结合全寿命周期成本, 得到净效益最高的容量配置结果。文献5提出适用于大规模集中式可再生能源领域, 以平滑出力波动和跟踪计划出力为应用模式的储能容量配置算法, 并提炼出影响配置结果的敏感因素。显然, 目前对于储能电池的容量配置, 多基于经验分析, 而并非是以系统、细化的技术经济模型为基础, 其方法适应性和可行性不强, 且较多关注储能辅助风电并网的容量配置。因此, 充分考虑调频应用特征及储能电池的技术经济特征
12、, 建立储能电池参与一次调频的技术经济模型, 并在此基础上进行科学合理的容量配置很有意义。因此, 本文对储能电池 (下文简称储能) 参与一次调频的容量配置方法展开研究。首先阐述了储能容量配置的通用方法, 并基于全寿命周期理论构建了储能参与一次调频的技术经济模型。基于相应的储能参与一次调频的充放电策略, 以调频效果、经济性最优和两者综合最优为目标, 以电网调频要求及储能运行要求为约束, 展开了储能容量的优化配置。最后利用实际电网运行数据进行仿真验证。1 储能功率和容量设计的通用方法1.1 额定功率设计假设调频时段和起始时刻分别为 T 和 t0, 储能电池的额定功率为 Prated, 且充电为正,
13、 放电为负。假定在调频 T 时段内, 第 i 时刻储能的功率指令为 PE, 配置的 Prated (MW) 应能吸收或补充 PE在 T 内出现的最大过剩/缺额功率, 充电为正, 放电为负。其中, 计算方法为式中, DC/DC、 DC/AC和 ch、 dis分别为变换器和储能设备的充、放电效率;P surplus、P shortage分别为调频中出现的最大过剩、缺额功率。1.2 额定容量设计假设储能电池的额定容量为 Erated, 根据额定功率 Prated, 可得到储能电池的实时功率序列, 然后按如下方法设计 Erated。引入储能荷电状态 QSOC, 第 k 时刻储能的荷电状态 QSOC,
14、k为式中, E rated为储能电池的额定容量;Q SOC, max、Q SOC, min和 QSOC, ref分别为荷电状态的上、下限值及初始荷电状态;T 为功率指令时间间隔。在储能运行过程中, Q SOC, k应满足 QSOC, minmax (Q SOC, k) Q SOC, max, 则综合考虑知其额定容量 Erated应满足由式 (4) 可得满足要求的最小储能容量, 以其为额定容量值 Erated。2 面向一次调频的储能技术经济模型储能的技术经济模型包括经济评估模型和物理特性模型。2.1 经济评估模型基于全寿命周期成本 (Life Cycle Cost, LCC) 理论6-9和储能参
15、与一次调频的效益模型, 构建出面向一次调频的储能经济评估模型。2.1.1 基于全寿命周期成本理论的储能成本计算根据国际电工委员会制定的 IEC 60300-3-3 标准的定义, LCC 是指在整个系统的寿命周期内, 发生的或可能发生的一切直接的、间接的、派生的或非派生的所有费用。储能的成本主要包括投资成本和运行成本两个方面10。1) 投资成本。储能的投资成本一般包括初始投资成本和置换投资成本。初始投资成本指储能工程投建初期一次性投入的固定资金, 由储能的额定功率 Prated所决定的功率成本和额定容量 Erated所决定的容量成本组成, 占总成本的比重最大。功率成本通常与 PCS 相关, 容量
16、成本则反映了电池储能设备本体的价值。置换投资成本指在储能运行期间, 用以更换电池储能设备而支出的资金, 通常是电池储能设备本体的置换。全寿命周期内储能投资成本的表达式为式中, C PCS为 PCS 的单位功率成本, /MW;r 为折现率;T LCC为全寿命周期, 一般取20 年;C bat为单位容量成本, /MWh;n 为置换次数 (共投入储能 (n+1) 次) , n=TLCC/Tlife, Tlife为储能等效循环寿命, 基于雨流计数法等效折算得到。2) 运行成本。储能的运行成本一般包括运行维护成本、报废处理成本及其他相关成本。其中, 运行维护成本指为保证储能在使用年限内正常运行而动态投入
17、的资金, 通常包括由 PCS 决定的固定部分和由储能充放电电量决定的可变部分;报废处理成本指全寿命周期内电池储能设备报废后进行无害化处理及回收所产生的费用;其他成本指储能由于没有完全满足供电需求而承受的缺电惩罚成本和因过剩生产电能而导致弃电损失成本等。运行维护成本的表达式为式中, C POC EOW (t) 为储能年充放电电量, MWh。报废处理成本的表达式为式中, C Pscr为单位功率报废处理成本, /MW;C Escr为单位容量报废处理成本, /MW獉 h。缺电惩罚成本的表达式为式中, 为缺电惩罚系数, /MW 獉 h;Elack (t) 为年缺电量序列, MW 獉 h。弃电损失成本的表
18、达式为式中, 为弃电损失系数, /MW 獉 h;Eloss (t) 为年弃电量序列, MW 獉 h。在储能运行过程中, 每批置换的储能容量值均为 Erated, 则全寿命周期内投入的总容量为 (n+1) E rated, PCS 在全寿命周期内不更换, 并利用现值法将所有的成本折算为现值。基于前述成本分析, 可得成本现值 CLCC的表达式为即为所需的储能全寿命周期成本模型。2.1.2 储能参与一次调频的运行效益计算储能参与一次调频的效益还包含固定效益、静态效益、动态效益和环境效益11,12。固定效益包括储能备用功率效益和实时电量效益。其表达式为式中, P CAPACITY为备用功率效益;P E
19、NERGY为实时电量效益。PCAPACITY和 PENERGY具体表达式为式中, P 1为储能提供的调频备用 (即功率服务供应量) , MW;R 1为对应的单位备用容量价格;E 1为储能提供的调频电量 (即调频任务量) , MW 獉 h;R2为对应的实时上调与下调电价, 本文所用数据见文献12。静态效益、动态效益和环境效益的计算比较复杂, 故本文的储能调频效益由其固定效益 PCAPACITY等效代替。因此, 通过现值法将全寿命周期内的效益折算到项目投资的初始时刻 (第零年) , 则得到效益现值表达式为式中, R y为年效益, 通过将固定效益 RREVENUE折算到年得到 (一年以 300 天计
20、) 。2.1.3 储能参与一次调频的净效益计算考虑储能参与一次调频的成本与效益, 得到净效益现值 PNET为式 (14) 即所需的储能经济评估模型。由式 (14) 建立起储能参与一次调频容量配置的经济性优化目标为需要注意的是, 效益项需根据具体的应用场景进行取舍, 从而建立起相适应的经济评估模型。此外, 因储能的循环寿命技术指标是决定其置换投资成本的关键参量, 在容量规划阶段需重点考量这一点。如何科学有效地测算储能在实际运行中的寿命, 是科研工作者面临的一个难题, 借鉴文献13所提的基于雨流计数法的储能寿命14测算方法, 在下文对储能运行寿命进行等效折算。2.2 物理特性模型储能电池参与一次调
21、频方法如图 1 所示。图中, f db为调频死区, f db_u和f db_d分别为其上、下限值;f u和 f d为针对储能电池设置的调频出力上、下限值, 频率偏差超过限值, 储能电池以额定功率出力。图 1 储能电池参与一次调频的方法 Fig.1 The method of BESS participating in primary frequency regulation 下载原图图 1 中, 当负荷突然增加时, 负荷频率特性曲线将由 L1 (f) 移至 L2 (f) , 由传统电源的功频曲线 G (f) 可知其会自动增加出力, 以阻止频率进一步下降, 电网运行点将由稳定运行点 a 移至 b
22、 点, 对应的频率偏差从 0 下降至 f 1 (其为负值) 。此时, 利用储能电池模拟传统电源的下垂特性以实现参与一次调频, 通过设置储能电池的虚拟单位调节功率 KE, 对应储能电池的出力为如图 1所示的 PE值。电网中的传统电源功率或负荷发生变化时, 必然会引起电网频率的变化。当电网供电大于负荷需求时, 电网频率会上升, 依图 1 可知此时应控制储能电池从电网吸收功率;当电网供电小于负荷需求时, 电网频率会下降, 此时应控制储能电池释放功率至电网。在储能参与一次调频的方法确定的基础上, 通过模拟传统电源的下垂特性, 即建立起频率增量与储能出力的内在联系, 实现储能参与一次调频;然后结合仿真模
23、型 (其中的阻容元件体现了储能在运行过程中的能量损耗) , 并计及功率转换系统 PCS (包括 DC-DC 和 DC-AC 变换器) , 进而形成储能参与电网调频的物理特性模型。3 面向一次调频的储能容量配置3.1 基于一次调频效果最优的储能容量配置区域互联电网的一次调频储备通常在千兆瓦级以上, 频率稳定性较好。而位于偏远地区或岛屿等地区的电网, 风光资源一般较为丰富, 由于风光发电出力及负荷的波动, 导致频率稳定性较差。故以含风电的孤网为背景, 设计了考虑储能参与一次调频的充放电策略, 基于此形成了相应的储能容量配置流程。3.1.1 储能参与一次调频的充放电策略在满足储能调频运行要求的前提下
24、, 为最小化储能的配置容量, 可在电网频率偏差处于调频死区范围内时, 控制储能进行额外的充、放电动作。引入变量QSOC, low和 QSOC, high, 分别表示储能荷电状态 QSOC的较低值和较高值, 且 QSOC, minQ SOC, lowf db_u且 QSOC, minf db_u且 QSOC=QSOC, max时, 需利用耗能电阻吸收能量15,16, 储能需接受相关经济惩罚。当 f if db_d且 QSOC=QSOC, min时, 控制储能不参与一次调频, 需接受相关经济惩罚。该惩罚即为设定的缺电惩罚系数与储能所缺电量之积。2) 若 f i在 f db范围内, 即 f db_d
25、f if db_u。当 QSOC, highQSOCQSOC, max时, 控制储能放电, 即向电网售电, 售电功率Psell sPrated ( s为售电功率系数, 0 s1, 需优化选择) 。当 QSOC, minQSOCQSOC, low时, 控制储能充电, 即从电网购电, 购电功率Pbuy bPrated ( b为购电功率系数, 0 b1, 需优化选择) 。当 QSOC, lowQSOCQSOC, high时, 储能无需动作。此外, 定义技术评价指标如下:1) 反映荷电状态 QSOC保持效果的评价指标为式中, Q SOC, i为第 i 个 QSOC采样值;荷电状态运行参考值 QSOC,
26、 ref取为 0.5;n 为采样点数。2) 考虑孤网的特征, 提出反映一次调频效果的评价指标为QSOC, rms取值越小, 代表 QSOC越接近参考值, 即其保持效果越好;J 1取值越小, 说明一次调频效果越好。3.1.2 储能参与一次调频的容量配置流程储能参与一次调频容量配置流程如图 2a 所示。图 2a 中, 首先, 初始化 QSOC, high、Q SOC, low、P buy、P sell及 Prated变量;其次, 载入储能的物理特性模型和区域电网调频动态模型及相关参数;然后, 基于所提的储能充放电策略, 以一次调频效果评价指标 J1最小为优化目标, 通过遗传算法寻优确定控制变量 (
27、Q SOC, high、Q SOC, low、P buy、P sell和 Prated) 的最优组合解, 并计算在该组合解下 Erated、J 1和 QSOC, rms的值, 作为输出结果。此时所得的 Prated和 Erated即为最优的储能容量配置方案, 该方案对应的一次调频效果最优。图 2 基于不同目标下的调频用储能容量配置流程 Fig.2 The flow chart of BESS capacity allocation in primary frequency regulation under different target 下载原图3.2 基于经济性最优的储能容量配置基于经济性
28、最优的储能容量配置目标是在调频辅助服务市场中获取最大的净效益现值 PNET, 其最大化需要尽可能降低储能的成本现值 CLCC。由于储能成本主要由所配置的容量决定, 而储能参与一次调频时, 除了前述经济评估模型中所含的效益如式 (11) 所示之外, 还应包括在调频死区内对其进行额外充放电所带来的效益 Rs17, 表达式为式中, R 3为实时售电和购电电价, 本文所用数据见文献12;E sell和 Ebuy分别为储能的额外售电和购电电量, MWh。因此, 以经济最优为目标的储能充放电策略设计问题可等效为:控制储能在调频死区内进行额外充放电, 寻找满足储能运行要求的最小容量配置方案问题。基于相应的充
29、放电策略, 以储能参与一次调频的经济性最优为目标, 设计出相应的储能容量配置流程如图 2b 所示。首先, 初始化 QSOC, high、Q SOC, low、P buy、P sell及 Prated变量;其次, 载入储能的物理特性模型和区域电网调频动态模型及相关参数;然后, 基于所提的储能充放电策略和所构建的储能参与一次调频的经济评估模型, 以如式 (15) 所示的净效益现值 PNET最大为优化目标, 以一次调频效果评价指标 J1、储能的荷电状态QSOC为约束条件, 通过遗传算法寻得相应的控制变量 (Q SOC, high、Q SOC, low、P buy、P sell和 Prated) 的最优组合解, 并计算在最优组合解下Erated、P NET、J 1和 QSOC, rms的值, 作为输出结果。此时所得的 Prated和 Erated即为最优的储能容量配置方案, 该方案对应的经济性最优。4 仿真验证基于含储能的区域电网调频动态模型, 考虑含风电出力的综合负荷扰动, 分别以一次调频效果最优、经济性最优和两者综合最优为目标进行储能容量配置, 并对比分析各配置结果。4.1 仿真条件与步骤以磷酸铁锂储能为研究对象。表 1 为含储能的区域电网仿真参数, 其中包括区域电网调频动态模型的基本参数以及储能的技术经济参数等, 其余与传统电源相关的参数见参考文献18。
