考慮儲能壽命和參與調(diào)頻服務(wù)的風(fēng)儲聯(lián)合運行優(yōu)化策略

匡生，王蓓蓓

考慮儲能壽命和參與調(diào)頻服務(wù)的風(fēng)儲聯(lián)合運行優(yōu)化策略

匡生，王蓓蓓

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210096）

儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場聯(lián)合運行，不但可跟蹤風(fēng)電場計劃出力，還可參與電網(wǎng)的輔助服務(wù)。以風(fēng)儲聯(lián)合運行的總收益最大為目標(biāo)，考慮儲能系統(tǒng)跟蹤風(fēng)電計劃出力與參與電網(wǎng)二次調(diào)頻服務(wù)，建立風(fēng)儲聯(lián)合運行的優(yōu)化模型。該模型重點考慮了計及不同荷電狀態(tài)下的儲能壽命損耗和儲能參與調(diào)頻時向上調(diào)頻電量與向下調(diào)頻電量的平衡。基于實際風(fēng)電場運行數(shù)據(jù)設(shè)計算例并進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，考慮儲能壽命損耗和儲能調(diào)頻電量水平，不僅可以合理衡量儲能參與各項服務(wù)所帶來的收益，還可以充分發(fā)揮儲能的作用并提高風(fēng)儲聯(lián)合的收益。

儲能系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電；跟蹤風(fēng)電計劃出力；二次調(diào)頻

0 引言

風(fēng)電是低碳、清潔、可持續(xù)的重要可再生能源，同時與其他可再生能源相比具有技術(shù)較成熟、成本較低等優(yōu)點，積極開發(fā)利用風(fēng)電對調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義[1-2]。風(fēng)電等可再生能源參與市場競爭，由于其固有的波動性和間歇性決定了其難以嚴(yán)格按照計劃合同要求出力，從而在市場競爭環(huán)節(jié)中難以與傳統(tǒng)能源直接競爭。因此風(fēng)電場必須提升風(fēng)電預(yù)測的精度，并利用相關(guān)配套設(shè)施平滑風(fēng)電出力，提高與調(diào)度計劃出力的匹配度[3]。目前，除了對風(fēng)電場自身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計外，風(fēng)電場與儲能系統(tǒng)的聯(lián)合運行受到了廣泛關(guān)注[4]。儲能技術(shù)的發(fā)展為風(fēng)電場并網(wǎng)參與市場競爭提供了可能，但較高的儲能成本使得風(fēng)儲聯(lián)合運行減少棄風(fēng)或進(jìn)行套利收益難以在儲能生命周期內(nèi)得到回收[5-6]，因此，如何充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中的作用是提高儲能系統(tǒng)的效益以及利用儲能提高風(fēng)電消納能力的關(guān)鍵。

目前，以跟蹤計劃出力和儲能狀態(tài)為目標(biāo)研究儲能系統(tǒng)的控制策略成為儲能研究的熱點。文獻(xiàn)[7]利用儲能功率輸出調(diào)整并修正機(jī)組的發(fā)電計劃以減少功率偏差。文獻(xiàn)[8]提出采用電池儲能的雙時間尺度協(xié)調(diào)控制策略平抑風(fēng)電出力波動，將其限制在允許的最大功率波動極限范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[9]將某區(qū)域的新能源及儲能系統(tǒng)等效成一個在地理位置上分散但可統(tǒng)一調(diào)度管理的虛擬電廠，在考慮了系統(tǒng)的收益、成本等經(jīng)濟(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上研究了儲能系統(tǒng)運行方式。以上研究對于儲能系統(tǒng)的處理都是作為風(fēng)電場的一個附屬系統(tǒng)，而不是作為一個獨立的個體，致使儲能系統(tǒng)無法直接進(jìn)行市場交易以獲取經(jīng)濟(jì)利益，因此在風(fēng)儲聯(lián)合運行時，應(yīng)將風(fēng)電和儲能作為2個市場參與實體進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[10-11]研究了儲能系統(tǒng)配合傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻的控制策略，并驗證了其有效性。文獻(xiàn)[12]基于兩階段隨機(jī)優(yōu)化模型分析了風(fēng)電長期運行區(qū)間內(nèi)儲能相較于電力購買協(xié)議的經(jīng)濟(jì)性，但其控制策略還是集中在儲能作為獨立個體參與調(diào)頻市場，同時也沒有考慮儲能系統(tǒng)的壽命折損以及參與調(diào)頻服務(wù)時的性能表現(xiàn)，對儲能的價值存在過高的估計。文獻(xiàn)[13]考慮儲能用于減小棄風(fēng)和參與電網(wǎng)二次調(diào)頻服務(wù)，但并未考慮風(fēng)電出力預(yù)測誤差的影響，且計及儲能調(diào)頻表現(xiàn)時只考慮儲能自身荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的狀況，而未從系統(tǒng)的角度進(jìn)行考慮。

針對以上問題，本文依據(jù)我國風(fēng)電運行的實際情況，研究考慮儲能壽命和參與調(diào)頻服務(wù)的風(fēng)儲聯(lián)合運行優(yōu)化策略。在跟蹤計劃出力之余利用儲能的剩余調(diào)節(jié)空間參與調(diào)頻服務(wù)，并定義儲能調(diào)頻電量平衡度，以反映儲能系統(tǒng)調(diào)頻性能表現(xiàn)并考慮其對調(diào)頻補償?shù)挠绊?，建立了風(fēng)儲聯(lián)合運行的優(yōu)化模型，算例分析結(jié)果表明，該模型可提高風(fēng)儲聯(lián)合的收益并充分發(fā)揮儲能的作用。

1 風(fēng)儲聯(lián)合運行模式

常規(guī)的風(fēng)儲聯(lián)合運行模式為：儲能在風(fēng)電富裕時充電，在風(fēng)電匱乏時放電。此種運行模式不僅造成儲能利用率降低，而且使得儲能在不同時段剩余的向上或向下調(diào)節(jié)功率空間得不到充分利用。若儲能同時參與調(diào)頻服務(wù)，則可充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)靈活性好、響應(yīng)快的優(yōu)點，提高儲能系統(tǒng)的利用效率和運行收益，并可改善整個系統(tǒng)的調(diào)頻效果。由于儲能參與調(diào)頻服務(wù)有容量和功率的限制，還存在儲能自身的電量損耗，因此應(yīng)合理地為儲能分配參與跟蹤計劃出力和調(diào)頻功率，并根據(jù)儲能的SOC情況制定其充放電策略，從而更好地發(fā)揮儲能系統(tǒng)的作用。

國內(nèi)外針對調(diào)頻資源的補償都制定了具體的政策，如美國聯(lián)邦能源管理委員會(federal energy regulatory commission，F(xiàn)ERC)發(fā)布的FERC755號法令中規(guī)定，對調(diào)頻資源補償包含2個部分[14]：一是參與調(diào)頻服務(wù)的容量補償；二是參與調(diào)頻服務(wù)的電量補償。其中，電量補償反映提供調(diào)頻輔助服務(wù)的實際貢獻(xiàn)。同時，美國高等法院修訂了FERC 745號法令，增強了儲能資源相對于傳統(tǒng)發(fā)電站的競爭力，為儲能資源參與調(diào)頻提供政策支持。在我國，各地區(qū)能源監(jiān)管部門也制定了輔助服務(wù)的實施細(xì)則和補償機(jī)制，但對儲能參與調(diào)頻的準(zhǔn)入條件和補償辦法并不統(tǒng)一，存在很大分歧。本文在參考美國的調(diào)頻補償機(jī)制的基礎(chǔ)上，區(qū)分向上和向下調(diào)頻，并假設(shè)儲能作為調(diào)頻市場中的優(yōu)質(zhì)調(diào)頻資源和價格接受者，即所報調(diào)頻容量全部被電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)所接受，并以15 min作為1個調(diào)頻服務(wù)的周期和結(jié)算時段。

由于儲能可以時刻參與調(diào)頻服務(wù)，因此可根據(jù)風(fēng)電出力的預(yù)測值和實際值以及儲能的實時容量安排儲能參與調(diào)頻的運行策略。本文提出的風(fēng)儲聯(lián)合運行包含以下步驟：

1）由風(fēng)電場預(yù)測得到次日每隔15min的風(fēng)電出力曲線(96點)；

2）根據(jù)國標(biāo)風(fēng)電波動率的規(guī)定，以及風(fēng)電場申報給調(diào)度中心的出力值，由調(diào)度中心向風(fēng)儲聯(lián)合體下發(fā)次日風(fēng)電計劃出力曲線；

3）風(fēng)儲聯(lián)合體綜合考慮電價、儲能成本、調(diào)頻收益及考核懲罰等因素，優(yōu)化出力方案。

需要說明的是，若實際出力與申報出力發(fā)生偏離，則根據(jù)偏離量的大小對風(fēng)電場進(jìn)行懲罰。由于風(fēng)儲聯(lián)合體申報的出力基于對風(fēng)電場的出力預(yù)測，因此可激勵風(fēng)電場提高對風(fēng)電預(yù)測的精度。

2 儲能跟蹤計劃出力和參與調(diào)頻的優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 風(fēng)儲聯(lián)合上網(wǎng)電量收益

考慮風(fēng)儲聯(lián)合運行總的上網(wǎng)功率，總電量收益計算如下：

2.1.2 出力偏離懲罰

儲能由于輸出功率限制及同時參與調(diào)頻市場，可能導(dǎo)致部分時段風(fēng)儲聯(lián)合出力并不能滿足風(fēng)電計劃出力曲線，因此考慮當(dāng)風(fēng)電出力未達(dá)到計劃出力時，對未達(dá)到要求部分進(jìn)行出力偏離懲罰，可表示為

2.1.3 調(diào)頻服務(wù)收益

儲能調(diào)頻收益考慮儲能參與向上、向下調(diào)頻服務(wù)，包括調(diào)頻容量收益和調(diào)頻電量補償收益，可表示為

不論是美國電力輔助服務(wù)市場還是我國各地區(qū)電網(wǎng)的輔助服務(wù)補償機(jī)制，都要求考核調(diào)頻資源在調(diào)頻過程中的表現(xiàn)，并通過性能指標(biāo)來衡量。如果性能指標(biāo)得分較低，所得到補償將會減小甚至可能被取消參與調(diào)頻服務(wù)的資格。因此，本文在優(yōu)化模型中將考慮儲能參與調(diào)頻時的表現(xiàn)，并定義儲能調(diào)頻電量平衡度，用于反映儲能參與調(diào)頻市場時的調(diào)頻性能，可表示為

2.1.4 壽命折損費用

儲能壽命與其充放電循環(huán)次數(shù)相關(guān)，一般用循環(huán)充放電總電量來定義，因此，壽命折損與儲能的充放電量成正比。同時，當(dāng)儲能處于較高的荷電狀態(tài)放電時，對其使用壽命影響較小，反之則會加快其壽命衰減，如圖1所示[15-17]。將這種關(guān)系用壽命損耗系數(shù)(())進(jìn)行表征：

式中S(t)為儲能在時段t的荷電狀態(tài)。

2.2 約束條件

2.2.1 功率約束

風(fēng)電出力約束和風(fēng)儲總功率限值約束如下：

儲能充放電功率約束及狀態(tài)約束如下：

儲能參與調(diào)頻時的功率約束如下：

式(11)保證在參與調(diào)頻服務(wù)時，儲能的總功率輸出值不得超過其功率限值，且值得注意的是，無論儲能處于放電還是充電狀態(tài)，都可以同時參與向上、向下調(diào)頻服務(wù)。

2.2.2 儲能容量約束

儲能容量約束主要包括儲能容量可持續(xù)約束和限制約束(SOC約束)。容量可持續(xù)性約束要求儲能運行周期前后容量一致，以保證儲能可在長時間尺度內(nèi)連續(xù)運行。

容量可持續(xù)性約束如下：

式中：T為儲能運行周期結(jié)束后的電量；0為儲能運行周期開始時的電量。

容量限值約束如下：

式中：E為儲能系統(tǒng)在時段的電量；min和max分別為儲能容量下限和上限；d和c分別為儲能電池的放電和充電效率；為儲能的自放電率。

2.3 模型求解

采用通用的優(yōu)化軟件GAMS23.8.2和Matlab R2018a聯(lián)合求解儲能跟蹤風(fēng)電計劃出力和參與調(diào)頻的優(yōu)化模型，其中GAMS中求解器采用的是BOMMIN算法。

3 算例分析

3.1 算例設(shè)置

風(fēng)電數(shù)據(jù)取江蘇南通某風(fēng)電場1天內(nèi)96點的預(yù)測數(shù)據(jù)及實際出力數(shù)據(jù)。風(fēng)電電量價格參考國內(nèi)風(fēng)電上網(wǎng)電價520元/(MW?h)計算，出力偏離懲罰系數(shù)則按風(fēng)電上網(wǎng)電價的2倍即1040元/ (MW?h)計算。儲能調(diào)頻容量價格按20元/MW計算，調(diào)頻里程價格按15元/MW計算，調(diào)頻實際使用電量系數(shù)為0.05，并假定模型中的調(diào)頻市場按15min出清。

假設(shè)與風(fēng)電聯(lián)合運行的儲能系統(tǒng)容量為 26MW×h，初始儲能電量為13MW×h，儲能充放電功率上限為10MW，儲能運行容量上、下限分別為22MW×h和4MW×h，壽命折損費用按 100元/(MW×h)計算，儲能充放電效率統(tǒng)一為0.95，自放電率設(shè)為0.01%。

3.2 計算結(jié)果與分析

對于儲能參與調(diào)頻服務(wù)給出的價格補償，儲能可同時用于跟蹤計劃出力和參與調(diào)頻，利用其可用上調(diào)和下調(diào)功率區(qū)間獲取更多收益。圖2為采用傳統(tǒng)方案[13]和本文方案時儲能參與前后的風(fēng)電出力，圖3為基于這2種方案的儲能SOC運行曲線，表1為2種方案收益對比情況。

從圖2可以看出，除在25時段由于儲能的部分容量優(yōu)先考慮參與調(diào)頻服務(wù)而導(dǎo)致出力偏差外，采用本文提出的儲能運行方案滿足風(fēng)電計劃曲線，所產(chǎn)生的出力偏離懲罰值也僅為0.074萬元；而采用傳統(tǒng)方案時，產(chǎn)生了幾個時段明顯的出力偏離，除了部分時段考慮調(diào)頻服務(wù)所產(chǎn)生的出力偏差外，通過圖3可以看出，基于傳統(tǒng)方案時，由于儲能曲線在14、57、61時段，儲能運行達(dá)到儲能容量下限，限制了儲能計劃跟蹤風(fēng)電出力的能力，因此所產(chǎn)生的出力偏離懲罰值達(dá)0.599 萬元。同時，與傳統(tǒng)方案的儲能SOC相比，基于本文方案的儲能SOC一直運行在較高水平，使得對應(yīng)時刻儲能的壽命折損系數(shù)較低，從而產(chǎn)生的儲能折損費用為0.922萬元，比采用傳統(tǒng)方案所產(chǎn)生的儲能折損費用降低了7.8%，因此若儲能折損系數(shù)及出力偏離系數(shù)更大時，采用本文方案得到的收益將會更加明顯。

圖2 儲能參與前后的風(fēng)電出力

圖3 儲能SOC

表1 收益對比

圖4為基于傳統(tǒng)方案和本文方案的儲能資源參與調(diào)頻服務(wù)的情況。在本文方案中，由于考慮儲能的壽命折損及儲能參與調(diào)頻服務(wù)時的調(diào)頻表現(xiàn)考核，使得即使儲能參與調(diào)頻服務(wù)，儲能的實時充放電功率也并不是工作在滿功率運行狀態(tài)。

從圖4可以看出，采用傳統(tǒng)方案時，在8、26、89時段，由于儲能跟蹤計劃出力達(dá)到儲能本身出力峰值，此時儲能未能提供調(diào)頻服務(wù)。而采用本文方案時，由于考慮到調(diào)頻服務(wù)的儲能調(diào)頻電量平衡度及儲能在運行中的壽命折損，儲能參與調(diào)頻服務(wù)的資源更加合理，雖然因?qū)δ苜Y源參與調(diào)頻服務(wù)計及調(diào)頻表現(xiàn)的衡量而在儲能收益上少于傳統(tǒng)方案，但由于其更加合理地調(diào)控儲能資源參與跟蹤計劃出力和電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)，反而使得風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)整體的收益高于傳統(tǒng)方案。

圖4 儲能參與調(diào)頻服務(wù)

4 結(jié)論

為了提高風(fēng)儲聯(lián)合運行的經(jīng)濟(jì)性，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)功率的優(yōu)勢，首先分析了風(fēng)電和儲能聯(lián)合運行的模式以及儲能參與調(diào)頻服務(wù)補償機(jī)制，提出了利用儲能同時跟蹤風(fēng)電計劃出力和參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)的策略。其次，以風(fēng)儲聯(lián)合運行收益最大為目標(biāo)，建立了儲能跟蹤計劃出力和參與調(diào)頻的優(yōu)化模型?；谀壳帮L(fēng)電上網(wǎng)電價和調(diào)頻服務(wù)價格進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明所提方法相較于傳統(tǒng)方法可顯著提高風(fēng)儲聯(lián)合運行的收益。然而，傳統(tǒng)交易模式下儲能和風(fēng)電存在的多邊交易矛盾沖突問題并未加以考慮，下一步將研究基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)下區(qū)塊鏈的共享儲能運行策略。

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Optimization Strategy of Wind Storage Joint Operation Considering Energy Storage Life and Participating in Frequency Modulation Service

KUANG Sheng, WANG Beibei

(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)

Thejoint operation of the energy storage system and the wind farm can not only track the wind power schedule output, but also participate in ancillary service of the power grid. In order to maximize the total profit of the optimization of wind storage joint operation, the optimal model of wind storage joint operation was established considering the wind energy storage system tracking wind power schedule output and participating in the secondary frequency modulation service of the power grid. The model took into account the energy storage life loss under different state of charge, and the up-frequency modulation power and down-frequency modulation power balance when energy storage participated in frequency modulation. Based on theactual wind farm operation data, an example was designed and the simulation was carried out. The results show that considering the energy storage life loss level not only measure the benefits of energy storage participating in various services, but also give full play to the role of energy storage and improve the benefits of wind storage joint operation.

energy storage system; wind power generator; tracking wind power schedule output; secondary frequency regulation

10.12096/j.2096-4528.pgt.19161

TK 82

2019-09-26。

江蘇省六大人才高峰項目(2015-ZNDW-003)。

Project Supported bySix Talents Summit in Jiangsu Province (2015-ZNDW-003).

匡生(1992)，男，碩士研究生，研究方向為儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制及經(jīng)濟(jì)性評估，kuangpusheng@ hotmail.com；

匡生

王蓓蓓(1979)，女，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力市場與電力需求側(cè)管理，wangbeibei@seu.edu.cn。

王蓓蓓

(責(zé)任編輯 尚彩娟)