CN106786689A - 一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对储能系统配置容量与电池寿命衰减程度、风电并网需求偏差的制约关系，提出了一种计及储能运行和惩罚成本的储能系统容量优化方法，其特点是，包括不同循环充放电对锂电池寿命影响即衰减系数计算、不同电池储能容量配置的运行成本计算、不同电池储能容量配置的惩罚成本计算等内容，该方法综合考虑系统运行成本和惩罚成本等因素，以储能系统成本最低为目标,为储能容量配置提出有效策略。具有方法科学合理，适用性强，效果佳，能够使储能系统实现最优容量配置，而总成本低等优点。

Description

一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，是一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法。

背景技术

近年来，风力发电以其无污染、一次能源可永久续用等优点得到了迅速的发展，截止到2015年底，全球风电累计装机容量已经达到369.553GW，但由于风电功率具有随机性、间歇性和不可准确预测性，大规模风电并网严重威胁电力系统的安全和稳定运行，限制了对风能这种绿色能源的有效利用。电池储能技术可实现风电功率的时空平移被认为是提高电网接纳风电能力的有效手段。但是由于当前技术因素的限制，电池造价一直很高，使得风电场用储能系统的成本居高不下，因此如何使储能系统配置容量达到最优，从而降低储能系统成本已成为当前的研究热点，国内外已有很多学者在该方面进行了积极的探索。

其中，以削峰填谷和平滑负荷为控制目标，研究了不同负荷特性优化与储能容量最优配置的关系；提出了匹配风电接纳可行域的储能系统控制方法以提高电网风电接纳，简单分析了储能系统的成本与收益；针对储能电池频繁充电的问题，提出了一种计算储能电池寿命衰减程度的方法。现有技术虽然从不同角度对储能系统容量配置进行优化，但是均未虑及储能系统的运行成本及未满足调度要求功率时的惩罚成本。迄今未见计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种科学合理，适用性强，效果佳，能够使储能系统实现最优容量配置，而总成本低的计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法，

解决其技术问题所采用的技术方案是：一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)不同循环充放电深度对锂电池寿命的衰减系数计算

电池充放电深度定义为电池在一定时间间隔内充放电电量与电池的实际容量的比值，以锂电池为研究对象，在实验条件下对锂电池进行不同充放电循环深度下进行充放电实验，得出了不同充放电循环深度与最大充放电次数的关系，在此基础上，电池存储和释放电能总量的式(1)为：

E_b(x)＝N_B|ΔSOC＝xE_Nx (1)

其中，x为电池充放电深度大小；N_B|ΔSOC＝x为充放电循环深度为x时电池最大的循环次数；E_N为电池的额定容量；

将电池所能吞吐电量的最大值定义为其标准电量E_b，则其对应的充电电循环深度为标准充放电循环深度ΔSOC_b，为了描述锂电池运行在不同充放电深度下对其寿命衰减程度的影响分析，引入了锂电池寿命衰减系数μ的概念，电池寿命衰减系数μ即为锂电池寿命周期内在不同充放电深度下所能吞吐电量E_m|ΔSOC＝x与锂电池寿命周期内吞吐的标准电量E_b的比值式(2)为：

锂电池充放电循环深度ΔSOC在0～0.05区间，充放电转换频繁给电池寿命衰减效应增加与电池过放带来电池寿命的衰减效应增加的交互作用给电池寿命衰减带来的影响程度最大；锂电池的充放电循环深度ΔSOC在0.05～0.95区间，随着电池充放电深度增加，充放电转换对电寿命衰减效应减少与过度放电对电池寿命带来的衰减效应也随之减小，其对电池寿命衰减带来的不利影响减小；μ综合反映了充放电转换对电池寿命衰减的影响程度；

2)应用于风力发电的锂电池寿命衰减程度计算

针对电池储能处于风力发电接入的场景时，电池储能会存在充放电频繁转换的状态，对其运行性能评价较困难，采用ΔSOC对电池分区统计充放电次数方法对电池储能完成吞吐任务过程处于某个充放电循环深度区域的充放电次数进行概率统计，并通过电池储能运行优化指标进行评价，

为了定量分析ΔSOC每个区域的充放电电量对电池寿命衰减程度的影响，引入了等效充放电循环深度ΔSOC_eq和等效寿命衰减系数μ_eq的概念，

根据ΔSOC分区统计电池充放电循环次数及电量的方法得到每个区域的电量(E_c(k)-E_d(k))与充放电次数(N_c(k)+N_d(k))，将其比值作为每个ΔSOC区域内的每次充放电电量的均值，则等效充放电循环深度ΔSOC_eq定义为该区域内每次充放电电量的均值与储能电池的额定容量比值，将每个区域的等效充放电深度ΔSOC_eq(k)代入电池寿命衰减系数的计算公式得到该区域电池等效寿命衰减系数μ_eq(k)，其表达式(3)为：

根据统计的每个区域的电量(E_c(k)-E_d(k))与该区域的等效寿命衰减系数μ_eq(k)乘积与锂电池寿命周期内吞吐标准电量E_b比值得到该区域电池寿命的衰减程度L_LS(k)，并将每个区域L_LS(k)进行累加得到锂电池电池吞吐功率对其寿命衰减程度L_LS,其计算式(4)为：

3)运行成本计算

由于电池储能容量配置不同时，投资成本不同且电池储能寿命衰减程度不同，会造成系统运行过程的成本也不同。运行成本Y_LS(c)就是电池储能配置不同容量时的投资成本Y_B(c)与电池储能运行寿命衰减程度L_LS(c)的乘积，计算式(5)为：

Y_LS(c)＝Y_B(c)×L_LS(c) (5)

4)惩罚成本计算

由于电池本身最大功率和最大容量的约束，造成电池储能实际运行功率与参考功率缺额功率也会不同，从而使的不同容量的电池对应着不同的缺额电量与浪费电量，

缺额电量主要分为两大部分，一是储能系统放电最大功率限制只能以最大功率放电；另一部分指容量限制其释放电量的最大值只能为储能容量值。缺额电量的计算式(6)为：

其中，

浪费电量主要包括两部分，一是储能系统最大充电功率限制只能以该值充电；另一部分是指电池容量值限制其在储能系统内容量达到最大值无法继续充电，浪费电量的计算式(7)为：

其中，

用市电的价格来制定惩罚电量单位成本x，浪费电量惩罚电量单位成本为y，按照式(8)对配置不同容量的电池储能缺额电量Q和浪费电量L进行计算得到惩罚成本Y_z(c)，

Y_z(c)＝x×Q(c)+y×L(c) (8)

则风储联合系统的总的运行成本计算式(9)为：

Y_T(c)＝aY_LS(c)+bY_Z(c) (9)

当总成本Y_T(c)最小时所对应的电池储能的容量就是电池储能配置的最优量。

本发明的一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法，针对电池应用于平抑风电接入电网的功率波动场景，首先提出了电池储能寿命衰减程度的评估方法，然后分析了储能系统配置容量与电池寿命衰减程度、风电并网需求偏差的制约关系，进而建立了计及储能系统运行成本和惩罚成本的储能容量优化配置评价指标，确定了一种应用于平抑风电接入电网的功率波动场景的储能系统容量优化配置方法，最后通过算例分析验证了所提方法的正确性与可行性。具有方法科学合理，适用性强，效果佳，能够使储能系统实现最优容量配置，而总成本低等优点。

附图说明

图1充放电循环深度与电池充放电总量关系图；

图2锂电池运行在某充电深度SOC时对其寿命衰减影响程度曲线图；

图3电池配置不同容量与电池寿命衰减程度的关系曲线图；

图4储能电池容量与运行成本之间的关系曲线图；

图5储能电池容量与惩罚成本之间的关系曲线图；

图6储能系统总成本与储能容量之间的关系曲线图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明的一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法作进一步说明。

本发明的一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法，包括以下步骤：

1)不同循环充放电深度对锂电池寿命的衰减系数计算

电池充放电深度定义为电池在一定时间间隔内充放电电量与电池的实际容量的比值，以锂电池为研究对象，在实验条件下对锂电池进行不同充放电循环深度下进行充放电实验，得出了不同充放电循环深度与最大充放电次数的关系，在此基础上，电池存储和释放电能总量的式(1)为：

E_b(x)＝N_B|ΔSOC＝xE_Nx (1)

其中，x为电池充放电深度大小；N_B|ΔSOC＝x为充放电循环深度为x时电池最大的循环次数；E_N为电池的额定容量。

见图1，当电池的额定功率是10kWh时，电池所能吞吐的电量E_b(x)与充放电循环深度新的关系。

将电池所能吞吐电量的最大值定义为其标准电量E_b，则其对应的充电电循环深度为标准充放电循环深度ΔSOC_b，为了描述锂电池运行在不同充放电深度下对其寿命衰减程度的影响分析，引入了锂电池寿命衰减系数μ的概念，电池寿命衰减系数μ即为锂电池寿命周期内在不同充放电深度下所能吞吐电量E_m|ΔSOC＝x与锂电池寿命周期内吞吐的标准电量E_b的比值式(2)为：

见图2，根据锂电池实际运行数据，按照式(2)得到锂电池运行在不同充放电循环深度ΔSOC区间的寿命衰减曲线。

锂电池充放电循环深度ΔSOC在0～0.05区间，充放电转换频繁给电池寿命衰减效应增加与电池过放带来电池寿命的衰减效应增加的交互作用给电池寿命衰减带来的影响程度最大；锂电池的充放电循环深度ΔSOC在0.05～0.95区间，随着电池充放电深度增加，充放电转换对电寿命衰减效应减少与过度放电对电池寿命带来的衰减效应也随之减小，其对电池寿命衰减带来的不利影响减小；μ综合反映了充放电转换对电池寿命衰减的影响程度；

2)应用于风力发电的锂电池寿命衰减程度计算

针对电池储能处于风力发电接入的场景时，电池储能会存在充放电频繁转换的状态，对其运行性能评价较困难，采用ΔSOC对电池分区统计充放电次数方法对电池储能完成吞吐任务过程处于某个充放电循环深度区域的充放电次数进行概率统计，并通过电池储能运行优化指标进行评价，

为了定量分析ΔSOC每个区域的充放电电量对电池寿命衰减程度的影响，引入了等效充放电循环深度ΔSOC_eq和等效寿命衰减系数μ_eq的概念，

根据ΔSOC分区统计电池充放电循环次数及电量的方法得到每个区域的电量(E_c(k)-E_d(k))与充放电次数(N_c(k)+N_d(k))，将其比值作为每个ΔSOC区域内的每次充放电电量的均值，则等效充放电循环深度ΔSOC_eq定义为该区域内每次充放电电量的均值与储能电池的额定容量比值，将每个区域的等效充放电深度ΔSOC_eq(k)代入电池寿命衰减系数的计算公式得到该区域电池等效寿命衰减系数μ_eq(k)，其表达式(3)为：

根据统计的每个区域的电量(E_c(k)-E_d(k))与该区域的等效寿命衰减系数μ_eq(k)乘积与锂电池寿命周期内吞吐标准电量E_b比值得到该区域电池寿命的衰减程度L_LS(k)，并将每个区域L_LS(k)进行累加得到锂电池电池吞吐功率对其寿命衰减程度L_LS,其计算式(4)为：

电池储能按照一个目标参考功率运行，由于电池储能配置不同容量E_c时，电池本身功率和容量的约束值不同，其寿命衰减程度也不同。假设电池本身功率与容量的约束为电池以最大功率充放电，能在0.5个小时内完成充放电。见图3，基于洮南风电场一个月的风电运行数据，其配置不同的储能容量时，其电池配置不同容量与电池寿命衰减程度的关系曲线。

3)运行成本计算

由于电池储能容量配置不同时，投资成本不同且电池储能寿命衰减程度不同，会造成系统运行过程的成本也不同。运行成本Y_LS(c)就是电池储能配置不同容量时的投资成本Y_B(c)与电池储能运行寿命衰减程度L_LS(c)的乘积，计算式(5)为：

Y_LS(c)＝Y_B(c)×L_LS(c) (5)

4)惩罚成本计算

由于电池本身最大功率和最大容量的约束，造成电池储能实际运行功率与参考功率缺额功率也会不同，从而使的不同容量的电池对应着不同的缺额电量与浪费电量，

缺额电量主要分为两大部分，一是储能系统放电最大功率限制只能以最大功率放电；另一部分指容量限制其释放电量的最大值只能为储能容量值。缺额电量的计算式(6)为：

其中，

浪费电量主要包括两部分，一是储能系统最大充电功率限制只能以该值充电；另一部分是指电池容量值限制其在储能系统内容量达到最大值无法继续充电，浪费电量的计算式(7)为：

其中，

用市电的价格来制定惩罚电量单位成本x，浪费电量惩罚电量单位成本为y，按照式(8)对配置不同容量的电池储能缺额电量Q和浪费电量L进行计算得到惩罚成本Y_z(c)，

Y_z(c)＝x×Q(c)+y×L(c) (8)

则风储联合系统的总的运行成本计算式(9)为：

Y_T(c)＝aY_LS(c)+bY_Z(c) (9)

当总成本Y_T(c)最小时所对应的电池储能的容量就是电池储能配置的最优量。

具体实施方式的计算条件说明如下：

(1)以东北地区某风电场一个月运行数据为基础，该风电场含有58台850KW的机组，数据采样间隔为10s；

(2)假设电池在寿命周期内充放电容量基本保持不变，电池以最大功率充放电可在0.5个小时内完成完全充放电，电池的充电、放电效率均为0.8；

(3)锂电池储能配置不同容量的容量成本Y_B(c),本文选择以5000元/KWh来进行计算；

(4)根据市电的价格制定因缺额电量带来的惩罚电量单位成本x＝700/MWh，浪费电量单位成本y＝400/MWh。

计算包括以下步骤：

1.不同储能容量电池的运行成本计算

风储联合发电系统预期目标功率为风电历史数据的分段平均值，时间尺度选择为1小时。当电池储能配置不同容量时，按照电池储能运行成本的方法根据式(3),式(4)和式(5)对电池储能运行成本进行计算。见图4，储能电池容量与运行成本之间的关系为：当电池储能容量配置越大时，电池储能容量成本和电池运行寿命衰减程度共同作用导致的风储系统运行成本越大。其关系基本为线性关系，说明风储系统电池容量大小的成本占总成本很大的比例。

2.不同储能容量电池的惩罚成本计算

见图5，储能电池容量与惩罚成本之间的关系为：按照电池储能惩罚成本的方法根据公式(6),式(7)和式(8)对电池储能惩罚成本进行计算，当储能电池容量小于40KWh时，电池缺额电量与浪费电量带来的惩罚成本随着储能电池容量的增加呈现出指数次的下降，当大于40KWh时，其成本基本不变。

3.不同储能容量电池的总成本计算

见图6，不同储能容量与总成本之间的关系为：电池储能容量小于40KWh时，随着储能容量增加的越大，储能总成本减小的越大，当储能容量大于40KWh时，随着储能容量的增加，储能成本缓慢增长，所以，该风电场配置40KWh的储能装置时，其成本最小，收益最大。

本发明实施例中的计算条件、图例等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种计及运行和惩罚成本的储能容量优化配置方法，其特征是:在配置储能容量时将运行成本和惩罚成本因素计算在内；它包括以下步骤：

1)不同循环充放电深度对锂电池寿命的衰减系数计算

电池充放电深度定义为电池在一定时间间隔内充放电电量与电池的实际容量的比值，以锂电池为研究对象，在实验条件下对锂电池进行不同充放电循环深度下进行充放电实验，得出了不同充放电循环深度与最大充放电次数的关系，在此基础上，电池存储和释放电能总量的式(1)为：

E_b(x)＝N_B|ΔSOC＝xE_Nx (1)

其中，x为电池充放电深度大小；N_B|ΔSOC＝x为充放电循环深度为x时电池最大的循环次数；E_N为电池的额定容量；

将电池所能吞吐电量的最大值定义为其标准电量E_b，则其对应的充电电循环深度为标准充放电循环深度ΔSOC_b，为了描述锂电池运行在不同充放电深度下对其寿命衰减程度的影响分析，引入了锂电池寿命衰减系数μ的概念，电池寿命衰减系数μ即为锂电池寿命周期内在不同充放电深度下所能吞吐电量E_m|ΔSOC＝x与锂电池寿命周期内吞吐的标准电量E_b的比值式(2)为：

$\mathrm{\μ}\left(x\right)=\frac{E_b}{E_{m|\mathrm{\Δ}SOC=x}}---\left(2\right)$

锂电池充放电循环深度ΔSOC在0～0.05区间，充放电转换频繁给电池寿命衰减效应增加与电池过放带来电池寿命的衰减效应增加的交互作用给电池寿命衰减带来的影响程度最大；锂电池的充放电循环深度ΔSOC在0.05～0.95区间，随着电池充放电深度增加，充放电转换对电寿命衰减效应减少与过度放电对电池寿命带来的衰减效应也随之减小，其对电池寿命衰减带来的不利影响减小；μ综合反映了充放电转换对电池寿命衰减的影响程度；

2)应用于风力发电的锂电池寿命衰减程度计算

针对电池储能处于风力发电接入的场景时，电池储能会存在充放电频繁转换的状态，对其运行性能评价较困难，采用ΔSOC对电池分区统计充放电次数方法对电池储能完成吞吐任务过程处于某个充放电循环深度区域的充放电次数进行概率统计，并通过电池储能运行优化指标进行评价，

为了定量分析ΔSOC每个区域的充放电电量对电池寿命衰减程度的影响，引入了等效充放电循环深度ΔSOC_eq和等效寿命衰减系数μ_eq的概念，

根据ΔSOC分区统计电池充放电循环次数及电量的方法得到每个区域的电量(E_c(k)-E_d(k))与充放电次数(N_c(k)+N_d(k))，将其比值作为每个ΔSOC区域内的每次充放电电量的均值，则等效充放电循环深度ΔSOC_eq定义为该区域内每次充放电电量的均值与储能电池的额定容量比值，将每个区域的等效充放电深度ΔSOC_eq(k)代入电池寿命衰减系数的计算公式得到该区域电池等效寿命衰减系数μ_eq(k)，其表达式(3)为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔSOC}}_{eq}\left(k\right)=\frac{E_c\left(k\right)-E_d\left(k\right)}{\left(N_c\right(k)+N_d(k\left)\right)\×E}\\ {\mathrm{\μ}}_{eq}\left(k\right)=\mathrm{\μ}\left({\mathrm{\ΔSOC}}_{eq}\right(k\left)\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据统计的每个区域的电量(E_c(k)-E_d(k))与该区域的等效寿命衰减系数μ_eq(k)乘积与锂电池寿命周期内吞吐标准电量E_b比值得到该区域电池寿命的衰减程度L_LS(k)，并将每个区域L_LS(k)进行累加得到锂电池电池吞吐功率对其寿命衰减程度L_LS,其计算式(4)为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_{LS}\left(k\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_{eq}\left(k\right)\×\left(E_c\right(k)-E_d(k\left)\right)}{E_b}\\ L_{LS}=\underset{k=1}{\overset{1/d}{\Σ}}{L}_{LS}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

3)运行成本计算

由于电池储能容量配置不同时，投资成本不同且电池储能寿命衰减程度不同，会造成系统运行过程的成本也不同。运行成本Y_LS(c)就是电池储能配置不同容量时的投资成本Y_B(c)与电池储能运行寿命衰减程度L_LS(c)的乘积，计算式(5)为：

Y_LS(c)＝Y_B(c)×L_LS(c) (5)

4)惩罚成本计算

由于电池本身最大功率和最大容量的约束，造成电池储能实际运行功率与参考功率缺额功率也会不同，从而使的不同容量的电池对应着不同的缺额电量与浪费电量，

缺额电量主要分为两大部分，一是储能系统放电最大功率限制只能以最大功率放电；另一部分指容量限制其释放电量的最大值只能为储能容量值。缺额电量的计算式(6)为：

$Q=\underset{r=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_1\left(\right|\mathrm{\Δ}P\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}t|-P_{bd\max }\·\mathrm{\Δ}t)+\underset{r=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_2\[|P_{bd}\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}t|-\left(C_b\right(t-1)-C_{b\min })\]---\left(6\right)$

其中，

浪费电量主要包括两部分，一是储能系统最大充电功率限制只能以该值充电；另一部分是指电池容量值限制其在储能系统内容量达到最大值无法继续充电，浪费电量的计算式(7)为：

$L=\underset{r=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_1\left(\mathrm{\Δ}P\right(t)\·\mathrm{\Δ}t-P_{bcmax}\·\mathrm{\Δ}t)+\underset{r=1}{\overset{n}{\Σ}}{S}_2\[P_{bc}\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}t-(C_{bmax}-C_b(t-1\left)\right)\]---\left(7\right)$

其中，

用市电的价格来制定惩罚电量单位成本x，浪费电量惩罚电量单位成本为y，按照式(8)对配置不同容量的电池储能缺额电量Q和浪费电量L进行计算得到惩罚成本Y_z(c)，

Y_z(c)＝x×Q(c)+y×L(c) (8)

则风储联合系统的总的运行成本计算式(9)为：

Y_T(c)＝aY_LS(c)+bY_Z(c) (9)

当总成本Y_T(c)最小时所对应的电池储能的容量就是电池储能配置的最优量。