CN110210709B - 一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及参与电网调频的储能电站调频功率调度分配方法，具体为一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度方法。本发明提供了一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度分配策略，将辅助服务市场中涉及的出清价格与调度策略相结合，实现在调度过程中按照各调频资源的成本调度。该方法不仅可以降低承担AGC指令的各储能电站总运行成本，还有利于均衡各电站在辅助服务市场中的SOC状态，并延长其运行时间，有助于电站厘清其参与调频的动态成本，并以市场化方法激励其公平、合理参与调频辅助服务市场。

Description

一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度 方法

技术领域

本发明涉及参与电网调频的储能电站调频功率调度分配方法，具体为一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度方法，该方法包括在调频辅助服务市场中，建立储能电站的寿命衰减模型，引入容量均衡因子的竞价方法，并设计参与自动发电控制(automatic generation control，AGC)指令的调度策略。

技术背景

以风电、光伏为代表的可再生能源具有低惯性、高随机性特性，大规模并网运行会对电网的频率稳定性带来巨大压力。尤其是当含高比例可再生能源电网面对严重扰动时，传统调频资源因其响应速度慢、调节精度差等特点将难以满足调频需求，调频能力问题已成为电网消纳可再生能源的主要制约因素之一。目前通过引入具有调节速度快、精度高、瞬时吞吐能力大的储能系统作为新型调频资源，可缓解可再生能源并网瓶颈。

然而，不同于传统机组特性，储能电站执行AGC指令频繁向上、向下调节，存在以下三个问题亟需解决：

1)各储能电站的实际可运行寿命低于其预期寿命，需量化储能调频的动态成本，建立均摊到每个控制周期的储能调频成本与调频容量的关系。

2)各储能执行AGC指令易受其荷电状态(State of Charge，SOC)限制，需设计储能容量均衡的竞价策略，尽可能使各电站SOC保持在中值左右，具有较为充足的向上、向下调频容量。

3)传统的对储能电站调频功率的调度方法未能实现调频总成本最小的调度，从社会效益最大化角度考虑，需设计能够减小调频指令总成本的调度策略。

综上，本发明建立计及储能寿命衰减的电站调频成本模型，并设计容量均衡因子的竞价策略，确定储能电站之间调频功率的调度分配策略，对于鼓励储能电站以公平、合理、可持续盈利投入到调频竞价市场起到了基础性、支撑性的作用，对于提高储能调频性能和经济性是非常重要的。

发明内容

本发明解决了储能电站在参与电力系统调频过程中，对AGC指令的调度分配问题。

该发明采用如下技术方案实现的：一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度方法，包括以下步骤：

S1：建立储能电站调频寿命衰减的成本模型：各储能电站折损成本表示为关于其投标容量的动态容量成本及动态里程成本，

式中:

与

分别为储能电站i折损成本、动态容量成本和动态里程成本；其中储能电站的动态容量成本包括储能电站提供调频而不能参与能量市场获利而损失的机会成本

和储能电站的能量容量投资成本分解至每个控制周期的折旧货币估值

储能电站的动态里程成本包括储能持续充放电造成的一个控制周期内能量损失成本

和储能放电深度造成的循环寿命衰减成本

S2：针对储能电站应用于调频工况的实际，设计其成本的简化模型：简化1：在每个控制周期，仅以预测峰值负荷时刻对应的调频需求计算各电站边际报价；简化2：计算储能电站能量损耗成本时，由于以相同投标容量进行充放电，其放电损耗始终比充电损耗大，因此在控制周期假设储能电站承担持续放电指令计算其能量损失；简化3：调频指令具有频繁性和不可预测性，假设在控制周期内储能电站始终以最大调频需求中标的投标容量进行充、放电用以计算其寿命衰减成本；简化4：各电站中标指令方向与上一时刻保持相反，即以折返条件进行充放电的寿命损耗最大，因此，储能电站在相邻周期始终以折返条件计算寿命损耗成本；

S3：设计考虑储能容量均衡的报价策略：储能电站i的报价

式中

为综合利润率，其决策目标为容量均衡因子m_soc,i，

为根据步骤S2简化后的折损成本；

S4：提出采用等边际报价的储能电站调频功率的调度分配策略：以每个控制周期总调频成本最小建立目标函数

和约束条件s.t:

在每个控制周期时段，以最大调频需求对应的储能电站i投标容量

作为优化目标，采用含不等约束条件极值的拉格朗日数乘法，按等边际报价的原则调度各储能电站，建立拉格朗日函数

式中λ为拉格朗日乘数，因函数中含有不等式约束，需采用KKT条件对其求解，计算可得，

其中

λ_i为第i个储能电站的边际报价，调度按等边际报价调度，λ₁＝…λ_i＝…λ_n，并满足出清各储能在控制周期最大调频需求时的容量，

出清结果分别用出清价格

及出清容量

表示，电网调度在各控制周期，按照上述出清价格及各电站出清容量调度各储能电站执行调频指令，并在执行完运行日指令后，按照该出清价格给予各储能电站出清。

本发明建立了适用于调频运行工况的储能电站寿命衰减简化模型，实现将储能成本均摊到每个控制周期，得出储能成本与出清调频容量之间的关系；设计了储能竞价的容量均衡因子报价策略，减少储能电站调频指令受SOC限制的情况发生，实现延长电站运行时间的目的；综合前述成本模型及竞价策略，提出采用等边际报价的储能电站调频功率的调度分配策略，采用该方法，可实现在辅助服务市场中各储能电站实时功率的最优分配。

附图说明

图1为容量均衡因子和SOC的关系图。

具体实施方式

一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度方法，包括以下步骤：

S1：建立储能电站调频寿命衰减的成本模型。储能电站的寿命受其运行方式影响较大，将其应用在需频繁调节出力的调频工况，可能会对电池的寿命产生折损，甚至缩短其服役年限。倘若不将该因素纳入控制决策范畴予以考虑，将可能导致对储能经济性的过高评估，不利于其按计划收回成本并盈利。因此，将储能电站i折损成本表示为关于其投标容量的动态容量成本及动态里程成本，如式(1)

式中:

与

分别为储能电站i折损成本、动态容量成本和动态里程成本。

1)储能电站的容量成本建模

储能电站的动态容量成本包括：1)储能电站提供调频而不能参与能量市场获利而损失的机会成本

2)储能电站的能量容量投资成本分解至每个控制周期的折旧货币估值

式中，S_profit,max为能量市场的最大单位利润，

△T分别表示储能电站i投标容量和控制周期。式(4)为工作量法计算的控制周期能量容量投资成本，c_e,i、E_capinv,i表示储能电站i的单位容量成本及其能量容量，r为折现率，T_float是储能浮充寿命。

2)储能电站的动态里程成本

动态里程成本

包括：a)储能电站持续充放电造成的一个控制周期内能量损失成本

b)储能电站放电深度造成的循环寿命衰减成本

a)能量损失成本计算

进入实时调度后，将每个控制周期(15min)按指令分辨率分为180个指令周期△t(每个周期5s)。则指令周期内的能量损失成本如式(6)、(7)，η_i为储能的充放电效率，

分别表示储能电站i在指令周期△t时间内向上、向下调节产生的能量损耗。在控制周期内，根据指令状态累加其和，可得式(5)中的能量损失成本

b)循环寿命衰减成本建模及计算

不同于具有固定日历寿命的传统机组，储能电站的日历寿命T_calendar由浮充寿命T_cycle和循环寿命T_float的较小值确定，由于储能电站在调频工况中折返频繁、放电深度可能较大，因此，在调频工况条件储能电站的浮充寿命不短于其循环寿命。

设N_life,i为放电深度为d_cycle,i的储能电站循环次数，可由幂函数拟合得到，如式(8)

N_life,i＝N₀·(d_cycle,i)^-kp (8)

式中，N₀为储能电站以100％放电深度充放电时的等效循环次数，kp为拟合得到的储能特性参数。由于计算衰减成本的关键是将不同放电深度的充放电循环均折算为等效的100％放电深度循环，因此根据式(8)得储能等效全循环次数N_eq如式(9)。

N_eq＝(d_cycle,i)^kp (9)

对于指令周期k，在k～k+1区间即是一个循环半周期，则在该区间的放电深度d_cycle,k,i(下文简记d_k,i为储能i在指令周期k的放电深度)为式(10)

d_k,i＝|Soc_k+1,i-Soc_k,i| (10)

计

为储能电站i的功率投资成本，由(9)、(10)得该半周期的寿命衰减成本为

将该循环半周期的寿命衰减分解至每个控制周期，因储能在任一指令周期无法预知将要执行的指令方向，采用双向投标策略。向充电市场投标时，如式(12)、(13)；向放电市场投标时，意味着储能在k时刻发生了折返，k时刻成为了新的循环周期起点，如式(14)。因任一指令周期均只存在一个市场被执行，故仅有一个投标有效。

S2：针对储能电站应用于调频工况的实际，设计其成本的简化模型。在控制周期15min中，考虑到调频工况的具体特征：

1)若每个指令周期(5s)都进行成本核算、投标出清，则现有的上下行通信、指令时延、计量灵敏度难以满足响应要求。

2)按边际成本的竞价需将预估的储能控制周期成本留有一定冗余，避免低估其里程成本导致的报价结清价低，产生亏损。

因此，针对1)特征做出简化1：在每个控制周期，仅以预测峰值负荷时刻对应的调频需求计算各电站边际报价。

针对2)特征，在控制周期(15min)共计180个指令周期的储能里程成本均摊时，做出简化2～简化4：

简化2：计算储能能量损失成本时，由于以相同投标功率

进行充放电，如式(6)、(7)，其放电损耗始终比充电损耗大。因此在控制周期假设储能承担持续放电指令计算其能量损失如式(15)。

简化3：调频指令具有频繁性和不可预测性，假设在15min内储能始终以最大调频需求中标的投标容量

进行充、放电用以计算其寿命衰减成本。

简化4：针对式(12～14)，满足kp∈(1.1～2.2)的情形下，存在放电寿命损耗始终大于充电寿命损耗。不失一般性，得出结论：各电站中标指令方向与上一时刻保持相反，即以折返条件进行充放电的寿命损耗最大。因此，储能在相邻周期始终以折返条件计算寿命损耗成本，如式(14)。

将式(14)、(15)代入公式(5)，即可获得简化后的储能电站的里程成本表达式，

由于容量成本中，储能的折旧货币估值与出清容量无关为固定值，因此其里程成本可反映储能电站成本动态变化。

S3：设计考虑储能容量均衡的报价策略：假设储能辅助服务市场中无市场力，为保证储能的收益率，在各储能电站报价中增加合理的利润率

而储能利润和其SOC状态密切相关，引入容量均衡因子m_soc,i，m_soc,i和SOC的关系如图1所示，当储能分别向下调频市场、向上调频市场投标时，m_soc,i分别对应图中黑实线、点划线。

当储能投标向下调频市场时，若储能SOC小于电池电量较小值

充电功率需求为正，其倾向于充电，为获得较多中标容量便于其SOC尽快回归中值，选择较小的m_soc,i。若储能SOC大于电池电量较大值

时，放电功率需求为正，为避免储能SOC达到电池电量最大值

导致受限无法充电，选择较大m_soc,i使其获得较少中标容量，当储能投标向上调频市场时，情况与之类似，m_soc,i取值如式(16)所示。

则储能电站i的报价

如式(17)，式中

为综合利润率，其决策目标为容量均衡因子m_soc,i，

为根据步骤S2简化后的折损成本，需要说明的是在日前市场及时前预出清阶段，计m_soc,i为0，不予考虑。

S4：提出采用等边际报价的储能电站调频功率的调度分配策略。基于前述分析，以每个控制周期总调频成本最小建立目标函数和约束条件如式(18)，作为调度分配目标

其中

由式(1)～(17)计算，在每个控制周期时段，以最大调频需求对应的各储能电站投标容量

作为优化目标，采用含不等约束条件极值的拉格朗日数乘法，按等边际报价的原则调度各储能电站。对该问题建立拉格朗日函数如式(19)，式中λ为拉格朗日乘数。

因式(19)含有不等式约束，需采用KKT条件对其求解，计算可得，

其中

λ_i为第i个储能电站的边际报价，调度按等边际报价调度。

按照等边际报价如式(21)并满足(22)出清各储能在控制周期最大调频需求时的容量，出清结果分别用出清价格

及出清容量

表示。

λ₁＝…λ_i＝…λ_n (21)

电网调度在各控制周期，按照上述出清价格及各电站出清容量调度各储能电站执行调频指令，并在执行完运行日指令后，按照该出清价格给予各储能电站出清。

储能电站作为独立的市场主体参与电网调频，是运用市场化手段缓解新能源接入比例不断提高后，系统调频能力不足的有效手段之一，其赋予了电网更多快速响应、灵活有效的调频应对策略。

本发明提供了一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度分配策略，将辅助服务市场中涉及的出清价格与调度策略相结合，实现在调度过程中按照各调频资源的成本调度。该方法不仅可以降低承担AGC指令的各储能电站总运行成本，还有利于均衡各电站在辅助服务市场中的SOC状态，并延长其运行时间，有助于电站厘清其参与调频的动态成本，并以市场化方法激励其公平、合理参与调频辅助服务市场。

Claims (1)

1.一种计及储能电站寿命衰减及容量均衡竞价的调频指令调度方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：建立储能电站调频寿命衰减的成本模型：各储能电站折损成本表示为关于其投标容量的动态容量成本及动态里程成本，

式中:

与

分别为储能电站i折损成本、动态容量成本和动态里程成本；其中储能电站的动态容量成本包括储能电站提供调频而不能参与能量市场获利而损失的机会成本

和储能电站的能量容量投资成本分解至每个控制周期的折旧货币估值

式中，S_profit,max为能量市场的最大单位利润，

ΔT分别表示储能电站i投标容量和控制周期，c_e,i、E_capinv,i表示储能电站i的单位容量成本及其能量容量，r为折现率，T_float是储能浮充寿命；

储能电站的动态里程成本包括储能持续充放电造成的一个控制周期内能量损失成本

和储能放电深度造成的循环寿命衰减成本

即

能量损失成本计算过程为：进入实时调度后，将每个控制周期按指令分辨率分为180个指令周期Δt，则指令周期内的能量损失成本如式

式中，η_i为储能的充放电效率，

分别表示储能电站i在指令周期Δt时间内向上、向下调节产生的能量损耗，在控制周期内，根据指令状态累加其和，可得能量损失成本

循环寿命衰减成本建模及计算过程为：设N_life,i为放电深度为d_cycle,i的储能电站循环次数，可由幂函数拟合得到，N_life,i＝N₀·(d_cycle,i)^-kp，式中，N₀为储能电站以100％放电深度充放电时的等效循环次数，kp为拟合得到的储能特性参数，由于计算衰减成本的关键是将不同放电深度的充放电循环均折算为等效的100％放电深度循环，因此根据上式得储能等效全循环次数N_eq，N_eq＝(d_cycle,i)^kp，对于指令周期k，在k～k+1区间即是一个循环半周期，则在该区间的放电深度d_k,i，d_k,i＝|Soc_k+1,i-Soc_k,i|，计

为储能电站i的功率投资成本，该半周期的寿命衰减成本为

将该循环半周期的寿命衰减分解至每个控制周期，因储能在任一指令周期无法预知将要执行的指令方向，采用双向投标策略，向充电市场投标时，

向放电市场投标时，意味着储能在k时刻发生了折返，k时刻成为了新的循环周期起点，

因任一指令周期均只存在一个市场被执行，故仅有一个投标有效；

S2：针对储能电站应用于调频工况的实际，设计其成本的简化模型：简化1：在每个控制周期，仅以预测峰值负荷时刻对应的调频需求计算各电站边际报价；简化2：计算储能电站能量损耗成本时，由于以相同投标容量进行充放电，其放电损耗始终比充电损耗大，因此在控制周期假设储能电站承担持续放电指令计算其能量损失；简化3：调频指令具有频繁性和不可预测性，假设在控制周期内储能电站始终以最大调频需求中标的投标容量进行充、放电用以计算其寿命衰减成本；简化4：各电站中标指令方向与上一时刻保持相反，即以折返条件进行充放电的寿命损耗最大，因此，储能电站在相邻周期始终以折返条件计算寿命损耗成本；

S3：设计考虑储能容量均衡的报价策略：储能电站i的报价

式中

为综合利润率，其决策目标为容量均衡因子m_soc,i，

为根据步骤S2简化后的折损成本；

S4：提出采用等边际报价的储能电站调频功率的调度分配策略：以每个控制周期总调频成本最小建立目标函数

和约束条件

在每个控制周期时段，以最大调频需求对应的储能电站i投标容量

作为优化目标，采用含不等约束条件极值的拉格朗日数乘法，按等边际报价的原则调度各储能电站，建立拉格朗日函数

式中λ为拉格朗日乘数，因函数中含有不等式约束，采用KKT条件对其求解，计算可得，

其中

λ_i为第i个储能电站的边际报价，调度按等边际报价调度，λ₁＝λ_i＝λ_n，并满足出清各储能在控制周期最大调频需求时的容量，

出清结果分别用出清价格

及出清容量

表示，电网调度在各控制周期，按照上述出清价格及各电站出清容量调度各储能电站执行调频指令，并在执行完运行日指令后，按照该出清价格给予各储能电站出清。

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