CN111049198A - 考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法及系统 - Google Patents

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CN111049198A CN202010000808.5A CN202010000808A CN111049198A CN 111049198 A CN111049198 A CN 111049198A CN 202010000808 A CN202010000808 A CN 202010000808A CN 111049198 A CN111049198 A CN 111049198A
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Abstract

本发明公开了一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法及系统，包括：(1)调度中心由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体下发所述次日风电计划出力曲线；(2)风储联合体根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。本发明在实现风电消纳的同时，充分发挥储能系统快速调节功率的优势，优化风储联合运行，使得储能的荷电状态保持在较高的水平。

Description

考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法及系统
技术领域
本发明涉及电力技术，具体涉及一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法及系统。
背景技术
风电等可再生能源参与市场竞争，由于其固有的波动性和间歇性决定了其难以严格按照计划合同要求出力，从而在市场竞争环节中难以与传统能源直接竞争。因此风电场必须提升相关配套设施用以平滑风电出力，提高与合同计划出力的吻合度。储能技术的迅猛发展为风电场大规模并网参与市场竞争提供了可能。
目前对于风储联合运行均将储能系统作为风电场的一个附属子系统，此种接入方式使得储能电站难以作为一个独立的个体，从而无法让储能电站直接进行市场交易，因此在风储联合运行时，应将风电和储能作为两个市场参与实体进行研究。同时目前对于储能的研究也没有考虑储能系统的寿命折损以及参与调频服务时的性能，不利于全方面调用储能的能力。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法及系统。
技术方案：本发明所述的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法，包括：
(1)调度中心由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体下发所述次日风电计划出力曲线；
(2)风储联合体根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。
进一步的，步骤(2)中所述风储联合体的运行优化模型具体为：
Figure BDA0002353304810000011
其中，括号内相加项的第一项为风电和储能的功率输出，第二项为储能参与调频辅助服务，第三项为储能寿命的损耗情况，第四项为储能跟踪风电计划出力偏离程度；式中，t表示第t个时间段，T＝96,
Figure BDA0002353304810000021
为单位电能价格，
Figure BDA0002353304810000022
为风电场的输出功率，
Figure BDA0002353304810000023
为储能的放电功率，
Figure BDA0002353304810000024
为储能的充电功率，Δt为每隔时间段的持续时间，设定为0.25h，
Figure BDA0002353304810000025
为储能充电功率上限，
Figure BDA0002353304810000026
为储能放电功率上限，
Figure BDA0002353304810000027
为单位调频服务容量价格，
Figure BDA0002353304810000028
为单位调频服务里程价格，m为调频实际使用电量系数，
Figure BDA0002353304810000029
为储能上报参与向上调频功率，
Figure BDA00023533048100000210
储能上报参与向下调频功率，
Figure BDA00023533048100000222
为储能电池单位充放电电量的寿命损耗，λ(SOC(t))为寿命损耗系数，SOC(t)为储能的荷电状态，
Figure BDA00023533048100000211
为单位储能跟踪风电计划出力偏离惩罚系数，
Figure BDA00023533048100000212
为调度风电计划出力。
进一步的，所述风储联合体的运行优化模型的模型约束包括风电和储能功率约束和储能容量约束，其中：
所述风电和储能功率约束如下：
①风电最大出力约束：
Figure BDA00023533048100000213
式中，
Figure BDA00023533048100000214
为风电出力最大值；
②储能最大出力约束：
Figure BDA00023533048100000215
③储能充放电功率约束：
Figure BDA00023533048100000216
式中，
Figure BDA00023533048100000217
表示储能放电的0-1变量，
Figure BDA00023533048100000218
表示储能充电的0-1变量；
④储能参与调频时的功率约束
Figure BDA00023533048100000219
所述储能容量约束如下：
①周期始末蓄电池储能平衡约束：ET＝E0
式中，ET为储能运行周期结束后的电量，E0为储能运行周期开始时的电量；
②储能容量限制约束：
Figure BDA00023533048100000220
式中，Et为t时刻储能的剩余电量，E为储能的容量运行下限，
Figure BDA00023533048100000221
为储能的容量运行上限；
③储能电量约束：
Figure BDA0002353304810000031
式中，ηd为储能的放电效率，ηc为储能的充电效率，α为储能的自放电率；
④储能荷电状态与储能容量约束：SOC(t)＝Et/Emax
式中，Emax为储能系统容量；
⑤储能寿命折损系数约束：
Figure BDA0002353304810000032
本发明所述的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化系统包括：
调度中心端，用于由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体下发所述次日风电计划出力曲线；
风储联合体端，用于根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。
进一步的，所述风储联合体的运行优化模型具体为：
Figure BDA0002353304810000033
其中，括号内相加项的第一项为风电和储能的功率输出，第二项为储能参与调频辅助服务，第三项为储能寿命的损耗情况，第四项为储能跟踪风电计划出力偏离程度；式中，t表示第t个时间段，T＝96,
Figure BDA0002353304810000034
为单位电能价格，
Figure BDA0002353304810000035
为风电场的输出功率，
Figure BDA0002353304810000036
为储能的放电功率，
Figure BDA0002353304810000037
为储能的充电功率，Δt为每隔时间段的持续时间，设定为0.25h，
Figure BDA0002353304810000038
为储能充电功率上限，
Figure BDA0002353304810000039
为储能放电功率上限，
Figure BDA00023533048100000310
为单位调频服务容量价格，
Figure BDA00023533048100000311
为单位调频服务里程价格，m为调频实际使用电量系数，
Figure BDA00023533048100000312
为储能上报参与向上调频功率，
Figure BDA00023533048100000313
为储能上报参与向下调频功率，
Figure BDA00023533048100000314
为储能电池单位充放电电量的寿命损耗，λ(SOC(t))为寿命损耗系数，SOC(t)为储能的荷电状态，
Figure BDA00023533048100000315
为单位储能跟踪风电计划出力偏离惩罚系数，
Figure BDA00023533048100000316
为调度风电计划出力。
进一步的，所述风储联合体的运行优化模型的模型约束包括风电和储能功率约束和储能容量约束，其中：
所述风电和储能功率约束如下：
①风电最大出力约束：
Figure BDA0002353304810000041
式中，
Figure BDA0002353304810000042
为风电出力最大值；
②储能最大出力约束：
Figure BDA0002353304810000043
③储能充放电功率约束：
Figure BDA0002353304810000044
式中，
Figure BDA0002353304810000045
表示储能放电的0-1变量，
Figure BDA0002353304810000046
表示储能充电的0-1变量；
④储能参与调频时的功率约束
Figure BDA0002353304810000047
所述储能容量约束如下：
①周期始末蓄电池储能平衡约束：ET＝E0
式中，ET为储能运行周期结束后的电量，E0为储能运行周期开始时的电量；
②储能容量限制约束：
Figure BDA0002353304810000048
式中，Et为t时刻储能的剩余电量，E为储能的容量运行下限，
Figure BDA0002353304810000049
为储能的容量运行上限；
③储能电量约束：
Figure BDA00023533048100000410
式中，ηd为储能的放电效率，ηc为储能的充电效率，α为储能的自放电率；
④储能荷电状态与储能容量约束：SOC(t)＝Et/Emax
式中，Emax为储能系统容量；
⑤储能寿命折损系数约束：
Figure BDA00023533048100000411
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：：本发明提出了利用储能同时用于跟踪风电计划出力与参与电网二次调频的策略。在实现风电消纳的同时，充分考虑储能的寿命折损和参与调频市场时的调频表现，发挥储能系统快速调节功率的优势，优化风储联合运行，还使得储能的荷电状态保持在较高的水平。
附图说明
图1是本发明提供的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法的流程图；
图2为风电实际出力曲线和调度中心下发的风电计划出力曲线；
图3为储能的荷电状态曲线；
图4为储能的输出功率曲线和参与调频服务的情况示意图。
具体实施方式
本实施例公开了一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法，如图1所示，包括：
(1)调度中心由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体下发所述次日风电计划出力曲线。
其中，预测次日风电出力曲线和预测次日风电计划出力曲线的方法为现有技术，根据数据和要求可直接得到，不再赘述。另外，次日风电计划出力曲线还需满足国标风电波动率的规定。最终每隔15分钟调度中心下发的风电计划出力曲线和风电实际出力曲线如图2所示。
(2)风储联合体根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。
构建模型前，首先首先确定当日的每隔15min的电能价格、调度中心下发的每隔15min风电计划出力，储能考虑储能的电量约束、容量约束、充放电功率上下限约束、周期始末储能平衡约束，以风储联合体的运行优化为目标，建立模型，具体如下：
Figure BDA0002353304810000051
其中，括号内相加项的第一项为风电和储能的功率输出，第二项为储能参与调频辅助服务，第三项为储能寿命的损耗情况，第四项为储能跟踪风电计划出力偏离程度；式中，t表示第t个时间段，T＝96,
Figure BDA0002353304810000052
为单位电能价格，
Figure BDA0002353304810000053
为风电场的输出功率，
Figure BDA0002353304810000054
为储能的放电功率，
Figure BDA0002353304810000055
为储能的充电功率，Δt为每隔时间段的持续时间，设定为0.25h，
Figure BDA0002353304810000056
为储能充电功率上限，
Figure BDA0002353304810000061
为储能放电功率上限，
Figure BDA0002353304810000062
为单位调频服务容量价格，
Figure BDA0002353304810000063
为单位调频服务里程价格，m为调频实际使用电量系数，
Figure BDA0002353304810000064
为储能上报参与向上调频功率，
Figure BDA0002353304810000065
为储能上报参与向下调频功率，
Figure BDA0002353304810000066
为储能电池单位充放电电量的寿命损耗，λ(SOC(t))为寿命损耗系数，SOC(t)为储能的荷电状态，
Figure BDA0002353304810000067
为单位储能跟踪风电计划出力偏离惩罚系数，
Figure BDA0002353304810000068
为调度风电计划出力。
模型约束包括风电和储能功率约束和储能容量约束，其中：
所述风电和储能功率约束如下：
①风电最大出力约束：
Figure BDA0002353304810000069
式中，
Figure BDA00023533048100000610
为风电出力最大值；
②储能最大出力约束：
Figure BDA00023533048100000611
③储能充放电功率约束：
Figure BDA00023533048100000612
式中，
Figure BDA00023533048100000613
表示储能放电的0-1变量，
Figure BDA00023533048100000614
表示储能充电的0-1变量；
④储能参与调频时的功率约束
Figure BDA00023533048100000615
所述储能容量约束如下：
①周期始末蓄电池储能平衡约束：ET＝E0
式中，ET为储能运行周期结束后的电量，E0为储能运行周期开始时的电量；
②储能容量限制约束：
Figure BDA00023533048100000616
式中，Et为t时刻储能的剩余电量，E为储能的容量运行下限，
Figure BDA00023533048100000617
为储能的容量运行上限；
③储能电量约束：
Figure BDA00023533048100000618
式中，ηd为储能的放电效率，ηc为储能的充电效率，α为储能的自放电率；
④储能荷电状态与储能容量约束：SOC(t)＝Et/Emax
式中，Emax为储能系统容量；
⑤储能寿命折损系数约束：
Figure BDA0002353304810000071
本实施例还提供了一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化系统，包括：
调度中心端，用于由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体下发所述次日风电计划出力曲线；
风储联合体端，用于根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。
其中，所述风储联合体的运行优化模型具体为：
Figure BDA0002353304810000072
其中，括号内相加项的第一项为风电和储能的功率输出，第二项为储能参与调频辅助服务，第三项为储能寿命的损耗情况，第四项为储能跟踪风电计划出力偏离程度；式中，t表示第t个时间段，T＝96,
Figure BDA0002353304810000073
为单位电能价格，
Figure BDA0002353304810000074
为风电场的输出功率，
Figure BDA0002353304810000075
为储能的放电功率，
Figure BDA0002353304810000076
为储能的充电功率，Δt为每隔时间段的持续时间，设定为0.25h，
Figure BDA0002353304810000077
为储能充电功率上限，
Figure BDA0002353304810000078
为储能放电功率上限，
Figure BDA0002353304810000079
为单位调频服务容量价格，
Figure BDA00023533048100000710
为单位调频服务里程价格，m为调频实际使用电量系数，
Figure BDA00023533048100000711
为储能上报参与向上调频功率，
Figure BDA00023533048100000712
为储能上报参与向下调频功率，
Figure BDA00023533048100000713
为储能电池单位充放电电量的寿命损耗，λ(SOC(t))为寿命损耗系数，SOC(t)为储能的荷电状态，
Figure BDA00023533048100000714
为单位储能跟踪风电计划出力偏离惩罚系数，
Figure BDA00023533048100000715
为调度风电计划出力。
模型约束包括风电和储能功率约束和储能容量约束，其中：
所述风电和储能功率约束如下：
①风电最大出力约束：
Figure BDA00023533048100000716
式中，
Figure BDA00023533048100000717
为风电出力最大值；
②储能最大出力约束：
Figure BDA0002353304810000081
③储能充放电功率约束：
Figure BDA0002353304810000082
式中，
Figure BDA0002353304810000083
表示储能放电的0-1变量，
Figure BDA0002353304810000084
表示储能充电的0-1变量；
④储能参与调频时的功率约束
Figure BDA0002353304810000085
所述储能容量约束如下：
①周期始末蓄电池储能平衡约束：ET＝E0
式中，ET为储能运行周期结束后的电量，E0为储能运行周期开始时的电量；
②储能容量限制约束：
Figure BDA0002353304810000086
式中，Et为t时刻储能的剩余电量，E为储能的容量运行下限，
Figure BDA0002353304810000087
为储能的容量运行上限；
③储能电量约束：
Figure BDA0002353304810000088
式中，ηd为储能的放电效率，ηc为储能的充电效率，α为储能的自放电率；
④储能荷电状态与储能容量约束：SOC(t)＝Et/Emax
式中，Emax为储能系统容量；
⑤储能寿命折损系数约束：
Figure BDA0002353304810000089
下面采用具体例子进行验证。
本例中，电能价格为520元/MWh，出力偏离惩罚系数为1040元/MWh。储能参与调频服务容量价格为20元/MW，储能参与调频服务里程价格为15元/MW，储能参与调频服务实际使用电量系数为0.05，储能系统容量为26MWh，初始储能电量为13MWh，储能充放电功率上限为10MW，储能运行容量上下限分别为22MWh和4MWh，寿命折损费用为100元/MWh，储能充放电效率统一为0.95，自放电率设为0.01％。
由此得到储能参与计划跟踪出力和参与调频服务的情况和储能荷电状态在优化运行曲线，如图3和图4所示。从图3所示的储能荷电状态运行曲线可以看出，由于考虑了储能寿命的影响，使得储能荷电状态一直运行在中值范围附近。从图4所示的储能参与计划跟踪出力和参与调频服务的情况可以看出，由于考虑了参与调频服务时的调频表现，使得储能参与调频服务的资源更加合理，同时使得储能的实时充放电功率并非工作在满功率状态。

Claims (6)

1.一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法，其特征在于包括：
(1)调度中心由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体下发所述次日风电计划出力曲线；
(2)风储联合体根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。
2.根据权利要求1所述的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法，其特征在于：步骤(2)中所述风储联合体的运行优化模型具体为：
Figure FDA0002353304800000011
其中，括号内相加项的第一项为风电和储能的功率输出，第二项为储能参与调频辅助服务，第三项为储能寿命的损耗情况，第四项为储能跟踪风电计划出力偏离程度；式中，t表示第t个时间段，T＝96,
Figure FDA0002353304800000013
为单位电能价格，Pt w为风电场的输出功率，Pt d为储能的放电功率，Pt c为储能的充电功率，Δt为每隔时间段的持续时间，设定为0.25h，
Figure FDA0002353304800000014
为储能充电功率上限，
Figure FDA0002353304800000015
为储能放电功率上限，
Figure FDA0002353304800000016
为单位调频服务容量价格，
Figure FDA0002353304800000017
为单位调频服务里程价格，m为调频实际使用电量系数，Pt resp,up为储能上报参与向上调频功率，Pt resp,dw为储能上报参与向下调频功率，
Figure FDA0002353304800000018
为储能电池单位充放电电量的寿命损耗，λ(SOC(t))为寿命损耗系数，SOC(t)为储能的荷电状态，
Figure FDA0002353304800000019
为单位储能跟踪风电计划出力偏离惩罚系数，Pt wp为调度风电计划出力。
3.根据权利要求2所述的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化方法，其特征在于：所述风储联合体的运行优化模型的模型约束包括风电和储能功率约束和储能容量约束，其中：
所述风电和储能功率约束如下：
①风电最大出力约束：
Figure FDA00023533048000000110
式中，
Figure FDA00023533048000000111
为风电出力最大值；
②储能最大出力约束：
Figure FDA0002353304800000012
③储能充放电功率约束：
Figure FDA0002353304800000021
式中，
Figure FDA0002353304800000022
表示储能放电的0-1变量，
Figure FDA0002353304800000023
表示储能充电的0-1变量；
④储能参与调频时的功率约束
Figure FDA0002353304800000024
所述储能容量约束如下：
①周期始末蓄电池储能平衡约束：ET＝E0
式中，ET为储能运行周期结束后的电量，E0为储能运行周期开始时的电量；
②储能容量限制约束：
Figure FDA0002353304800000025
式中，Et为t时刻储能的剩余电量，E为储能的容量运行下限，
Figure FDA0002353304800000026
为储能的容量运行上限；
③储能电量约束：
Figure FDA0002353304800000027
式中，ηd为储能的放电效率，ηc为储能的充电效率，α为储能的自放电率；
④储能荷电状态与储能容量约束：SOC(t)＝Et/Emax
式中，Emax为储能系统容量；
⑤储能寿命折损系数约束：
Figure FDA0002353304800000028
4.一种考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化系统，其特征在于包括：
调度中心端，用于由风电场历史数据预测得到次日每隔15min共96个时段的风电出力曲线，根据该曲线和风电场申报给调度中心的出力值得到次日风电计划出力曲线，并向风储联合体端下发所述次日风电计划出力曲线；
风储联合体端，用于根据接收到的次日风电计划出力曲线，构建考虑储能跟踪风电计划出力、储能参与调频辅助服务时的调频性能、储能寿命的损耗情况的运行优化模型，求解该模型后得到储能在96个时段的最优运行分配，并按照该最优运行分配运行。
5.根据权利要求4所述的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化系统，其特征在于：所述风储联合体的运行优化模型具体为：
Figure FDA0002353304800000031
其中，括号内相加项的第一项为风电和储能的功率输出，第二项为储能参与调频辅助服务，第三项为储能寿命的损耗情况，第四项为储能跟踪风电计划出力偏离程度；式中，t表示第t个时间段，T＝96,
Figure FDA0002353304800000032
为单位电能价格，Pt w为风电场的输出功率，Pt d为储能的放电功率，Pt c为储能的充电功率，Δt为每隔时间段的持续时间，设定为0.25h，
Figure FDA0002353304800000033
为储能充电功率上限，
Figure FDA0002353304800000034
为储能放电功率上限，
Figure FDA0002353304800000035
为单位调频服务容量价格，
Figure FDA0002353304800000036
为单位调频服务里程价格，m为调频实际使用电量系数，Pt resp,up为储能上报参与向上调频功率，Pt resp,dw为储能上报参与向下调频功率，
Figure FDA0002353304800000037
为储能电池单位充放电电量的寿命损耗，λ(SOC(t))为寿命损耗系数，SOC(t)为储能的荷电状态，
Figure FDA0002353304800000038
为单位储能跟踪风电计划出力偏离惩罚系数，Pt wp为调度风电计划出力。
6.根据权利要求4所述的考虑储能寿命和调频性能的风储联合运行优化系统，其特征在于：所述风储联合体的运行优化模型的模型约束包括风电和储能功率约束和储能容量约束，其中：
所述风电和储能功率约束如下：
①风电最大出力约束：
Figure FDA0002353304800000039
式中，
Figure FDA00023533048000000310
为风电出力最大值；
②储能最大出力约束：
Figure FDA00023533048000000311
③储能充放电功率约束：
Figure FDA00023533048000000312
式中，
Figure FDA00023533048000000313
表示储能放电的0-1变量，
Figure FDA00023533048000000314
表示储能充电的0-1变量；
④储能参与调频时的功率约束
Figure FDA0002353304800000041
所述储能容量约束如下：
①周期始末蓄电池储能平衡约束：ET＝E0
式中，ET为储能运行周期结束后的电量，E0为储能运行周期开始时的电量；
②储能容量限制约束：
Figure FDA0002353304800000042
式中，Et为t时刻储能的剩余电量，E为储能的容量运行下限，
Figure FDA0002353304800000043
为储能的容量运行上限；
③储能电量约束：
Figure FDA0002353304800000044
式中，ηd为储能的放电效率，ηc为储能的充电效率，α为储能的自放电率；
④储能荷电状态与储能容量约束：SOC(t)＝Et/Emax
式中，Emax为储能系统容量；
⑤储能寿命折损系数约束：
Figure FDA0002353304800000045
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