CN113315144B - 一种新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统频率控制技术领域，涉及一种新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法。本方法建立考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数；确定优化模型的决策变量与约束条件，约束条件包括能量约束、功率约束、电量约束等，对储能系统寿命、电量水平、调频表现等进行综合考虑；将优化模型转化为混合整数线性规划问题，使用成熟优化软件进行求解，得到日前二次调频容量及基准功率申报的综合最优策略。本发明方法特别考虑了共享储能在承担新能源场站一次调频义务的同时，充分利用自身调节能力提供二次调频服务以获取收益。

Description

一种新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法

技术领域

本发明属于电力系统频率控制技术领域，涉及新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，具体涉及共享储能系统同时参与一次、二次调频的优化运行方法。

背景技术

近年来，我国新能源装机容量逐步攀升，未来几年我国能源结构将加速调整，新能源在电力系统中的渗透率将进一步提高，其波动性和随机性将影响电力系统的安全运行。为提高电力系统的稳定性，我国出台政策规定风电场、光伏电站应具备一次调频功能。新能源机组实现一次调频的方式主要有保留有功备用和配置储能两种，保留有功备用的方式将导致弃风弃光，而电池储能具有响应速度快、可灵活配置的优点，其参与电网调频已成为业界的热点。

由于电力系统大扰动发生的概率较低，且按照规定一次调频仅需支撑30秒到1分钟，即使短时间连续出现多个同向大扰动，储能满功率充放电的时间也仅需达到分钟级。因而，在理论上，配备5分钟电量的电池储能即可满足一次调频的能力需求。然而，这需要电池充放电的倍率达到20C，目前可规模化应用的锂电池储能系统充放电倍率仅可达1C～4C级别。因此，配置锂电池储能系统仅提供一次调频将导致能量容量的浪费。此外，新能源场站需要提供一次调频的幅值不断变化，在幅值较小的时段，储能的功率容量也存在浪费。

为了解决这一问题，专利“一种储能系统参与电网一次调频的控制方法及系统”(专利申请号：CN201910724587.3)、“一种考虑分布式储能的电力系统一次调频方法”(专利申请号：CN201910686865.0)等公开了多种储能系统参与一次调频的控制方法，专利“利用储能消弭新能源并网风险的调频方法”(专利申请号：CN202011181820.7)、专利“一种储能系统参与电网调频优化控制方法”(专利申请号：CN202011331911.4)、专利“一种考虑分布式储能的电力系统一次调频方法”(专利申请号：CN201910686865.0)等公开了多种储能系统参与二次调频的控制方法。然而，这些方法均未考虑储能系统同时参与一次、二次调频的情况。

发明内容

本发明的目的是克服现有研究的不足之处，提出了一种新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，特别考虑了共享储能在承担新能源场站一次调频义务的同时，充分利用自身调节能力提供二次调频服务以获取收益。

本发明提出的新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，包括：建立考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数；确定优化模型的决策变量与约束条件，约束条件包括能量约束、功率约束和电量约束，对储能系统的寿命、电量水平、调频表现进行综合考虑；将优化模型转化为混合整数线性规划问题，采用分支定界法求解上述混合整数线性规划模型，得到储能系统的日前申报的二次调频容量

和基准功率

实现新能源电厂共享储能系统的调频。所得优化结果可为共享储能系统的优化运行提供指导。

本发明提出的新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，其优点如下：

本发明建立了考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数；确定优化模型的决策变量与约束条件，约束条件包括能量约束、功率约束、电量约束等，对储能系统寿命、电量水平、调频表现等进行综合考虑；将优化模型转化为混合整数线性规划问题，使用成熟优化软件进行求解，得到日前二次调频容量及基准功率申报的综合最优策略。本发明方法特别考虑了共享储能在承担新能源场站一次调频义务的同时，充分利用自身调节能力提供二次调频服务以获取收益。可充分利用储能的能量和功率容量，确保在为新能源场站承担调频义务的同时，最大限度参与辅助服务市场，提供有偿二次调频服务，从而获取收益。本发明方法综合考虑了储能寿命、电量维持、调频表现等因素，建立了混合整数线性规划模型，所得优化结果可为共享储能系统的优化运行提供指导。

附图说明

图1是本发明的新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，包括：建立考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数；确定优化模型的决策变量与约束条件，约束条件包括能量约束、功率约束和电量约束，对储能系统的寿命、电量水平、调频表现进行综合考虑；将优化模型转化为混合整数线性规划问题，采用分支定界法求解上述混合整数线性规划模型，得到储能系统的日前申报的二次调频容量

和基准功率

得到新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方案。

本发明的新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，其流程框图如图1所示，具体包括以下步骤：

(1)建立考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数如下：

min-C₁+C₂+C₃+C₄

式中，C₁、C₂、C₃和C₄分别表示储能系统的二次调频收益、购售电成本、偏差电量惩罚和储能寿命折损，下标t表示电力市场申报时段编号，t∈{1，2，...，T}，简称申报时段，下标ω表示调频信号场景序号，ω∈Ω，Ω为所有调频信号场景的集合，可使用历史调频信号数据经场景削减后生成，上标

分别表示与一次调频、二次调频相关的量，上标c、d分别表示与充电、放电相关的量；

C₁表示储能系统的二次调频收益，包括容量收益和调频表现收益两部分，c^sc和c^sp分别表示二次调频服务的容量价格和里程价格，从电力市场的相关规定中选取，m为单个时段调频里程的历史均值，

表示储能系统在日前市场的二次调频申报容量；

C₂表示按照各调频信号场景下最优基准功率充放电的购售电成本，其中π_ω表示第ω个调频信号场景出现的概率，

和

分别表示在第ω个调频信号场景下t时段的基准充电功率和基准放电功率，设定

为非正值，

为非负值，

表示t申报时段的电价，Δt为一个申报时段的时长；

C₃表示对储能系统功率偏差的惩罚，pr^e表示惩罚系数，pr^e取值越大，表示对偏差的惩罚越严重，可根据电力市场相关规定选取，本发明的一个实施例中，pr^e的取值为0.2。其中

表示t时段日前申报的基准功率与第ω场景下最优的基准功率差值的绝对值，可表示为如下的等式：

其中

表示申报时段t的储能系统日前充电、放电功率申报值。

C₄表示储能系统运行的老化成本，c^de为固定的老化成本系数，根据储能系统类型，按照经验值选取，本发明的一个实施例中，c^de的取值为0.15元/kWh，2β表示一个申报时段内单位容量的二次调频资源充放电总量均值，由历史数据计算得到，由于一次调频作用时间短，充放电电量较小，因此忽略一次调频导致的老化。

(2)确定优化模型的决策变量与约束条件，优化模型包括日前申报的二次调频容量和基准功率，约束条件包括同时考虑一次、二次调频的储能系统的能量约束、功率约束、电量约束、二次调频容量约束，对储能系统寿命、电量水平、调频表现等进行综合考虑。

(2-1)储能系统功率约束：

式中，

表示t申报时段要求储能系统具备的一次调频容量，p_max表示储能系统向电力系统放出能量的最大功率，为正值，p_min表示储能系统从电力系统吸收能量的最大功率，为负值；

为保证储能不同时充放电，设置以下充电、放电状态约束：

式中，

和

分别表示日前申报的t申报时段的基准功率，该基准功率与各调频信号场景下的基准功率(即

和

)可以不相同，仅对偏差电量进行惩罚，D_ω，t为0-1变量，表示第ω个调频信号场景下储能系统的充电、放电状态，D_ω，t值为0时储能系统处于放电状态，D_ω，t为1时储能系统处于充电状态，

表示日前申报的t申报时段的储能系统充放电状态，

值为0时储能系统处于放电状态，

为1时储能系统处于充电状态；

(2-2)储能系统能量约束

式中，

和

分别表示为满足一次上调频和二次上调频所需预留的能量，

和

分别表示为满足一次下调频和二次下调频所需预留的能量，可由历史数据估计其合适的取值。η_c和η_d分别表示储能系统充电和放电效率；e_min、e_max分别表示储能系统能量下限和能量上限；

(2-3)储能系统电量约束：

t∈{2，3，...，T}

e_min≤E_ω，t≤e_max

e_min＝SoC_min*e₀

e_max＝SoC_max*e₀

式中，

为调频信号场景集数据，分别表示第ω种调频信号场景下，第t-1申报时段单位容量调频资源完全跟随二次调频(简称AGC，automatic generationcontrol)信号导致的向电力系统放出和吸收的能量，这里忽略一次调频导致的能量不确定性，调频信号场景集数据可由历史数据计算得到。T表示一天内申报时段的总数量，E_ω，t表示调频信号场景ω下t申报时段的储能系统储能电量，SoC_min和SoC_max分别表示储能系统允许的能量百分比的下限和上限，e₀为储能系统的额定能量容量；

(2-4)二次调频容量约束：

由于二次调频市场以小时为时段单元，每小时内二次调频申报容量不变，因此当Δt小于一小时时，需增加同一小时的多个时段二次调频容量相等的约束，且二次调频容量为非负数。以一个申报时段的时长Δt＝15min为例，满足以下约束：

(3)将由上述步骤(1)的目标函数和步骤(2)的决策变量与约束条件组成的优化模型转化为混合整数线性规划问题，并求解，实现新能源电厂共享储能系统的调频，包括以下步骤：

(3-1)将步骤(1)的目标函数中储能系统功率偏差

的等式约束转化为不等式约束：

再将功率偏差

表示为以下等价的线性约束：

(3-2)由经步骤(3-1)处理后的目标函数和步骤(2)的决策变量与约束条件组成的优化模型转化为混合整数线性规划问题，使用分支定界法求解，得到储能系统日前最优的二次调频容量

和基准功率申报方式

进而得到新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方案。

Claims (1)

1.一种新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方法，其特征在于该方法包括：建立考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数；确定优化模型的决策变量与约束条件，约束条件包括能量约束、功率约束和电量约束，对储能系统的寿命、电量水平、调频表现进行综合考虑；将优化模型转化为混合整数线性规划问题，采用分支定界法求解上述混合整数线性规划模型，得到储能系统的日前申报的二次调频容量

和基准功率

得到新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方案，其中，

表示申报时段t的储能系统日前充电、放电功率申报值，

所述储能系统运行方法，具体包括以下步骤：

(1)建立考虑储能系统购售电成本、二次调频收益、寿命折损、偏差电量惩罚的目标函数如下：

min-C₁+C₂+C₃+C₄

式中，C₁、C₂、C₃和C₄分别表示储能系统的二次调频收益、购售电成本、偏差电量惩罚和储能寿命折损，下标t表示电力市场申报时段编号，t∈{1,2,…,T}，简称申报时段，下标ω表示调频信号场景序号，ω∈Ω，Ω为所有调频信号场景的集合，使用历史调频信号数据经场景削减后生成，上标

分别表示与一次调频、二次调频相关的量，上标c、d分别表示与充电、放电相关的量；

C₁表示储能系统的二次调频收益，c^sc和c^sp分别表示二次调频服务的容量价格和里程价格，从电力市场的相关规定中选取，m为单个时段调频里程的历史均值，

表示储能系统在日前市场的二次调频申报容量；

C₂表示按照各调频信号场景下最优基准功率充放电的购售电成本，其中π_ω表示第ω个调频信号场景出现的概率，

和

分别表示在第ω个调频信号场景下t申报时段的基准充电功率和基准放电功率，设定

为非正值，

为非负值，

表示t申报时段的电价，Δt为一个申报时段的时长；

C₃表示对储能系统功率偏差的惩罚，pr^e表示惩罚系数，pr^e取值越大，表示对偏差的惩罚越严重，其中

表示t申报时段日前申报的基准功率与第ω场景下最优的基准功率差值的绝对值，表示为如下的等式：

其中

表示申报时段t的储能系统日前充电、放电功率申报值；

C₄表示储能系统运行的老化成本，c^de为固定的老化成本系数，2β表示一个申报时段内单位容量的二次调频资源充放电总量均值；

(2)确定优化模型的决策变量与约束条件，优化模型包括日前申报的二次调频容量和基准功率，约束条件包括同时考虑一次、二次调频的储能系统的能量约束、功率约束、电量约束、二次调频容量约束：

(2-1)储能系统功率约束：

式中，

表示t申报时段要求储能系统具备的一次调频容量，p_max表示储能系统向电力系统放出能量的最大功率，为正值，p_min表示储能系统从电力系统吸收能量的最大功率，为负值；

为保证储能不同时充放电，设置以下充电、放电状态约束：

式中，

表示申报时段t的储能系统日前充电、放电功率申报值，D_ω,t为0-1变量，表示第ω个调频信号场景下储能系统的充电、放电状态，D_ω,t值为0时储能系统处于放电状态，D_ω,t为1时储能系统处于充电状态，

表示日前申报的t申报时段的储能系统充放电状态，

值为0时储能系统处于放电状态，

为1时储能系统处于充电状态；

(2-2)储能系统能量约束

式中，

和

分别表示为满足一次上调频和二次上调频所需预留的能量，

和

分别表示为满足一次下调频和二次下调频所需预留的能量，η_c和η_d分别表示储能系统充电和放电效率；e_min、e_max分别表示储能系统能量下限和能量上限；

(2-3)储能系统电量约束：

e_min≤E_ω,t≤e_max

e_min＝SoC_min*e₀

e_max＝SoC_max*e₀

式中，

为调频信号场景集数据，分别表示第ω种调频信号场景下，第t-1申报时段单位容量调频资源完全跟随二次调频信号导致的向电力系统放出和吸收的能量，T表示一天内申报时段的总数量，E_ω,t表示调频信号场景ω下t申报时段的储能系统储能电量，SoC_min和SoC_max分别表示储能系统允许的能量百分比的下限和上限，e₀为储能系统的额定能量容量；

(2-4)二次调频容量约束：

当Δt小于一小时时，增加同一小时的多个时段二次调频容量相等的约束，且二次调频容量为非负数；

(3)将由上述步骤(1)的目标函数和步骤(2)的决策变量与约束条件组成的优化模型转化为混合整数线性规划问题，并求解，得到新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方案，包括以下步骤：

(3-1)将步骤(1)的目标函数中t申报时段日前申报的基准功率与第ω场景下最优的基准功率差值的绝对值

的等式约束转化为不等式约束：

再将功率偏差

表示为以下等价的线性约束：

(3-2)由经步骤(3-1)处理后的目标函数和步骤(2)的决策变量与约束条件组成的优化模型转化为混合整数线性规划问题，使用分支定界法求解，得到储能系统日前最优的二次调频申报容量

和基准功率

进而得到新能源电厂共享储能参与调频的储能系统运行方案。

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