CN115498698A - 一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于调频服务的新型光‑储电站容量规划方法，包括构建飞轮储能、锂电储能的寿命损耗模型及光伏备用容量模型、根据实时采集的并网点频率和电流电压，计算越界频率和功率，并结合电网调度的AGC指令，建立一、二次调频机制、构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型以及基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光‑储电站参与电网调频容量规划模型，本发明通过光伏备用容量联合混合储能参与电网调频，不仅提供了灵活的调频模式，且调频可靠性更高。同时，合理的容量规划避免单一系统参与调频时不经济的问题。

Description

一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法

技术领域

本发明涉及电网调频技术领域，具体为一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法。

背景技术

2021年，国家提出要构建以新能源为主体的新型电力系统，明确了新能源在今后发展的主体地位。

随着太阳能、风能等可再生能源的大力发展，新能源机组的渗透率不断增加，给电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。从技术角度，光伏可以依靠预留备用容量为电网提供功率支撑，但从经济角度，频繁且深度的调频需求对光伏备用容量要求较高，导致损失的电量收益较大。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有电网调频中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供一种新型光-储电站辅助调频容量规划方法，光伏备用容量联合混合储能参与电网调频，不仅提供了灵活的调频模式，且调频可靠性更高。同时，合理的容量规划避免单一系统参与调频时不经济的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其包括：

S1、构建飞轮储能、锂电储能的寿命损耗模型及光伏备用容量模型；

S2、根据实时采集的并网点频率和电流电压，计算越界频率和功率，并结合电网调度的AGC指令，建立一、二次调频机制；

S3、构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型；

S4、基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光-储电站参与电网调频容量规划模型。

作为本发明所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的一种优选方案，其中，所述飞轮储能的寿命损耗模型构建计算如下：

其中，N_fw为飞轮储能在仿真时间T内的等效充放电循环次数，N_{life_fw}为使用寿命内的总充放电循环次数，DL_fw为飞轮储能的寿命损耗系数；

所述飞轮储能的损耗成本为：

其中，C_fw、Q_fw分别是飞轮储能的单位投资成本和容量，Q_bat为储能总容量，T_f1为优化变量。

作为本发明所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的一种优选方案，其中，所述锂电储能的寿命损耗模型构建计算如下：

其中，D₁、D₂为计算的中间变量，τ_life为日历寿命估算值；T_ref、T分别为电池的绝对温度参考值和绝对工作温度；K_T是和温度相关的系数，K_CO、K_ex、K_SOC为经验常数；

锂电储能相应的损耗成本为：

其中，C_li是飞轮储能的单位投资成本，Q_li为规划的容量。

作为本发明所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的一种优选方案，其中，所述光伏备用容量模型构建计算如下：

其中，E_{max_t}E为t时刻光伏最大发电量，PV_res为光伏备用容量，PV_t ⁺和PV_t ^-分别为电站频率升高或降低时处理的功率值，Q_PV为光伏装机总容量，T_f3为优化变量。

作为本发明所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的一种优选方案，其中，所述步骤S2中，根据实时采集的并网点频率和电流电压，计算越界频率和功率，并结合电网调度的AGC指令，建立一、二次调频机制的具体步骤如下：一次调频系统采集并网点频率、电流、电压，并实时计算越界频率及有功功率，AGC系统接收电网调度指令，独立下发二次调频指令，一次调频系统和AGC系统通过点对点通信完成联闭锁信号交互，保证同一时刻只有一个链路对调频单元下发指令，配合实现一次和二次调频的有功功率控制，其中，飞轮储能、锂电储能和光伏备用三者的工作功率如下：

其中，P_fw、P_li、P_PV分别代表飞轮、锂电、光伏备用工作功率，P_ARR为调频所需功率，T_f2为优化变量。

作为本发明所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的一种优选方案，其中，，所述构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型的计算如下：

PV_res≥P_fl+P_li，且光伏备用给混合储能充电时，优先选择飞轮储能充。

作为本发明所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的一种优选方案，其中，所述步骤S4中，基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光-储电站参与电网调频容量优化模型如下：

max(C_total)＝max(C_{total_1})+max(C_{total_2})，

其中，C_{total_1}、C_{total_2}分别为系统一次和二次调频收益模型，C_{total_1}计算公式如下：

max(C_{total_1})＝max(C_r+A_pv-C_pun-C_li-C_fw-A_{PV_Q})，

其中，二次调频收益模型的计算公式与一次调频收益模型相同，二次调频收益模型对应的调频时间尺度为分钟级，一次调频收益模型对应的调频时间尺度为秒级；

其中，C_pun为混合储能无法达到调频需求的惩罚成本，可以是一个远大于调频收益的常数；C_li、C_fw分别为锂电和飞储能全寿命周期成本；C_r为由综合调频性能指标决定的补偿收益；A_PV是光伏容量备用补偿收益，A_{PV_Q}是因预留光伏备用而损失的发电量收益；

光伏备用容量补偿具体计算公式如下：

A_PV＝PV_res·Y_PV，

其中，PV_res、Y_PV分别为光伏备用容量和单位补偿标准；

电站调频服务收益具体计算公式如下：

P_total代表光储调节深度，即每日调节量的总和；Y_AGC为调频补偿标准；K_P为综合评价指标；储能约束条件如下：

其中，ΔSOC_min(t)、ΔSOC_max(t)分别代表下一时刻储能允许变化的最小及最大值，P_{r_max}、P_{d_max}分别表示储能允许的最大充电和放电功率，Q_bat表示储能容量，Δt表示工作步长。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明的调频装置接受到调频功率指令后，根据混合储能状态和当前光照条件，协调混合储能和光伏参与电网调频，并通过储能控制装置进一步对飞轮和锂电所承担的功率进行分配，从而延长储能电池使用寿命，同时，在无调频任务时，混合储能通过光伏备用容量充电，可以减少电站外购电的成本，有效提高光-储电站调频的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1是本发明一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的原理图

图2是本发明一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的逻辑流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施方式时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，光伏备用容量联合混合储能参与电网调频，不仅提供了灵活的调频模式，且调频可靠性更高。同时，合理的容量规划避免单一系统参与调频时不经济的问题。

其中，光-储电站系统如图1所示，包括RTU、AGC系统、一次调频装置、混合储能装置、光伏发电装置、光储充电装置等。

请参阅图1，该种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法的具体步骤如下：

一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其包括：

S1、构建飞轮储能、锂电储能的寿命损耗模型及光伏备用容量模型；

其中，所述飞轮储能的寿命损耗模型构建计算如下：

其中，N_fw为飞轮储能在仿真时间T内的等效充放电循环次数，N_{life_fw}为使用寿命内的总充放电循环次数，DL_fw为飞轮储能的寿命损耗系数；

所述飞轮储能的损耗成本为：

其中，C_fw、Q_fw分别是飞轮储能的单位投资成本和容量，Q_bat为储能总容量，T_f1为优化变量；

所述锂电储能的寿命损耗模型构建计算如下：

其中，D₁、D₂为计算的中间变量，τ_life为日历寿命估算值；T_ref、T分别为电池的绝对温度参考值和绝对工作温度；K_T是和温度相关的系数，K_CO、K_ex、K_SOC为经验常数；

锂电储能相应的损耗成本为：

其中，C_li是飞轮储能的单位投资成本，Q_li为规划的容量；

所述光伏备用容量模型构建计算如下：

其中，E_{max_t}E为t时刻光伏最大发电量，PV_res为光伏备用容量，PV_t ⁺和PV_t ^-分别为电站频率升高或降低时处理的功率值，Q_PV为光伏装机总容量，T_f3为优化变量。

S2、根据实时采集的并网点频率和电流电压，计算越界频率和功率，并结合电网调度的AGC指令，建立一、二次调频机制；

其中，具体步骤如下：一次调频系统采集并网点频率、电流、电压，并实时计算越界频率及有功功率，AGC系统接收电网调度指令，独立下发二次调频指令，一次调频系统和AGC系统通过点对点通信完成联闭锁信号交互，保证同一时刻只有一个链路对调频单元下发指令，配合实现一次和二次调频的有功功率控制，其中，飞轮储能、锂电储能和光伏备用三者的工作功率如下：

其中，P_fw、P_li、P_PV分别代表飞轮、锂电、光伏备用工作功率，P_ARR为调频所需功率，T_f2为优化变量。

S3、构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型；

其中，所述构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型的计算如下：

PV_res≥P_fl+P_li，且光伏备用给混合储能充电时，优先选择飞轮储能充。

S4、基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光-储电站参与电网调频容量规划模型；

其中，基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光-储电站参与电网调频容量优化模型如下：

max(C_total)＝max(C_{total_1})+max(C_{total_2})，

其中，C_{total_1}、C_{total_2}分别为系统一次和二次调频收益模型，C_{total_1}计算公式如下：

max(C_{total_1})＝max(C_r+A_pv-C_pun-C_li-C_fw-A_{PV_Q})，

其中，二次调频收益模型的计算公式与一次调频收益模型相同，二次调频收益模型对应的调频时间尺度为分钟级，一次调频收益模型对应的调频时间尺度为秒级；

其中，C_pun为混合储能无法达到调频需求的惩罚成本，可以是一个远大于调频收益的常数；C_li、C_fw分别为锂电和飞储能全寿命周期成本；C_r为由综合调频性能指标决定的补偿收益；A_PV是光伏容量备用补偿收益，A_{PV_Q}是因预留光伏备用而损失的发电量收益；

光伏备用容量补偿具体计算公式如下：

A_PV＝PV_res·Y_PV，

其中，PV_res、Y_PV分别为光伏备用容量和单位补偿标准；

电站调频服务收益具体计算公式如下：

P_total代表光储调节深度，即每日调节量的总和；Y_AGC为调频补偿标准；K_P为综合评价指标；储能约束条件如下：

其中，ΔSOC_min(t)、ΔSOC_max(t)分别代表下一时刻储能允许变化的最小及最大值，P_{r_max}、P_{d_max}分别表示储能允许的最大充电和放电功率，Q_bat表示储能容量，Δt表示工作步长。

请参阅图2，上述方法在电网中具体的调频过程如下：

1)初始化：优化变量初始化；

2)一次调频、二次调频和光储充电模式的选择；

3)对调频功率进行分解，获得光伏备用、飞轮和锂电储能分配到的调频功率；或根据储能状态和光照条件，利用光伏备用为混合储能充电；

4)计算光-储电站调频收益；

5)判断是否满足约束条件，若不满足，调整优化变量，转至3)，否则转至6)；

6)获取最大混合储能系统调频收益；

7)判断是否满足预设条件，即终止条件或达到最大迭代次数，若是，则转至8)，否则调整优化变量，转至3)，

8)输出最大光-储电站调频收益、以及相应的飞轮、锂电储能和光伏备用容量规划情况。

综上，本发明的调频装置接受到调频功率指令后，根据混合储能状态和当前光照条件，协调混合储能和光伏参与电网调频，并通过储能控制装置进一步对飞轮和锂电所承担的功率进行分配，从而延长储能电池使用寿命，同时，在无调频任务时，混合储能通过光伏备用容量充电，可以减少电站外购电的成本，有效提高光-储电站调频的经济效益。

虽然在上文中已经参考实施方式对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施方式中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，包括：

S1、构建飞轮储能、锂电储能的寿命损耗模型及光伏备用容量模型；

S2、根据实时采集的并网点频率和电流电压，计算越界频率和功率，并结合电网调度的AGC指令，建立一、二次调频机制；

S3、构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型；

S4、基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光-储电站参与电网调频容量规划模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，所述飞轮储能的寿命损耗模型构建计算如下：

其中，N_fw为飞轮储能在仿真时间T内的等效充放电循环次数，N_{life_fw}为使用寿命内的总充放电循环次数，DL_fw为飞轮储能的寿命损耗系数；

所述飞轮储能的损耗成本为：

其中，C_fw、Q_fw分别是飞轮储能的单位投资成本和容量，Q_bat为储能总容量，T_f1为优化变量。

3.根据权利要求1所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，所述锂电储能的寿命损耗模型构建计算如下：

其中，D₁、D₂为计算的中间变量，τ_life为日历寿命估算值；T_ref、T分别为电池的绝对温度参考值和绝对工作温度；K_T是和温度相关的系数，K_CO、K_ex、K_SOC为经验常数；

锂电储能相应的损耗成本为：

其中，C_li是飞轮储能的单位投资成本，Q_li为规划的容量。

4.根据权利要求1所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，所述光伏备用容量模型构建计算如下：

其中，E_{max_t}E为t时刻光伏最大发电量，PV_res为光伏备用容量，PV_t ⁺和PV_t ^-分别为电站频率升高或降低时处理的功率值，Q_PV为光伏装机总容量，T_f3为优化变量。

5.根据权利要求1所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据实时采集的并网点频率和电流电压，计算越界频率和功率，并结合电网调度的AGC指令，建立一、二次调频机制的具体步骤如下：一次调频系统采集并网点频率、电流、电压，并实时计算越界频率及有功功率，AGC系统接收电网调度指令，独立下发二次调频指令，一次调频系统和AGC系统通过点对点通信完成联闭锁信号交互，保证同一时刻只有一个链路对调频单元下发指令，配合实现一次和二次调频的有功功率控制，其中，飞轮储能、锂电储能和光伏备用三者的工作功率如下：

其中，P_fw、P_li、P_PV分别代表飞轮、锂电、光伏备用工作功率，P_ARR为调频所需功率，T_f2为优化变量。

6.根据权利要求1所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，所述构建在空闲时段利用光伏备用容量给混合储能充电模型的计算如下：

PV_res≥P_fl+P_li，且光伏备用给混合储能充电时，优先选择飞轮储能充。

7.根据权利要求1所述的一种基于调频服务的新型光-储电站容量规划方法，其特征在于，所述步骤S4中，基于混合储能寿命模型及光伏备用容量模型，以调频收益最优为优化目标函数，建立光-储电站参与电网调频容量优化模型如下：

max(C_total)＝max(C_{total_1})+max(C_{total_2})，

其中，C_{total_1}、C_{total_2}分别为系统一次和二次调频收益模型，C_{total_1}计算公式如下：

max(C_{total_1})＝max(C_r+A_pv-C_pun-C_li-C_fw-A_{PV_Q})，

其中，二次调频收益模型的计算公式与一次调频收益模型相同，二次调频收益模型对应的调频时间尺度为分钟级，一次调频收益模型对应的调频时间尺度为秒级；

其中，C_pun为混合储能无法达到调频需求的惩罚成本，可以是一个远大于调频收益的常数；C_li、C_fw分别为锂电和飞储能全寿命周期成本；C_r为由综合调频性能指标决定的补偿收益；A_PV是光伏容量备用补偿收益，A_{PV_Q}是因预留光伏备用而损失的发电量收益；

光伏备用容量补偿具体计算公式如下：

A_PV＝PV_res·Y_PV，

其中，PV_res、Y_PV分别为光伏备用容量和单位补偿标准；

电站调频服务收益具体计算公式如下：

P_total代表光储调节深度，即每日调节量的总和；Y_AGC为调频补偿标准；K_P为综合评价指标；储能约束条件如下：

其中，ΔSOC_min(t)、ΔSOC_max(t)分别代表下一时刻储能允许变化的最小及最大值，P_{r_max}、P_{d_max}分别表示储能允许的最大充电和放电功率，Q_bat表示储能容量，Δt表示工作步长。

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