基于動(dòng)態(tài)峰谷時(shí)段劃分的儲(chǔ)能調(diào)峰調(diào)頻經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究
王亞莉1,2, 葉澤1,2, 黃際元3, 魏文4, 戴雙鳳1,2, 張冰玉5
（1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電價(jià)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410114; 3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司 長(zhǎng)沙供電分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015; 4. 湖南理工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，湖南 岳陽(yáng) 414000; 5. 國(guó)網(wǎng)浙江湖州市德清縣供電有限公司，浙江 湖州 310000）
摘要：為高效合理地利用儲(chǔ)能(energy storage，ES)設(shè)備和提高ES多應(yīng)用場(chǎng)景切換的準(zhǔn)確性，在分析ES多應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，提出一種基于ES等容量調(diào)峰的峰谷時(shí)段劃分方法，旨在提高峰谷時(shí)段劃分和ES應(yīng)用場(chǎng)景切換準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于動(dòng)態(tài)峰谷時(shí)段劃分的ES多應(yīng)用場(chǎng)景經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，即在非調(diào)峰階段，利用ES參與平抑負(fù)荷波動(dòng)，充分發(fā)揮了ES“閑時(shí)復(fù)用”的功能，進(jìn)而提高了ES利用率和經(jīng)濟(jì)收益。仿真結(jié)果表明：相比單調(diào)峰經(jīng)濟(jì)模型，ES多應(yīng)用場(chǎng)景經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型投資回收期縮短了1.17年，與單調(diào)峰場(chǎng)景時(shí)段劃分相比，動(dòng)態(tài)峰谷時(shí)段劃分方法投資回收年限縮短了1.75年，有效證明了該方法的可行性。
引文信息
王亞莉, 葉澤, 黃際元, 等. 基于動(dòng)態(tài)峰谷時(shí)段劃分的儲(chǔ)能調(diào)峰調(diào)頻經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究[J]. 中國(guó)電力, 2022, 55(8): 64-72.
WANG Yali, YE Ze, HUANG Jiyuan, et al. Research on economic scheduling of es peak and frequency regulation based on dynamic peak-valley time division[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 64-72.
引言
隨著中國(guó)近年來(lái)一系列清潔能源并網(wǎng)政策的推出，尤其2021年“雙碳”政策的推出，加速了新能源并網(wǎng)速度。“十三五”規(guī)劃指出，到2050年非化石能源占總能源消費(fèi)的目標(biāo)比例高達(dá)50%[1-2]。但清潔能源出力的反調(diào)峰特性和間歇性[3-4]給電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[5-6]，亟須發(fā)展新的調(diào)峰調(diào)頻手段。
近年來(lái)，隨著大規(guī)模儲(chǔ)能(energy storage，ES)并網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及ES的快速響應(yīng)能力，使其已成為調(diào)峰的重要手段之一[7-10]。然而，目前其造價(jià)成本較高，配置容量有限，若僅參與調(diào)峰控制，降低了ES利用率和經(jīng)濟(jì)性。為此，文獻(xiàn)[11]針對(duì)負(fù)荷側(cè)ES，建立聯(lián)合調(diào)峰收益與調(diào)頻收益的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型，證明調(diào)峰調(diào)頻聯(lián)合優(yōu)化的收益大于兩者單獨(dú)收益之和，從經(jīng)濟(jì)性的角度驗(yàn)證了調(diào)峰調(diào)頻多場(chǎng)景的可行性。文獻(xiàn)[12]利用非調(diào)頻期ES平抑風(fēng)電波動(dòng)，有效提高了系統(tǒng)風(fēng)電消納能力和利用率，從技術(shù)層面分析了多場(chǎng)景協(xié)調(diào)控制的可行性。文獻(xiàn)[13]基于園區(qū)預(yù)測(cè)負(fù)荷，對(duì)負(fù)荷及荷電狀態(tài)（state of charging，SOC）進(jìn)行劃分區(qū)間，針對(duì)不同區(qū)間設(shè)計(jì)各自的目標(biāo)函數(shù)，采用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)粒子群算法進(jìn)行求解，進(jìn)而確定ES控制策略。文獻(xiàn)[14]提出負(fù)荷預(yù)測(cè)與調(diào)峰動(dòng)態(tài)目標(biāo)規(guī)劃結(jié)合的ES調(diào)峰控制策略，通過(guò)分階段滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)峰效果。文獻(xiàn)[15]針對(duì)電網(wǎng)側(cè)ES，提出了一種調(diào)峰調(diào)頻的綜合控制策略，將SOC進(jìn)行區(qū)域劃分，實(shí)現(xiàn)2個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景協(xié)調(diào)運(yùn)行。
除此之外，對(duì)SOC的研究也得到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[16]提出根據(jù)電池SOC來(lái)優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)、ES及同步發(fā)電機(jī)組參與調(diào)頻功率的分配。在文獻(xiàn)[17]中，為避免高放電深度的頻率調(diào)節(jié)，提出了一種風(fēng)電-電池混合動(dòng)力系統(tǒng)SOC反饋控制策略。在文獻(xiàn)[18]中，在微電網(wǎng)中提出了電池/超級(jí)電容SOC的恢復(fù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[19]基于SOC與充放電功率關(guān)系，提出一種變下垂系數(shù)自適應(yīng)控制方法，有效避免SOC越限問(wèn)題。
由上述文獻(xiàn)研究不難看出，現(xiàn)有研究對(duì)推動(dòng)ES參與電力市場(chǎng)服務(wù)做出了巨大貢獻(xiàn)，但對(duì)如何確定峰谷時(shí)段的研究報(bào)道較少，基本采用固定峰谷時(shí)段計(jì)算，而在不同季節(jié)，負(fù)荷曲線不同，峰谷時(shí)段有偏差[20]?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于ES等容量的峰谷時(shí)段劃分方法，可應(yīng)對(duì)不同季節(jié)負(fù)荷曲線偏移問(wèn)題；并在此基礎(chǔ)上，提出一種“閑時(shí)復(fù)用”策略，進(jìn)而提高ES利用率和經(jīng)濟(jì)效益。
1 基于SOC的多時(shí)間尺度劃分方法
ES只在負(fù)荷高峰或低谷時(shí)段才進(jìn)行充放電動(dòng)作，其他時(shí)段均處于閑置狀態(tài)，利用率較低。圖1為單調(diào)峰場(chǎng)景示意。為此，本文對(duì)ES采用“閑時(shí)復(fù)用”原則，即在ES非調(diào)峰階段，利用閑置ES改善電網(wǎng)頻率，進(jìn)而提高利用率。圖2為ES根據(jù)圖1劃分的調(diào)峰調(diào)頻多場(chǎng)景切換示意。
3.2 ES收入模型
2019年1月9日，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無(wú)補(bǔ)貼個(gè)價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》，提出要加快推進(jìn)風(fēng)電和光伏上網(wǎng)量?；谛履茉捶凑{(diào)峰特性，在未來(lái)幾年內(nèi)，ES收入將主要依賴“削峰填谷”賺取峰谷價(jià)差。在閑置時(shí)段，通過(guò)輔助服務(wù)市場(chǎng)(電網(wǎng)備用或調(diào)頻)賺取補(bǔ)貼。因此，ES收入主要分為削峰填谷和輔助服務(wù)市場(chǎng)收入2大部分。
3.2.1 削峰填谷收入
削峰填谷收入主要是指ES在負(fù)荷低谷時(shí)段充電，在高峰時(shí)段放電，賺取電網(wǎng)差價(jià)，以及降低火電機(jī)組調(diào)峰所節(jié)省的燃料成本和環(huán)境治理成本，稱為環(huán)境成本收入。
4 仿真分析
4.1 仿真參數(shù)
以中國(guó)中部某省變電站典型日負(fù)荷數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行實(shí)例仿真。負(fù)荷擾動(dòng)數(shù)據(jù)采樣間隔為1 min，Pm=27.7 MW，額定容量Em=80 MW·h，采用兩充兩放方式，一年充放電270天，調(diào)峰補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為2元/MW，深度調(diào)峰補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為0.5元/( MW·h)，全年參與深度調(diào)峰140天[22-23]，分時(shí)電價(jià)如表1，ES電池參數(shù)如表2所示[24]，經(jīng)濟(jì)參數(shù)如表3所示。在進(jìn)行環(huán)境收入分析時(shí)，環(huán)境污染物種類與對(duì)應(yīng)單位治理成本如表4所示，調(diào)頻備用容量分時(shí)補(bǔ)貼價(jià)格如圖5所示。
4.2 “閑時(shí)復(fù)用”控制策略經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析
假設(shè)GA算法最大迭代次數(shù)為500，迭代終止誤差ε為10–10，種群數(shù)量為200，交叉變異概率分別為0.3和0.1。以NPV最優(yōu)為目標(biāo)進(jìn)行求解，對(duì)應(yīng)年成本與年收入如表5所示，“削峰填谷”曲線如圖6所示。圖7為ES采用“閑時(shí)復(fù)用”控制策略后的出力值。調(diào)峰和調(diào)頻ES動(dòng)作次數(shù)與利用率如表6所示。表7為“閑時(shí)復(fù)用”控制策略下年成本、年收入與年凈收益數(shù)值。
由圖6可知，通過(guò)ES削峰填谷的功能，負(fù)荷曲線峰值由205.32 MW降低到187.24 MW，削峰率達(dá)到8.82%，緩解了電網(wǎng)調(diào)峰壓力。結(jié)合表5，初始投資成本占總成本98%，其中報(bào)廢成本包括對(duì)ES電池資源回收產(chǎn)生的殘余價(jià)值，為負(fù)數(shù)，說(shuō)明報(bào)廢成本能帶來(lái)額外收入。其投資回收年限為9.26年，而ES壽命周期為10年，說(shuō)明能在壽命期限內(nèi)收回成本。
由圖7和表6可知，當(dāng)ES采用“閑時(shí)復(fù)用”控制策略時(shí)，在“削峰填谷”時(shí)段，ES輸出功率一致。而備用時(shí)段，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增大時(shí)ES放電，負(fù)荷減小時(shí)ES充電，ES利用率有效提高了16.25%。
對(duì)比表5和表7可以發(fā)現(xiàn)，投資建設(shè)成本不變，僅運(yùn)行維護(hù)成本略有增加，這是由于備用狀態(tài)參與平抑負(fù)荷擾動(dòng)、增加動(dòng)作次數(shù)所致。但收入因ES在閑置時(shí)段參與平抑負(fù)荷擾動(dòng)，可獲得輔助收入大于成本。因此，年凈收益相較僅調(diào)峰增加了20.12萬(wàn)元，投資回收年限為8.09年，縮短了1.17年。
綜上，ES采用“閑時(shí)復(fù)用”控制策略，不僅可以提高年凈收益，縮短投資回收年限，而且可有效提高ES利用率。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高ES利用率和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的雙重目的，具有較好的研究?jī)r(jià)值。
4.3 峰谷時(shí)段劃分對(duì)ES經(jīng)濟(jì)影響分析
由4.2節(jié)分析可知，ES采用“閑時(shí)復(fù)用”控制策略時(shí)能有效提高ES經(jīng)濟(jì)性，但調(diào)峰調(diào)頻場(chǎng)景工作時(shí)間受峰谷時(shí)段劃分法影響。因此，本節(jié)主要驗(yàn)證本文所提峰谷時(shí)段劃分方法對(duì)ES經(jīng)濟(jì)性的改善作用。圖8為不同季節(jié)負(fù)荷曲線，圖9為峰谷時(shí)段曲線劃分。僅根據(jù)ES經(jīng)濟(jì)模型求解，可得固定峰谷時(shí)段劃分曲線如圖9 a)所示，而采用本文所提等容量“削峰填谷”時(shí)段劃分法，可得峰谷時(shí)段曲線如圖9 b)所示。其中投資回收期、NPV指標(biāo)如表8所示。
由表8可知，ES在本文所提峰谷時(shí)段劃分方法下，ES電站投資回收期為6.34年，在電池壽命終結(jié)前可以收回投資，與固定劃分法相比縮短1.75年。且ES電站的NPV為563.41萬(wàn)元，遠(yuǎn)超固定劃分法。這主要是因?yàn)楸疚乃岱椒艹浞职l(fā)揮ES作用，擴(kuò)大了“削峰填谷”時(shí)間和功率，進(jìn)而有效提高ES經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié)論
針對(duì)ES僅參與調(diào)峰控制、利用率低、經(jīng)濟(jì)成本高，以及峰谷時(shí)段劃分對(duì)多場(chǎng)景切換的影響問(wèn)題，本文提出了一種基于等容量的“削峰填谷”時(shí)段劃分方法。并在此基礎(chǔ)上，提出一種ES參與多應(yīng)用場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型。通過(guò)仿真分析得出以下結(jié)論。
（1）基于ES電站一站多用、一主多輔的協(xié)同規(guī)劃理念，提出一種ES參與多應(yīng)用場(chǎng)景的方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ES“閑時(shí)復(fù)用”功能，相比單調(diào)峰控制，有效降低了ES閑置率，NPV增加了20.12萬(wàn)元，投資回收年限縮短1.17年。
（2）提出的“削峰填谷”時(shí)段劃分方法，提高了峰谷時(shí)段劃分準(zhǔn)確性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)峰和平抑凈負(fù)荷波動(dòng)工作狀態(tài)的準(zhǔn)確切換，與單調(diào)峰峰谷時(shí)段劃分法相比，NPV增加了110.92萬(wàn)元，投資回收年限縮短1.75年。
