輔助服務(wù)中基于收益量化的混合儲能功率控制策略研究

徐巍峰，高美金，吳 俊，余 彬，翁利國

（國網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司，杭州 311200）

隨著我國電力現(xiàn)貨市場建設(shè)的不斷推進，充分調(diào)動多方資源參與電力現(xiàn)貨市場的商業(yè)模式得到快速發(fā)展。電儲能資源因具備控制靈活、響應迅速等突出優(yōu)勢，逐漸成為了能源系統(tǒng)中的重要輔助調(diào)節(jié)手段。2017 年，國家發(fā)改委等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導意見》（發(fā)改能源〔2017〕1701 號），提出結(jié)合電力體制改革，建立健全儲能參與的市場機制[1-3]。目前，多省區(qū)已制定了儲能參與輔助服務(wù)市場的試點方案。然而現(xiàn)有的試點項目表明，電儲能資源參與輔助服務(wù)受制于市場機制與其本身高昂的成本，靜態(tài)投資回收年限較長[4]，經(jīng)濟性較差，降低了電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)投資者建設(shè)儲能的積極性。因此，如何提升儲能資源運行過程的技術(shù)經(jīng)濟性，從而充分適應市場運行機制以獲取更高的市場收益，對儲能發(fā)展與電力現(xiàn)貨市場建設(shè)具有重要現(xiàn)實意義。

儲能設(shè)備通?？煞譃橐噪姵貫榇淼木哂写笕萘?、短壽命的能量型儲能和以超級電容為代表的具有快速響應特性、長壽命的功率型儲能。儲能作為靈活性資源，在為電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)方面能夠發(fā)揮重要作用。文獻[5]提出一種儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的控制策略，能有效改善電網(wǎng)頻率波動和儲能SOC（荷電狀態(tài)）；文獻[6]提出一種分布式儲能集群調(diào)壓控制策略，能夠有效消除節(jié)點電壓越限問題，提升儲能系統(tǒng)運行經(jīng)濟性；文獻[7]基于模型預測控制方法，提出了一種考慮退化成本的電池儲能參與調(diào)頻市場的控制方法，可使電池儲能在降低退化成本的同時保持較高的調(diào)頻性能指標，從而提高在調(diào)頻市場中的總收益。傳統(tǒng)的單一儲能系統(tǒng)在技術(shù)層面難以適應調(diào)頻輔助服務(wù)對能量與功率的多層次需求，而混合儲能系統(tǒng)由于可充分利用不同類型儲能在技術(shù)特性上的互補性，為靈活、高質(zhì)量提供調(diào)頻輔助服務(wù)提供了可能，因此有必要對不同類型儲能介質(zhì)間的功率控制開展研究[8-9]。

目前國內(nèi)外已有混合儲能系統(tǒng)用于為電網(wǎng)提供服務(wù)的相關(guān)研究。文獻[10]提出了一種協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)了功率平衡。文獻[11]對混合儲能系統(tǒng)進行性能優(yōu)化，有效平抑了直流母線電壓波動。文獻[12-13]提出了完整的混合儲能系統(tǒng)的應用框架，并根據(jù)其提供調(diào)頻服務(wù)的經(jīng)濟性對系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。文獻[14]提出了計及儲能壽命的混合儲能系統(tǒng)功率分配策略。文獻[15]分析了不同功率變換拓撲對提升電池壽命的效果。

上述研究均通過對混合儲能系統(tǒng)輸出功率進行控制以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。但是單純控制輸出功率以實現(xiàn)儲能器件壽命最大化會降低系統(tǒng)對服務(wù)需求信號響應的精準度，目前一些成型的電力輔助服務(wù)市場中，均設(shè)有基于服務(wù)性能的打分機制，較低的功率響應能力會降低系統(tǒng)的綜合收益。因此，如何在保證系統(tǒng)響應特性的基礎(chǔ)上開展功率控制仍有待研究。

本文首先建立了一種混合儲能系統(tǒng)應用框架，包括功率響應模塊、功率分配模塊與服務(wù)收益打分模塊，用于衡量系統(tǒng)控制方式的收益能力?；谠摽蚣?，提出一種基于收益量化的混合儲能系統(tǒng)功率控制策略，該策略考慮了不同儲能設(shè)備的壽命因素、功率提供能力與服務(wù)響應質(zhì)量評分，對能量型儲能設(shè)備的SOC 進行控制，實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù)時的協(xié)調(diào)功率控制。

1 混合儲能系統(tǒng)運行收益模型

目前國內(nèi)的電力輔助服務(wù)市場仍處于起步階段，本文基于美國區(qū)域電力傳輸組織PJM 的市場運行機制，以能源提供者的角度建立混合儲能系統(tǒng)運行框架[13]，如圖1 所示。該服務(wù)框架包含功率響應模塊、功率分配模塊與服務(wù)收益計算模塊。該框架可輔助混合儲能系統(tǒng)運營者對輔助服務(wù)信號做出最優(yōu)響應，以達成經(jīng)濟效益最大化的目標。

圖1 混合儲能系統(tǒng)運行框架

1.1 服務(wù)響應機制

在每一固定間隔的時間段，區(qū)域電力組織將根據(jù)發(fā)電量與負荷的供需關(guān)系向混合儲能系統(tǒng)給出服務(wù)信號s，該信號代表了T 時刻混合儲能系統(tǒng)出力占其最大功率響應能力的比例，因此s∈[-1，1]。由于在混合儲能系統(tǒng)中，超級電容占比較低，因此決定系統(tǒng)最大功率響應能力的主要是電池，而超級電容主要用于平抑瞬變的功率分量，因此本文采用電池容量來確定混合儲能系統(tǒng)在時段T 的最大功率響應能力R。R 取決于系統(tǒng)所能提供的充電或放電功率中的最小值，如式（1）所示：

式中：Pd和Pc分別為系統(tǒng)該時刻的最大放電與充電功率；E 為該時刻電池內(nèi)儲存的能量，可由電池SOC 計算得到；C 為電池標稱容量；a，b 分別為放電與充電效率因數(shù)。

由式（1）可見，系統(tǒng)在T 時段的最大功率響應能力由電池容量和T 時段電池SOC 決定，因此可通過控制系統(tǒng)在T 時段出力實現(xiàn)電池的SOC控制，減小電池壽命衰減。

1.2 功率分配拓撲

服務(wù)信號s 通過功率分配模塊分配給電池和超級電容。圖2 是兩種不同的混合儲能系統(tǒng)拓撲。其中圖2（a）是被動型混合儲能系統(tǒng)，其功率分配取決于電池和超級電容的阻抗。該方式結(jié)構(gòu)簡單，減少了高功率變換器投資成本，同時方便電池和超級電容的更換與級聯(lián)，是目前工程中應用最為廣泛的混合儲能功率分配模式。但超級電容電壓受電池電壓限制，無法發(fā)揮其最大的效果。圖2（b）為全控型混合儲能系統(tǒng)，該方式通過功率變換器對超級電容與電池進行獨立控制，能夠最大程度發(fā)揮超級電容的效果，但是其控制系統(tǒng)復雜，且大規(guī)模混合儲能系統(tǒng)的投資成本較高，因此本文采用主動型拓撲結(jié)構(gòu)。

圖2 混合儲能系統(tǒng)拓撲

1.3 服務(wù)收益計算模型

混合儲能系統(tǒng)的服務(wù)收益計算模塊用于評估其在T 時刻提供服務(wù)所帶來的經(jīng)濟收益與儲能壽命等效衰減損失成本之間的關(guān)系，本文定義如式（2）—（3）所示的服務(wù)收益計算模型：

式中：Q 為服務(wù)價格；R 為系統(tǒng)最大功率；PS為系統(tǒng)功率響應分數(shù)；Closs1，Closs2分別為電池儲能與超級電容儲能的壽命等效衰減損失成本；M1，M2分別為電池儲能與超級電容儲能的單位投資成本；Lbat和Lcap分別為電池儲能與超級電容儲能的壽命衰減量。

由式（2）可見，α 能夠描述在一段時間內(nèi)，混合儲能系統(tǒng)出力帶來的壽命衰減所增加的成本與其提供服務(wù)帶來的效益之間的關(guān)系，其中ST為提供服務(wù)時長，Q 為實時服務(wù)結(jié)算價格。當系統(tǒng)功率響應分數(shù)PS（PS計算見1.5 節(jié)）很高時，即系統(tǒng)準確響應服務(wù)信號，收益Q 較高，但是此時電池的放電倍率、放電深度、平均SOC 都會有較大幅度的波動，此時儲能系統(tǒng)的計算壽命下降，導致等效壽命損失成本上升，因此，在計算混合儲能系統(tǒng)收益時應同時考慮響應性能與儲能壽命的協(xié)同效應。

1.4 壽命衰減模型

電池儲能壽命與放電過程中的平均SOC 與SOC 波動有關(guān)，在時間段[0，T]內(nèi)，平均SOC 與SOC 波動如式（4）所示：

由于混合儲能系統(tǒng)中電池充放電為非標準循環(huán)，因此，采用式（5）定義等效放電循環(huán)Num：

式中：I（t）為充放電電流。

根據(jù)式（4）、式（5），采用文獻[16]提出的壽命損失模型，在時間段[0，T]內(nèi)，電池壽命衰減量如式（6）所示：

式中：Kco，Kex，Ksoc，KT為電池固有參數(shù)；Tref和TB分別為等效溫度與實時溫度；Tlife為在容量衰減至80%時的壽命[11]。

1.5 服務(wù)評分模型

本文采用PJM 的系統(tǒng)功率響應分數(shù)PS來描述功率響應性能，其包含三個部分：相關(guān)性分數(shù)CS、延遲分數(shù)DS和準確分數(shù)AS[17]。如式（7）所示：

式中：rsignal，response（T，T+5min）為服務(wù)信號與系統(tǒng)出力之間的相關(guān)系數(shù)；T 為5 min 內(nèi)間隔10 s 的全部時刻；DS由每5 min 內(nèi)，相關(guān)系數(shù)最大的T 時刻計算得到，用于描述系統(tǒng)對服務(wù)信號的延時響應程度；Error 為功率數(shù)值誤差；AS由系統(tǒng)提供功率的數(shù)值誤差折算得到；t 時刻的PS由CS，DS與AS共同組成，其中系統(tǒng)每隔10 s 計算一次PS。由式（7）可見，系統(tǒng)功率響應分數(shù)可以用于描述混合儲能系統(tǒng)提供服務(wù)的準確性，由式（2）可知，其大小將直接影響系統(tǒng)收益。

2 基于收益量化的混合儲能系統(tǒng)功率控制策略

2.1 SOC 控制策略優(yōu)化目標分析

現(xiàn)有基于規(guī)則的混合儲能功率分配策略[13，18-19]與基于濾波的功率分配策略[20-23]均只能實現(xiàn)對電池儲能壽命等單一目標的優(yōu)化，無法同時考慮儲能提供服務(wù)的綜合收益。另一方面，由于混合儲能系統(tǒng)中超級電容儲能的配置容量一般較小，因此僅依靠現(xiàn)有的功率分配策略無法完全滿足能量型儲能SOC 的控制需求，因此有必要施加額外的控制環(huán)節(jié)以滿足能量型儲能SOC 的優(yōu)化目標。基于此，本節(jié)對能量型儲能SOC 控制策略優(yōu)化目標進行分析。

由式（2）可知，在結(jié)算價格一定時，影響收益指標的因素有時段內(nèi)的最大可調(diào)度功率、功率響應評分與等效成本損失。在本文所建立的混合儲能收益模型下，由式（1）可見，R 直接由電池儲能的SOC 決定，當SOC 為50%時，因系統(tǒng)同時具備最大的向上、向下調(diào)頻能力，系統(tǒng)具有最高的R，因此，通過控制電池SOC 維持在50%附近，可以提高系統(tǒng)收益。另一方面，由式（6）可知，電池的等效成本損失主要由電池SOC 波動與平均SOC 有關(guān)，較低的SOC 波動與平均SOC 能夠獲得較低的壽命損耗，進而提高系統(tǒng)收益。

然而在控制電池SOC 的過程中，不可避免地會降低儲能系統(tǒng)實際輸出功率與調(diào)頻服務(wù)信號之間的匹配程度，使影響SOC 變化較大的調(diào)頻服務(wù)信號難以被響應，導致系統(tǒng)功率響應評分下降，進而降低系統(tǒng)收益。因此，最大可調(diào)度功率、功率響應評分與等效成本損失對SOC 控制的目標存在差異，有必要建立以最大化服務(wù)收益指標α 為目標的SOC 控制策略。

2.2 混合儲能系統(tǒng)功率控制策略

基于現(xiàn)有的功率分配策略，本文提出如圖3所示的電池儲能SOC 控制策略。設(shè)置PI 控制器對電池儲能的輸出功率進行調(diào)節(jié)。當儲能系統(tǒng)SOC 偏移50%的控制目標時，系統(tǒng)將PI 控制器的計算輸出經(jīng)由比例環(huán)節(jié)后疊加在由功率分配策略得出的電池儲能計劃輸出功率中，實現(xiàn)電池儲能SOC 的調(diào)整。

圖3 SOC 控制策略

由2.1 節(jié)分析可知，控制電池儲能SOC 為50%雖然能夠獲取最高的R，但同時會降低系統(tǒng)PS，因此對電池儲能SOC 的控制策略應具備動態(tài)調(diào)整能力。本文設(shè)置比例環(huán)節(jié)K 用于調(diào)節(jié)對電池儲能施加SOC 控制的程度，當K 較大時，系統(tǒng)對SOC 的控制加強；當K 較小時，系統(tǒng)對電池SOC的控制減弱。K 值由基本調(diào)節(jié)比例系數(shù)k 與動態(tài)補償系數(shù)k′疊加組成。其中k 為常數(shù)，k′由式（8）得出：

式中：m 為功率限值調(diào)節(jié)系數(shù)；ε 為系統(tǒng)功率最低允許值，可根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)定。

由式（8）可見，當R 低于系統(tǒng)設(shè)置的最低允許值且持續(xù)下降時，系統(tǒng)會因k′獲得較大的K值，使得系統(tǒng)加強對電池SOC 的控制以提升R，從而提升收益。而當系統(tǒng)的R 較高且未發(fā)生下降時，K 僅由k 決定，系統(tǒng)不會加強對電池儲能SOC 控制的程度。

2.3 控制參數(shù)優(yōu)化

由前文分析可知，本文提出的混合儲能功率控制策略具有如下兩個控制參數(shù)需要優(yōu)化：基本調(diào)節(jié)比例系數(shù)k 與功率限值調(diào)節(jié)系數(shù)m。上述兩個控制參數(shù)的取值直接影響系統(tǒng)的最終收益。由于遺傳算法對種群的多點尋優(yōu)方式使其較傳統(tǒng)數(shù)學優(yōu)化方法更易找到全局最優(yōu)解，且魯棒性較好，因此本文采用遺傳算法，以服務(wù)收益指標最大為目標，對上述控制參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化目標函數(shù)如下：

約束條件如下：

1）系統(tǒng)功率約束

式中：Pbat，Pcap分別為電池和超級電容的實際功率。

2）SOC 約束

式中：Sbat_min，Sbat_max分別為電池SOC 的上、下限值；Scap_min，Scap_max分別為超級電容SOC 的上、下限值。

3）儲能功率約束

式中：Pbat_min，Pbat_max分別為電池功率的上、下限值；Pcap_min，Pcap_max分別為超級電容功率的上、下限值，該值是通過儲能本體及儲能變流器設(shè)備的功率極限共同約束。

在混合儲能系統(tǒng)實際運行過程中，由于服務(wù)信號在短時間內(nèi)對電池SOC 的影響相對較小，因此可每隔T 時間采用上述優(yōu)化方法對控制參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)可應用于下一服務(wù)時段。

3 仿真分析

為驗證本文提出的儲能SOC 控制策略的有效性，并進行控制參數(shù)優(yōu)化，本文搭建MATLAB/Simulink 混合儲能模型，調(diào)用遺傳算法工具箱對控制參數(shù)進行優(yōu)化，算例中系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 混合儲能系統(tǒng)主要參數(shù)

在對混合儲能系統(tǒng)施加了本文提出的收益量化的能量型儲能SOC 控制策略后，系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4、圖5 所示，其中HESS-1 為不施加SOC 控制的混合儲能系統(tǒng)，HESS-3 為施加本文SOC 控制策略后的系統(tǒng)。本文選取兩種不同的運行工況，分別為同時具備連續(xù)向上和向下的調(diào)頻工況，與連續(xù)向下的調(diào)頻工況。

圖4 服務(wù)工況1（2019 年6 月21-23 日）計算結(jié)果

由圖4、圖5 可知，在整個服務(wù)區(qū)間內(nèi)，有多段持續(xù)充電或放電的需求導致電池儲能SOC持續(xù)向單方向變化，大幅度降低了系統(tǒng)的最大功率響應能力。在此類過程中，在不施加本文所提SOC 控制的情況下，系統(tǒng)的最大功率響應能力較低，是收益降低的主要原因。在施加了本文SOC控制策略之后，系統(tǒng)在此類過程中的SOC 變化明顯下降，雖然功率響應評分有所下降，但處于允許范圍內(nèi)。可見系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化在R 與PS之間形成了平衡，以實現(xiàn)總體收益最大化。

在兩種不同的調(diào)頻服務(wù)工況下，電池儲能SOC 平均值為50.01%與49.99%，平均功率響應評分分別為0.96 與0.97，可見系統(tǒng)在保證功率響應能力的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了電池儲能SOC 的控制目標。

在2019 年全年范圍內(nèi)，隨機選擇8 個服務(wù)時段，每個服務(wù)時段持續(xù)3 天，用于驗證本文策略的收益能力。在施加了本文提出的SOC 控制策略后，儲能系統(tǒng)參與調(diào)頻輔助服務(wù)的收益如表2所示，所選8 個時段的平均收益為4 384 美元/天，相比于未施加本文提出SOC 控制策略的混合儲能系統(tǒng)與純電池儲能系統(tǒng)，收益分別提升了58.6%與64.8%。

表2 調(diào)頻服務(wù)費用明細

4 結(jié)論

本文提出了一種混合儲能系統(tǒng)應用框架，包括功率響應模塊、功率分配模塊與服務(wù)收益打分模塊，用于衡量系統(tǒng)控制方式的收益能力。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于收益量化的能量型儲能SOC 控制策略，提升系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟性。根據(jù)PJM 組織提供的實時服務(wù)信號與價格數(shù)據(jù)建立仿真模型，結(jié)果顯示，運行本文提出的雙目標控制方式下，系統(tǒng)在所選的8 個運行時段平均收益為4 384 美元/天，相比于未施加本文提出SOC 控制策略的混合儲能系統(tǒng)與純電池儲能系統(tǒng)，收益分別提升了58.6%與64.8%。