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，葉澤，黃際元，魏文，戴雙鳳，張冰玉

(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)

0 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?，本文提出了一種基于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。

圖1 ES調(diào)峰原理Fig. 1 ES peak regulation principle

圖2 不同時(shí)間尺度的協(xié)同工作區(qū)域劃分Fig. 2 Division of collaborative working areas at different time scales

受ES 容量限制，當(dāng)ES 應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻協(xié)同控制時(shí)，須考慮SOC 影響。當(dāng)ES 工作在填谷區(qū)時(shí)，ES 處于充電狀態(tài)，其SOC 從0.1 升至0.9。工作在削峰區(qū)時(shí)，處于放電狀態(tài)，SOC 從0.9 降至0.1。此時(shí)，當(dāng)ES 切換至調(diào)頻區(qū)時(shí)，SOC 初始值可能處于0.1或0.9。然而，頻率偏差具有雙向可能性。因此，當(dāng)SOC為0.1時(shí)，不能通過(guò)放電來(lái)改善頻率跌落問(wèn)題，當(dāng)SOC為0.9時(shí)，不能通過(guò)充電來(lái)改善頻率上升問(wèn)題。為避免使SOC處于臨界值，降低調(diào)頻能力。將SOC調(diào)峰工作區(qū)間設(shè)為0.15～0.85，圖3為協(xié)同控制下的SOC分區(qū)示意。

圖3 協(xié)同控制下的SOC工作區(qū)域劃分Fig. 3 SOC working area division under collaborative control

ES參與調(diào)峰調(diào)頻協(xié)調(diào)場(chǎng)景出力過(guò)程如圖4所示。圖4中：Δfdead為頻率偏差死區(qū)值，取0.033 Hz；Pg(t)和Pf(t)分別為時(shí)刻t的計(jì)劃填谷線和計(jì)劃削峰線，將在第2節(jié)動(dòng)態(tài)峰谷時(shí)段劃分中詳細(xì)分析求解步驟；Pbess(t)為ES充放電量；PPRF(t) 為在非調(diào)峰期由負(fù)荷擾動(dòng)引起的ES調(diào)頻出力。采樣間隔為1 min，則一天時(shí)間內(nèi)樣本數(shù)t=1 440。

圖4 ES多場(chǎng)景出力流程Fig. 4 Output flow chart of ES multi-application scenarios

式中：ΔPPFR_i為第i臺(tái)機(jī)組調(diào)頻輸出功率；Δf為頻率偏差；Ki為單位功率調(diào)節(jié)系數(shù)；PN、fN分別為ES額度功率和額度頻率。

根據(jù)ES參與調(diào)峰調(diào)頻協(xié)同場(chǎng)景工作區(qū)域劃分與出力規(guī)則，可得到每個(gè)時(shí)刻的ES出力，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

（1）填谷區(qū)：在該時(shí)段負(fù)荷處于谷值，電力處于供大于求的狀態(tài)，ES處于充電狀態(tài)，Pbess(t) =Pg(t) ＜ 0。

（2）調(diào)頻區(qū)：在該時(shí)段沒(méi)有調(diào)峰需求，若頻率偏差大于設(shè)定上限，ES為充電狀態(tài)，Pbess(t) =PPRF(t) ＜ 0；若頻率偏差小于設(shè)定下限，ES為放電狀態(tài)，Pbess(t) =PPRF(t) ＞ 0；若頻率偏差在死區(qū)內(nèi)，ES出力為0，Pbess(t) = 0。

（3）削峰區(qū)：在該時(shí)段負(fù)荷處于峰值，電力處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，ES處于放電狀態(tài)，Pbess(t) =Pf(t) ＞ 0。

2 動(dòng)態(tài)峰谷時(shí)段劃分方法

目前，利用ES進(jìn)行“削峰填谷”的研究已相當(dāng)完善，但大都是基于固定峰谷時(shí)段和峰谷值。然而，在不同季節(jié)，受風(fēng)電和負(fù)荷影響，峰谷時(shí)段略有不同，如圖2所示，峰谷時(shí)段的劃分直接影響ES調(diào)峰調(diào)頻時(shí)段。因此，本文提出一種基于ES等容量變功率充放電來(lái)確定峰谷時(shí)段的方法，進(jìn)而提高峰谷時(shí)段劃分準(zhǔn)確性。實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下。

步驟（1）：導(dǎo)入原始負(fù)荷PL，得到負(fù)荷最大值Pmax和最小值Pmin。

步驟（2）：設(shè)定ES額定功率與額定容量為Pm和Em，ES當(dāng)前可用容量為En，削峰線初始值為Pmax，并以步長(zhǎng)△P向下移動(dòng)，則可得實(shí)時(shí)削峰線Pf=Pmax-k×△P與負(fù)荷曲線的交點(diǎn)t1、t2，則此時(shí)ES參與削峰釋放的電量為

若Sf＜En，則迭代次數(shù)k=k+1，更新時(shí)刻t的削峰線Pf(t)，直至Sf=En。

步驟（3）：取初始填谷線Pmin，并以步長(zhǎng)△P上移，填谷線Pg=Pmin+k×△P與負(fù)荷曲線交點(diǎn)t3、t4，則此時(shí)ES參與填谷吸收的電量為

若Sg＜En，則迭代次數(shù)k=k+1，更新時(shí)刻t的填谷線Pg(t)，直至Sg=En。

3 經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型

3.1 ES成本模型

ES參與調(diào)峰場(chǎng)景的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化模型主要從投資成本與運(yùn)行收益兩方面構(gòu)建。投資成本主要包括初始投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、報(bào)廢成本3大類。

（1）初始投資成本Ct指ES電站建設(shè)時(shí)的投入資金，包括容量成本與功率成本，即

式中：Mp為ES電站建設(shè)時(shí)單位功率投資成本，萬(wàn)元/MW；ME為單位容量投資成本，萬(wàn)元/(MW·h)；n為ES電站運(yùn)行壽命，年。

（2）運(yùn)行維護(hù)成本Cy指為保證ES電站正常運(yùn)行對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修與保養(yǎng)而動(dòng)態(tài)投入的費(fèi)用，即

式中：Np為ES電站在使用年限內(nèi)單位功率維護(hù)成本，萬(wàn)元/MW；NE為單位容量維護(hù)成本，萬(wàn)元/(MW·h)。

（3）報(bào)廢成本Cb指ES電站在運(yùn)行壽命結(jié)束后，對(duì)其進(jìn)行清理、銷毀以及部分資源回收而產(chǎn)生的成本，即

式中：λpcs為PCS單位功率報(bào)廢成本，萬(wàn)元/MW；αecs為ES電池單位容量回收成本，萬(wàn)元/(MW·h)。

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。

3.2.2 輔助服務(wù)收入

3.2.3 延緩電網(wǎng)投資建設(shè)收益

3.3 模型約束

本文采用改進(jìn)的GA算法進(jìn)行模型求解，具體求解過(guò)程參考文獻(xiàn)[21]。

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。

表1 峰谷電價(jià)參數(shù)Table 1 Peak-valley price parameters

表2 磷酸鐵鋰ES電池參數(shù)Table 2 Parameters of lithium iron phosphate ES battery

表3 ES經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 3 Economic parameters of ES

表4 排放氣體種類及環(huán)境成本Table 4 Emission types and environmental costs

圖5 ES備用補(bǔ)償價(jià)格Fig. 5 ES standby compensation price

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。

表5 調(diào)峰年成本、收益與回收期Table 5 Annual cost, benefit, and payback period of peak regulation

圖6 調(diào)峰曲線Fig. 6 Peak regulation curves

圖7 調(diào)峰調(diào)頻多場(chǎng)景下ES出力Fig. 7 ES output under multiple peak and frequency regulation scenarios

表6 ES利用率Table 6 ES utilization rate

表7 “閑時(shí)復(fù)用”控制策略下年成本與收益Table 7 Annual costs and benefits of “functioning normally in idle hours” control strategy

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。

圖8 不同季節(jié)負(fù)荷曲線Fig. 8 Load curves in different seasons

圖9 不同季節(jié)峰谷時(shí)段劃分曲線Fig. 9 Curves of peak-valley time division in different seasons

表8 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)結(jié)果Table 8 Results of economic indicators

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。