储能调峰调频原理

2022-09-11 09:12 来源：读者提供作者：网友发布浏览：31

核心提示【能源人都在看，点击右上角加'关注'】评估储能独立参与调峰市场后对电网调峰调度成本和自身经济效益的影响。图1 储能参与调峰市场的优化调度流程 2.1储能参与调峰市场申报模型考虑储能在市场初期缺乏竞价经验。2 储能参与调峰市场的优化调度

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评估储能独立参与调峰市场对调峰调度成本和自身经济效益的影响。图1储能参与调峰市场的最优调度过程2.1储能参与调峰市场的应用模型考虑到储能在市场初期缺乏竞价经验。2随着电能现货市场的发展，储能参与调峰市场的优化调度模型。

摘要:为促进电能储存积极参与电网调峰，在调峰辅助服务市场对电能储存放开的背景下，梳理了电能储存独立参与电网调峰的交易模式，并对电能储存独立参与调峰市场的调度运行和市场收益进行了模拟分析。基于从电网吸收的电量越多，储能价格越高的原则，制定储能参与调峰市场的分段竞价策略，结合储能充放电行为预测，构建储能参与调峰市场的申报模型。根据次日电网调峰需求，结合储能和火电调峰报价信息，构建调峰市场竞价清算模型，使电力调度机构以系统调峰成本最小为目标调用调峰资源。在实际调度运行中，考虑储能实时充放电状态和电能价格，构建储能实时优化调度模型，以市场利润最大化为目标优化放电行为。以含风电和光伏电站的储能电站为例，基于西北某电网的实际运行数据，利用上述模型进行实例分析。仿真结果表明，储能参与调峰市场可以降低电网调峰成本，并通过调峰补偿和电力市场收益增加自身利润，为促进储能独立参与调峰辅助服务市场提供了一定的理论依据。

关键词:独立储能；电网的调峰；西北电网；竞价出局；最优调度

长期以来，西北电网新能源装机容量占比一直处于全国前列。截至2018年6月底，新能源累计并网容量达到8438.8万千瓦，占全网总装机容量的34.5%。预计到2020年底，可再生能源装机容量将达到49%。但西北电网负荷增长放缓，受冬季供暖和自然因素影响，系统内灵活调节资源匮乏。新能源并网比例高，增加了等效负荷的峰谷差，导致西北电网长期处于高弃风弃光率。目前，作为西北电网调峰市场的主力军，传统火电机组由于自身技术特点和供热要求，调峰缺乏灵活性，最低运行负荷较高，难以满足系统要求。

近年来，电能储存在我国可再生能源消费、电力辅助服务等领域得到广泛应用，形成了初步的商业化发展模式。与火电机组相比，储能设备具有响应速度快、调节灵活的特点，储能成本不断降低，在调峰调频领域有很大的前景。储能电网参与调峰近年来也被广泛研究，主要体现在两个方面:一是储能参与辅助服务的优化控制；二是储能参与辅助服务的经济效益评价。在储能参与辅助调峰优化控制方面，参考文献[6]提出了一种基于动态规划的调峰填谷实时优化方法。参考文献上述文献为储能参与调峰调频辅助服务提供了良好的技术支持和经济决策参考，但将发电侧储能作为独立主体参与辅助服务市场最优控制和受益的研究较少。在《关于推进电能储存参与“三北”地区电力辅助服务补偿机制试点工作的通知》中，能源局提出发电侧电能储存设施可作为独立主体参与辅助服务市场交易。因此，有必要对储能独立参与辅助服务市场进行研究，为西北电网完善储能调峰的配套政策和市场机制提供参考。本文首先分析了发电侧电能储存独立参与调峰辅助服务市场的具体模式和实施过程，构建了调峰市场竞价清算模型，以及储能实时优化调度模型。基于西北某电网的实际运行数据，对模型进行仿真分析，评估储能独立参与调峰市场对调峰调度成本及其自身经济效益的影响。设计了带动作死区的电池储能系统在低负荷期参与调峰的控制策略；参考文献1西北电网储能参与调峰市场模式提出了用一个边际负荷值来决定电站充放电运行状态的控制方案；参考文献1.1国内外储能市场机制介绍提出了利用逆变器空的备用容量参与电网调频/调峰的光存储系统综合控制策略。在储能参与辅助服务的经济效益评价方面，参考文献国外电力市场运行机制比较成熟，储能主要参与调频、备用等辅助服务市场。在美国PJM调频辅助服务市场，电池和飞轮储能装置通过跟踪动态调频信号获得调频资源的补偿成本。在美国的CAISO市场，储能可以参与FM市场、能源市场、旋转备用容量市场等。同时，从而获得叠加利益。在英国电力辅助服务市场，储能可以参与高级调频和容量市场。德国光伏发电设施上安装的储能装置可以通过参与市场调频获得收益。建立了数学模型，从社会效益和投资者的角度评价储能系统的投资经济性；文献《两个细则》发布以来，我国部分电网相继建立了辅助服务市场管理机制，给出了储能参与调峰辅助服务市场的方式和补偿规则。江苏省规定，储能电站作为市场初期的市场主体，可以参与启停调峰，但不参与报价，对超出基本充电量的部分进行补偿。福建省、东北地区、华南地区规定储能可独立或与其他主体联合参与辅助服务市场，补偿成本可按一定标准或协商确定。青海、甘肃两省规定，发电企业可以作为市场主体参与调峰调频等辅助服务交易，按照市场出清价格确定补偿成本。考虑了储能系统的潜在效益，建立了判断储能经济性的数学模型。1.2西北电网储能参与调峰交易模式提出了电池储能参与风电辅助服务的综合经济效益数学模型；文献西北地区新能源装机比例将逐年增加，储能电站总体布局应与新能源发电基本一致。初期将以投资低、便于灵活布局的电化学储能为主要方式，抽水蓄能和再生蓄能为辅助技术手段，新能源电厂储能将成为重要的调峰技术手段。引入全生命周期能量输入和储存的回报指标来评价不同的储能技术。

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根据青海、甘肃公布的电能储存交易规则，风电场、光伏电站计量网点内建设的电能储存设施的充电容量，由所在风电场、光伏电站优先使用，电能储存设施投资运营企业与风电场、光伏电站协商确定补偿成本。在储能独立参与调峰市场之前，需要根据风电场或光伏电站的发电出力计划预测储能次日的充放电行为，获得其荷电状态的预测值，从而决定其参与调峰市场的竞价行为。储能独立参与市场，独立承担收益和损失成本。

参与储能调峰市场的交易模式是日前申报，日内调用。愿意参与电力调峰服务市场集中交易且符合条件的储能，应当向市场交易机构报告交易期间的意向价格和日电量曲线，包括交易时段和各时段用电量。电力调度机构根据电网运行需要，根据前一日竞价结果，在一日内由低价向高价调用，并以当日实际调用的最后一次储能报价作为市场清算价格，根据储能的充电量和清算价格对储能进行调峰补偿。

2参与调峰市场的储能优化调度模型

随着电能现货市场的发展，储能不仅可以参与调峰市场进行调峰补偿充电，还可以在其他时段通过电网系统放电。基于储能的放电容量，根据实时电能价格变化曲线，以市场利润最大化为目标控制放电行为。储能独立参与调峰市场并进行实时优化调度的具体过程如图1所示。

图1储能参与调峰市场的最优调度过程

2.1储能参与调峰市场的应用模式

考虑到市场前期缺乏储能的竞价经验，每个交易时段提供M个报价方案，M个报价方案的报价为

图2不同报价方案下的SOC状态曲线

在不同的市场竞价方案下，各时段的峰值用电量如下

其中CV为电网调峰成本；电视是系统需要调峰的时期；Ni和Nj分别为储能数量和参与调峰市场的火电机组数量；St为T期调峰市场边际出清价格；PW，I，T，PW，j，T分别为T期储能和火电机组赢得的调峰功率；Rt是t时期系统的峰值需求。边际清算价格和每个市场成员的获胜能力之间的关系如图3所示。

图3市场出清价格与获胜能力的关系

2.3储能实时优化调度模型

假设经协商，新能源供电企业根据规定的储能数量和新能源上网电价支付储能补偿费，并补偿相应的电池损耗费。储能实时优化调度的目标函数是调度日内利润最大化。

式中，Pt为t期现货市场价格；Tdis是调度周期中能量储存和释放的周期；Pe，dis，t为t期间参与现货市场的储能的放电功率；FC新能源企业储能补偿费用；PC是新能源的上网电价；FV为储能参与调峰市场的实际收益；Clos是电池损耗的成本；β为充放电单位电能折算的电池损耗费用率；Pdis，t，Pc，t为t周期内储能的实际放电功率和充电功率。

该模型要考虑的约束还包括放电功率约束和不能同时充放电。此外，为了保证储能电站提供辅助服务的可持续性，在实时调度过程中需要考虑储能起始和结束时刻的日SOC相同，约束关系如下

其中ST是SOC在计划日结束时；S0是调度日初始时间的SOC。

2.4模型求解

在求解调峰市场集中竞价清算模型时，市场交易机构将根据各市场主体提交的申报信息，确定以调峰调度成本最小为目标的中标结果和边际清算价格。考虑到遗传算法的运算是二进制代码转换，在计算过程中不需要存储决策变量的状态或离散点。在求解储能实时调度优化模型时，由于大量的离散荷电状态，将采用遗传算法来确定调度周期内各周期的放电情况[18]。

遗传算法将问题的解表示为作为遗传个体的“染色体”，在算法中以二进制或实数编码串的形式存在。在执行算法之前，给定一组“染色体”作为初始假设解，并将这些假设解置于问题的“环境”中。根据优胜劣汰的原则，选择对环境适应能力更强的染色体进行复制，然后通过交叉和变异产生对环境适应能力更强的新一代“染色体”群体，直到种群收敛到一条对环境适应能力最强的染色体，即问题的最优解。用遗传算法求解储能实时优化调度模型时，具体过程如下。

编码和初始化群体

考虑到实时储能调度模型的约束条件相对复杂，为了直接判断约束条件，本文采用实数编码的方法利用遗传算法求解，在约束条件内随机生成一组储能在调度周期内各时段参与现货市场的放电功率。组成的“染色体”为X=，每条染色体对应最优调度的一个解，也称为“个体”。所有个体形成一个种群，即初始种群。

适应度函数

在求解电能存储实时优化调度模型时，将模型的目标函数作为适应度函数，根据每个个体的适应度值进行进化和搜索，从而实现优胜劣汰，进而使种群向更好的方向进化。

挑选

种群中的个体按适应度排列，采用轮盘赌选择法进行选择。每个个体被选中的概率与其适应度值成正比，这样适应度较高的个体将作为下一代个体的父代进行后续进化。

发展

对选择的亲本进行一定概率的杂交和变异。杂交是产生新个体的主要方法。变异可以保持种群的多样性，防止其陷入局部最优。在实数编码遗传算法中，种群的进化是通过构造交叉和变异算子来实现的。交叉算子在哪里

δ是一个很小的数字。

在进化过程中，为了防止最优解被替换，将上一代适应度最高的个体直接放入下一代种群。

3储能参与调峰市场案例分析

3.1示例数据

由于西北电网新能源占比高的特点，参与调峰的储能主要是指新能源发电时吸收系统功率。为了评估储能参与西北地区调峰市场对系统经济性和自身效益的影响，对上述模型进行了仿真分析。假设有一个储能装置用于风电场运行，一个储能装置用于光伏电站运行。主要技术参数见表1。

表1储能主要技术参数

基于第二天新能源的产量预测，储能配合新能源电站运行的充放电行为预测结果如图4所示，其中储能功率大于0表示放电，储能功率小于0表示充电，SOC为对应时间结束时的充电状态。第一天和第二天的储能容量分别为40mw·h和90mw·h。

图4新能源储能运行

以西北某省级电网为例，预测该电网96点新能源出力曲线和实时电价如图5所示。

图5新能源产量和实时电价

这个地区的新能源产量在一天中波动很大。为此，交易机构建议调峰时段为10: 00-16: 00，以15分钟为一个交易时段。每个时期的调峰需求如图6所示。

图6电网调峰需求

3.2调峰市场竞价结果

除了上面提到的储能，另外两台火电机组也将参与调峰交易。市场上初始储能的申报价格区间为0.2 ~ 0.5元/。不同调峰方式下火电企业报价上限和下限见表2。

根据调峰市场竞价清算模型，表5和表6分别给出了储能参与调峰市场和不参与调峰市场时的调峰市场竞价清算结果和电网调峰成本。

可以看出，储能参与调峰市场后，可以分担火电机组的调峰压力，避免机组低负荷率运行，降低调峰边际成本，显著降低电网调峰成本。

3.3储能实时优化调度结果

电池充放电折算的电池损失率β为120 ~ 140元/，采用遗传算法求解储能实时优化调度模型，各储能96次实时优化调度结果分别如图7和图8所示。

当电站参与调峰、现货电等市场经济活动时，其初期投资成本需要在运行过程中得到合理反映。为了在实时调度中更准确地反映投资成本，本文将储能电站的初期投资折算为日成本，折算结果如表7所示。

表7投资成本的转换

本例中，考虑每日折算投资成本，储能参与调峰市场和不参与调峰市场时，一天调度周期内的具体盈利情况如表8所示。可以看出，储能通过参与调峰市场，增加了自己在现货市场的电力储存和套利，从而提高了自己的效益。

表8储能利润

4结论

作为一种灵活的调峰资源，本文构建了储能独立参与调峰市场的竞价出清模型和储能实时优化调度模型，并用遗传算法进行优化。基于西北某电网实际运行数据的仿真结果表明，储能参与调峰市场不仅能为储能投资者带来可观的收益，还能降低系统的调峰成本，为电力系统释放调峰潜力提供了新的途径。

随着西北电网新能源装机容量的增加，建议积极完善储能自主参与调峰市场的方式，通过政策支持和市场引导进一步释放系统调峰能力，满足新能源消纳需求，增强西北电网对并网可再生能源的适应能力。此外，同属于“三北”地区的华北电网和东北电网也相继出台相应细则，允许储能独立参与调峰市场。在可再生能源高比例并网的要求下，也迫切需要扩大参与调峰的储能规模，充分发挥储能在电力系统调峰中的作用。