王亞莉，葉澤，黃際元，魏文，戴雙鳳，張冰玉

(1. 長沙理工大學 經(jīng)濟與管理學院，湖南 長沙 410114；2. 長沙理工大學 電價研究中心，湖南 長沙 410114；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司 長沙供電分公司，湖南 長沙 410015；4. 湖南理工學院 經(jīng)濟與管理學院，湖南 岳陽414000；5. 國網(wǎng)浙江湖州市德清縣供電有限公司，浙江 湖州 310000)

0 引言

隨著中國近年來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?！笆濉币?guī)劃指出，到2050年非化石能源占總能源消費的目標比例高達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，隨著大規(guī)模儲能(energy storage，ES)并網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，以及ES的快速響應能力，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)濟性。為此，文獻[11]針對負荷側ES，建立聯(lián)合調(diào)峰收益與調(diào)頻收益的經(jīng)濟優(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收益之和，從經(jīng)濟性的角度驗證了調(diào)峰調(diào)頻多場景的可行性。文獻[12]利用非調(diào)頻期ES平抑風電波動，有效提高了系統(tǒng)風電消納能力和利用率，從技術層面分析了多場景協(xié)調(diào)控制的可行性。文獻[13]基于園區(qū)預測負荷，對負荷及荷電狀態(tài)（state of charging，SOC）進行劃分區(qū)間，針對不同區(qū)間設計各自的目標函數(shù)，采用動態(tài)自適應粒子群算法進行求解，進而確定ES控制策略。文獻[14]提出負荷預測與調(diào)峰動態(tài)目標規(guī)劃結合的ES調(diào)峰控制策略，通過分階段滾動優(yōu)化實現(xiàn)最優(yōu)調(diào)峰效果。文獻[15]針對電網(wǎng)側ES，提出了一種調(diào)峰調(diào)頻的綜合控制策略，將SOC進行區(qū)域劃分，實現(xiàn)2個應用場景協(xié)調(diào)運行。

除此之外，對SOC的研究也得到廣泛關注。文獻[16]提出根據(jù)電池SOC來優(yōu)化風電場、ES及同步發(fā)電機組參與調(diào)頻功率的分配。在文獻[17]中，為避免高放電深度的頻率調(diào)節(jié)，提出了一種風電-電池混合動力系統(tǒng)SOC反饋控制策略。在文獻[18]中，在微電網(wǎng)中提出了電池/超級電容SOC的恢復，并通過實驗裝置進行了驗證。文獻[19]基于SOC與充放電功率關系，提出一種變下垂系數(shù)自適應控制方法，有效避免SOC越限問題。

由上述文獻研究不難看出，現(xiàn)有研究對推動ES參與電力市場服務做出了巨大貢獻，但對如何確定峰谷時段的研究報道較少，基本采用固定峰谷時段計算，而在不同季節(jié)，負荷曲線不同，峰谷時段有偏差[20]?；诖?，本文提出了一種基于ES等容量的峰谷時段劃分方法，可應對不同季節(jié)負荷曲線偏移問題；并在此基礎上，提出一種“閑時復用”策略，進而提高ES利用率和經(jīng)濟效益。

1 基于SOC的多時間尺度劃分方法

ES只在負荷高峰或低谷時段才進行充放電動作，其他時段均處于閑置狀態(tài)，利用率較低。圖1為單調(diào)峰場景示意。為此，本文對ES采用“閑時復用”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)頻多場景切換示意。

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

圖2 不同時間尺度的協(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ES 應用于調(diào)峰調(diào)頻協(xié)同控制時，須考慮SOC 影響。當ES 工作在填谷區(qū)時，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，處于放電狀態(tài)，SOC 從0.9 降至0.1。此時，當ES 切換至調(diào)頻區(qū)時，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SOC為0.1時，不能通過放電來改善頻率跌落問題，當SOC為0.9時，不能通過充電來改善頻率上升問題。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)場景出力過程如圖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)分別為時刻t的計劃填谷線和計劃削峰線，將在第2節(jié)動態(tài)峰谷時段劃分中詳細分析求解步驟；Pbess(t)為ES充放電量；PPRF(t) 為在非調(diào)峰期由負荷擾動引起的ES調(diào)頻出力。采樣間隔為1 min，則一天時間內(nèi)樣本數(shù)t=1 440。

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

式中：ΔPPFR_i為第i臺機組調(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)同場景工作區(qū)域劃分與出力規(guī)則，可得到每個時刻的ES出力，具體實現(xiàn)過程如下。

（1）填谷區(qū)：在該時段負荷處于谷值，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)：在該時段沒有調(diào)峰需求，若頻率偏差大于設定上限，ES為充電狀態(tài)，Pbess(t) =PPRF(t) ＜ 0；若頻率偏差小于設定下限，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)：在該時段負荷處于峰值，電力處于供不應求的狀態(tài)，ES處于放電狀態(tài)，Pbess(t) =Pf(t) ＞ 0。

2 動態(tài)峰谷時段劃分方法

目前，利用ES進行“削峰填谷”的研究已相當完善，但大都是基于固定峰谷時段和峰谷值。然而，在不同季節(jié)，受風電和負荷影響，峰谷時段略有不同，如圖2所示，峰谷時段的劃分直接影響ES調(diào)峰調(diào)頻時段。因此，本文提出一種基于ES等容量變功率充放電來確定峰谷時段的方法，進而提高峰谷時段劃分準確性。實現(xiàn)過程如下。

步驟（1）：導入原始負荷PL，得到負荷最大值Pmax和最小值Pmin。

步驟（2）：設定ES額定功率與額定容量為Pm和Em，ES當前可用容量為En，削峰線初始值為Pmax，并以步長△P向下移動，則可得實時削峰線Pf=Pmax-k×△P與負荷曲線的交點t1、t2，則此時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△P上移，填谷線Pg=Pmin+k×△P與負荷曲線交點t3、t4，則此時ES參與填谷吸收的電量為

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

3 經(jīng)濟調(diào)度模型

3.1 ES成本模型

ES參與調(diào)峰場景的經(jīng)濟優(yōu)化模型主要從投資成本與運行收益兩方面構建。投資成本主要包括初始投資成本、運行維護成本、報廢成本3大類。

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

式中：Mp為ES電站建設時單位功率投資成本，萬元/MW；ME為單位容量投資成本，萬元/(MW·h)；n為ES電站運行壽命，年。

（2）運行維護成本Cy指為保證ES電站正常運行對設備進行檢修與保養(yǎng)而動態(tài)投入的費用，即

式中：Np為ES電站在使用年限內(nèi)單位功率維護成本，萬元/MW；NE為單位容量維護成本，萬元/(MW·h)。

（3）報廢成本Cb指ES電站在運行壽命結束后，對其進行清理、銷毀以及部分資源回收而產(chǎn)生的成本，即

式中：λpcs為PCS單位功率報廢成本，萬元/MW；αecs為ES電池單位容量回收成本，萬元/(MW·h)。

3.2 ES收入模型

2019年1月9日，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關于積極推進風電、光伏發(fā)電無補貼個價上網(wǎng)有關工作的通知》，提出要加快推進風電和光伏上網(wǎng)量?；谛履茉捶凑{(diào)峰特性，在未來幾年內(nèi)，ES收入將主要依賴“削峰填谷”賺取峰谷價差。在閑置時段，通過輔助服務市場(電網(wǎng)備用或調(diào)頻)賺取補貼。因此，ES收入主要分為削峰填谷和輔助服務市場收入2大部分。

3.2.1 削峰填谷收入

削峰填谷收入主要是指ES在負荷低谷時段充電，在高峰時段放電，賺取電網(wǎng)差價，以及降低火電機組調(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 輔助服務收入

3.2.3 延緩電網(wǎng)投資建設收益

3.3 模型約束

本文采用改進的GA算法進行模型求解，具體求解過程參考文獻[21]。

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

以中國中部某省變電站典型日負荷數(shù)據(jù)為例，進行實例仿真。負荷擾動數(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)峰補償標準為2元/MW，深度調(diào)峰補償標準為0.5元/( MW·h)，全年參與深度調(diào)峰140天[22-23]，分時電價如表1，ES電池參數(shù)如表2所示[24]，經(jīng)濟參數(shù)如表3所示。在進行環(huán)境收入分析時，環(huán)境污染物種類與對應單位治理成本如表4所示，調(diào)頻備用容量分時補貼價格如圖5所示。

表1 峰谷電價參數(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備用補償價格Fig. 5 ES standby compensation price

4.2 “閑時復用”控制策略經(jīng)濟對比分析

假設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)為目標進行求解，對應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“閑時復用”控制策略后的出力值。調(diào)峰和調(diào)頻ES動作次數(shù)與利用率如表6所示。表7為“閑時復用”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 “閑時復用”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ES削峰填谷的功能，負荷曲線峰值由205.32 MW降低到187.24 MW，削峰率達到8.82%，緩解了電網(wǎng)調(diào)峰壓力。結合表5，初始投資成本占總成本98%，其中報廢成本包括對ES電池資源回收產(chǎn)生的殘余價值，為負數(shù)，說明報廢成本能帶來額外收入。其投資回收年限為9.26年，而ES壽命周期為10年，說明能在壽命期限內(nèi)收回成本。

由圖7和表6可知，當ES采用“閑時復用”控制策略時，在“削峰填谷”時段，ES輸出功率一致。而備用時段，當系統(tǒng)負荷增大時ES放電，負荷減小時ES充電，ES利用率有效提高了16.25%。

對比表5和表7可以發(fā)現(xiàn)，投資建設成本不變，僅運行維護成本略有增加，這是由于備用狀態(tài)參與平抑負荷擾動、增加動作次數(shù)所致。但收入因ES在閑置時段參與平抑負荷擾動，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20.12萬元，投資回收年限為8.09年，縮短了1.17年。

綜上，ES采用“閑時復用”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。進而實現(xiàn)提高ES利用率和電網(wǎng)經(jīng)濟性的雙重目的，具有較好的研究價值。

4.3 峰谷時段劃分對ES經(jīng)濟影響分析

由4.2節(jié)分析可知，ES采用“閑時復用”控制策略時能有效提高ES經(jīng)濟性，但調(diào)峰調(diào)頻場景工作時間受峰谷時段劃分法影響。因此，本節(jié)主要驗證本文所提峰谷時段劃分方法對ES經(jīng)濟性的改善作用。圖8為不同季節(jié)負荷曲線，圖9為峰谷時段曲線劃分。僅根據(jù)ES經(jīng)濟模型求解，可得固定峰谷時段劃分曲線如圖9 a)所示，而采用本文所提等容量“削峰填谷”時段劃分法，可得峰谷時段曲線如圖9 b)所示。其中投資回收期、NPV指標如表8所示。

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

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

表8 經(jīng)濟指標結果Table 8 Results of economic indicators

由表8可知，ES在本文所提峰谷時段劃分方法下，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563.41萬元，遠超固定劃分法。這主要是因為本文所提方法能充分發(fā)揮ES作用，擴大了“削峰填谷”時間和功率，進而有效提高ES經(jīng)濟效益。

5 結論

針對ES僅參與調(diào)峰控制、利用率低、經(jīng)濟成本高，以及峰谷時段劃分對多場景切換的影響問題，本文提出了一種基于等容量的“削峰填谷”時段劃分方法。并在此基礎上，提出一種ES參與多應用場景的經(jīng)濟優(yōu)化模型。通過仿真分析得出以下結論。

（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參與多應用場景的方案，進而實現(xiàn)ES“閑時復用”功能，相比單調(diào)峰控制，有效降低了ES閑置率，NPV增加了20.12萬元，投資回收年限縮短1.17年。

（2）提出的“削峰填谷”時段劃分方法，提高了峰谷時段劃分準確性，進而實現(xiàn)調(diào)峰和平抑凈負荷波動工作狀態(tài)的準確切換，與單調(diào)峰峰谷時段劃分法相比，NPV增加了110.92萬元，投資回收年限縮短1.75年。