《储能科学与技术》推荐|李秀慧 等：考虑调峰调频需求的新能源电网储能优化配置
日期：2022-12-05
作者：admin 浏览：
71 评论：0 核心提示：#2022年第11期20
个#研究102
个#储能系统与工程46
个作者：
李秀慧 崔炎 单位：
国网甘肃省电力公司引用
#2022年第11期
20
个
#研究
102
个
#储能系统与工程
46
个
作者：
李秀慧
崔炎
单位：
国网甘肃省电力公司
引用：
李秀慧
,
崔炎
.
考虑调峰调频需求的新能源电网储能优化配置
[J].
储能科学与技术
,2022,11(11):3594-3602.
DOI
：
10.19799/j.cnki.2095-
4239.2022.0331
摘 要
风电、光伏等新能源大规模接入电网带来电力电量不平衡问题。对此，本工作提出考虑新能源电网调峰调频需求的储能优化配置方法。首先，建立典型日多时间尺度运行模拟模型用于量化储能参与系统调峰和频率响应的贡献，即兼顾碳足迹约束的日前调峰和兼顾联络线偏差控制的日内调频。然后，建立储能配置-运行双层优化模型，上层配置模型以系统年运行成本与储能等值年投资成本总和最小为目标决策储能容量，下层运行模型通过两阶段时序模拟刻画不同典型日下的多时间尺度运行。该双层优化问题通过差分进化算法+Gurobi求解器的混合算法求解。最后，算例表明考虑储能参与双重应用场景的配置结果更为合理，系统运行总成本更低、碳排放更少。
关键词
储能配置；新能源电网；调峰-调频两阶段运行模拟；双层优化
“碳达峰、碳中和”目标下，我国每年风光新能源的新增装机容量将达到75 GW，电力系统正经历绿色低碳转型和能源结构变革。新能源渗透率的升高使电网面临日益严峻的电力电量不平衡问题，新能源随机性、波动性和间歇性对电网安全稳定运行的冲击日益加剧。传统火电等灵活性资源发展受限，电化学储能作为前景广阔的灵活资源将在新型电力系统中充当重要角色。因此，面向系统调峰、调频等需求合理配置电化学储能是缓解新能源电网电力电量不平衡矛盾的重要措施。
当前国内外学者立足调峰、调频、抑制超低频振荡、消纳新能源等储能应用场景，开展了电化学储能电站容量配置相关研究。文献[
6
]提出一种储能辅助电网调峰的双层配置方案，并对储能系统全寿命周期内的经济性进行分析；文献[
7
]以频率变化率和频率偏差为限制条件，提出了一种高风电渗透率下考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法；文献[
8
]提出了电网侧储能电站参与超低频振荡抑制应用的容量分配方法；文献[
9
]构建了基于分类概率机会约束信息间隙决策理论的配网储能鲁棒优化配置模型。综上，储能电站容量配置相关研究多基于单一应用场景，如调峰、调频、消纳新能源、平抑波动、提高供电可靠性等，然而仅考虑单一应用场景配置储能，忽略电网侧储能电站其他辅助服务价值，会低估储能带来的效益，造成规划建设阶段储能配置容量与系统实际储能需求容量不匹配，难以充分挖掘储能调峰-调频等多应用场景协调运行的潜力。
考虑到电化学储能仍具有较高成本，挖掘储能多场景协调应用，实现其参与电网多重辅助服务，可提高储能经济效益以及电网的灵活性和稳定性。有学者提出将储能频率调节、削峰填谷、消纳新能源等多应用场景结合起来。文献[
3
]采用动态规划框架整合频率控制和调频目标，实现储能双重辅助服务联合优化；文献[
14
]利用频率响应备用容量约束将储能一次调频和储能调峰统一到同一时间尺度下，实现百兆瓦级储能参与电网双重辅助服务；文献[
15
]从电/热储能互补的角度提出了储能在消纳新能源弃电和削减电负荷高峰两个场景下的协调运行策略；文献[
16
]考虑电池寿命衰减、运行约束以及负荷和调节信号的不确定性，提出了储能调峰和调频联合优化框架；文献[
17
]提出基于荷电状态的储能调峰-调频工作区域划分方法和协同控制策略，提高了储能利用率。上述文献虽然结合了储能多重应用场景，但并未将多重应用场景下储能的规划配置与运行调度有机融合，即在储能配置时并未对储能与常规机组的调峰-调频多时间尺度运行进行刻画。此外，面向新型电力系统的储能优化配置技术亦不能忽视碳约束的影响。
综上研究与问题，本文提出考虑新能源电网调峰调频需求的储能优化配置方法。首先，建立典型日运行模拟模型，考虑到调峰和调频的时间尺度不同将典型日运行模拟分为日前调峰与日内调频两个阶段，调峰阶段以电源发电成本和弃风弃光成本最小为目标，计及网络潮流约束、碳约束、储能运行约束等，调频阶段以机组调频容量费用、电量费用和联络线功率交换偏差惩罚最小为目标，计及功率平衡约束、AGC可征用容量约束等。然后，建立储能双层优化配置模型，上层为配置问题，下层为运行模拟问题，通过差分进化算法+Gurobi求解器的混合算法进行求解。
针对新能源电网的调峰调频需求，本工作提出储能参与双重应用场景的最优配置方法。首先模拟典型日调峰-调频两阶段运行，然后基于不同典型日下运行模拟提出储能规划-运行双层优化方法。算例结果表明：
（1）与仅计及调峰需求配置储能相比，考虑调峰-调频需求配置储能的经济性更优、系统灵活性更高；
（2）考虑调峰需求配置储能可平整系统的净负荷曲线，提升新能源并网消纳，实现火电机组发电占比下降并减少系统运行碳排放；
（3）考虑调频需求配置储能可降低火电机组AGC征用总容量，储能系统以其快速充放电能力以及成本较低的优势响应了系统的调频需求。
第一作者：
李秀慧（1987—），女，学士，工程师，主要从事储能、电力系统规划研究，E-mail：；
通讯作者：
崔炎，工程师，主要从事储能、电力系统规划研究，E-mail：。
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)、风光发电成本(
、
)以及弃风弃光惩罚(
)，如式(1)所示
为机组启动成本；
为机组开机动作变量；
、
、
为机组燃料成本系数；
为发电机功率；
、
分别为光伏和风电的发电成本；
、
分别为光伏和风电的并网功率；
为单位弃风光电量惩罚系数，
、
为风光理论最大可发电量。
为节点集合；
为发电机-节点关联矩阵；
为储能-节点关联矩阵；
为新能源-节点关联矩阵；
、
为线路-节点关联矩阵；
为储能系统功率；
为日前负荷预测功率；
为线路潮流；
为线路集合；
为节点相角；
为线路电抗；
为线路最大传输功率；
为平衡节点的索引；
为机组启停状态变量；
、
分别为机组最小技术出力和额定功率；
为最小开机运行时间；
为最小关机停运时间；
和
分别为开、关机指令；
、
分别为最大向下、向上爬坡速率；
为储能电站集合；
为储能的能量状态；
为自损耗率；
、
分别为充、放能效率；
、
分别为实时充、放能功率；
为待配置的容量；
、
分别为荷电状态的下限和上限；
、
为充、放能状态；
、
、
分别为火电、光伏、风电生产单位电量对应排放的二氧化碳当量；
为碳足迹上限值。
和容量费用
，以及联络线的偏差惩罚
。
为机组二次调频单位电量费用；
为机组的二次调频功率；
为机组二次调频单位容量费用；
为单位电量的惩罚系数；
为联络线功率偏差变量。
、
分别为AGC征用的机组备用容量；
、
为AGC征用的储能备用容量；
为储能二次调频的功率调整量；
为负荷日内功率波动量；
、
分别为风电和光伏的功率波动量；
为发电机组-区域Ⅰ关联集合；
为储能-区域Ⅰ关联集合。
为典型日表征的天数；
、
分别为储能单位功率初始投资成本和单位容量初始投资成本；
为储能配置的额定功率；
为储能配置的额定容量；
为贴现率；
γ
B
为储能系统的使用寿命；
、
分别为储能系统单位功率年运维成本和单位容量年运维成本。
、
分别为储能系统可配置的最大功率、最大容量；
为最大投资规模。
，配置容量低
，储能年均成本低
，这是因为需要更大的储能功率参与系统调频响应。方案1由于配置的容量相较于方案2更低，且单位容量价格比单位功率价格更高，因此储能年均投资成本更低。方案1对比方案2和方案3大幅降低了系统的弃负荷成本，可见储能系统能有效消纳新能源，减少了弃风光成本。方案1的系统调峰成本相较于方案2和方案3分别下降了12%和18%，调频成本下降了91%，储能系统大幅降低了系统的调峰调频成本。综合以上所有成本，方案1的系统年均总成本比方案2低
，比方案3低
，储能系统参与双重应用场景比单一场景和无储能场景系统年总成本更低。
