储能调频系统控制策略与投资收益评估研究 发表版

第!!卷第期#$%年#月现!代!电!力&’()*+,-)./*0.1’2)*3’-4!!!5’46)74#$%现代电力!#$%!!!#!8//9$:((-4+.)9;4)(;4.+!,=0-$:((-!?094%!4.’=文章编号!$$@#!##!#$%$$$E$$@文献标志码!A中图分类号!B&[储能调频系统控制策略与投资收益评估研究陈大宇!张粒子!王立国#!C华北电力大学电气与电子工程学院#北京!$##$%$#C国网天津滨海供电公司#天津!!$$YD$#’)$#+,)$()*-.#/S’*$-.,)#$(-*,.5)*6/#$F$*\K*’8.B*-K+()&#’(’%SC(+K()&#’#/G’C*5)6*’)G’8#6*TG,5ZS;#FGA5HI0c0#‘A5HI0L;’#!CO.8’’-’P,-)./*0.-+(,-)./*’+0.#5’*/8T80+,-)./*0.1’2)*Q+0?)*R0/S#a)0e0+L$##$%#T80+$#CO//)H*0(B0+e0+a0+80,-)./*0.1’2)*O;99-ST’=9+S#B0+e0+!$$YD$#T80+摘!要!本文以华北区域AHT补偿机制为基础!提出了电储能系统响应电网AHT指令的优化控制模型!模型以最大化电储能系统AHT运行的净收益为目标!考虑了电储能系统寿命损耗成本以及AHT补偿收益!并应用粒子群%1ON&算法求解最大化收益的控制策略在算例分析中!基于电网实际下发的AHT指令!应用本文模型对锂离子电池储能系统的控制策略进行时序仿真!即首先对每个AHT指令周期优化储能系统的控制策略!然后计算电储能调频服务在整个仿真周期净收益!最后对储能调频系统的投资经济性进行评估关键词!电池储能$调频$AHT$粒子群算法$投资收益!75)$(8)%A#1’0/)*+#’$#*-’$)’&6.#4&*&+’$0+&&$6.-’#$)6&-.-’&/4#$$&-1#%06AE8+#’$#*-06)*0-1$#91#-&%()-&%#AE8+#/1&-)’0#/&+,)0-/#4O5)(&0A$&)0’,&1)1&$;,&#(I&+’02#1’0/0F)’0#/#%&*0-’#/)G0/0F&’,&&’AE8$&2&5&#)%+)1)+0’.%&6$)%)’0#+#-’#4-’#$)6&-.-’&/%5&’#4$&C5&’+.+*06%5$06$&-1#9%06AE80-/#%&*&%;AE8+#/1&-)’0#()-&%#)+0**)$.-&$20+&+#/1&-)’0#1#*0+.4#$O5)(&0$&60#0-4#$/5*)’&%0’,&/#%&*)-3&**#)%@H)*6#$0’,/0-)11*0&%4#$-#*9206’,
’0/0F)’0#1$#(*&/’#1$#20%&+#’$#*/#%)#3&$#5’15’4#$&&$6.-’#$)6&;!’,&+)-&-’5%.#)+,$#9#*#60+)*-0/5*)’0##4#5’15’+#’$#*4#$)N0’,05/9!#()’9’&$.-’#$)6&-.-’&/0-1&$4#$/&%(.5-06)-&$0&-#4)+’5)*AE8+#’$#*-06)*#03,0+,’,&+#’$#*-’$)’&6.#4&&$6.-’#$)6&-.-’&/0-#1’0/0F&%4#$&)+,AE8+#’$#*+.+*&#)%’#’)*&’AE8-&$20+&$&2&5&%5$06’,&-0/5*)’0#1&$0#%0-+)*+5*)’&%;!’,&&%#’,&02&-’/&’0+#/&&$6.-’#$)6&-.-’&/4#$4$&C5&+.$&65*)’0#0-&2)*5)’&%;9*.:#$%5%&&$6.-’#$)6&-.-’&/$4$&C5&+.$&65*)’0#$AE8$@H$$&’5$#402&-’/&’;!引!言储能系统提供电网AHT调频服务始于美国#通过多年的充分测试和验证#取得了较好的效果#在多个电力市场中实现了商业化应用#例如#超过D$&‘的锂离子电池储能电站参与1X&电力市场的调频市场#有#$&‘的飞轮储能调频电站为纽约电力市场提供调频服务(为更好地利用和推广储能等优质调频电源#美国联邦能源监管委员会还制定了完善的调频服务补偿机制(美国的成功经验表明%相较于传统调频电源#储能电池系统可以提供更优质AHT服务#在毫秒级时间范围内完成AHT指令$可以实现精确控制#能够在任何功率点保持稳定输出$具有双向调节能力#其充电过程表现为负荷#放电过程表现为电源#其充’放电过程可以根据AHT调节指令的需要转换)*(#储能系统能够有效改善电网AHT调频的整体控制效率和经济性($在一定的AHT市场机制下#以提供AHT服务为目的的储能电站#通过合理选择储能系统的技术类型’功率和容量等参数#能够实现储能的纯商业化运营(文献)#*针对美国加州电力市场中调频市场#根据飞轮储能的特性#研究在不同调频服务运营模式情况下的调频电站的经济效益(文献)!*基于1X&电力市场的调频市场状况#提出了应用飞轮储能的建设方案’预期的调节效果以及定性评估了飞轮储能调频电站的经济性(在国内#储能电池系统在电力系统中的应用目前多集中于电网调峰’新能源电站移峰和稳定输出等领域#相关文章的研究现代电力!#$%!!!#!8//9$:((-4+.)9;4)(;4.+!,=0-$:((-!?094%!4.’=也大多针对这些领域展开)Y]#*(关于储能系统参与电网AHT调频服务#国内才刚刚起步#相关研究也很少(自#$$[年华北区域正式运行4华北区域发电厂并网运行管理实施细则5和4华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则5!简称,两个细则-以来#包括AHT’黑启动’深度调峰等辅助服务市场已经基本建成#特别是AHT调频市场化已经取得了显著的成效#针对包括火电’水电等常规机组的AHT机组的优选’AHT调度运行’AHT性能评价等方面的工作已经日趋成熟(但是#国内采用新技术提供AHT服务的实际案例较少#从公开报道来看#京能集团的石景山热电厂与北京睿能世纪科技有限公司合作建设的#&‘&D$$J‘8锂离子电池储能系统#用于辅助火电机组提供AHT调频服务(根据华北电网的AHT性能监测数据显示#采用电池储能系统配合运行后#石景山热电厂火电机组的AHT调节平均性能大幅提升#其长期平均AHT调节性能指标&9在Y4%以上#稳定保持全华北电网第一#明显超过网内其他所有机组(储能电池调频系统的投资收益不仅取决于其投资成本和调频服务补偿机制及补偿费用水平#还与储能电池调频系统的控制策略密切相关(国内各区域实行的调频服务补偿机制#都是依据#$$%年国家电力监管委员会发布的4并网发电厂辅助服务管理暂行办法5制定的#尚未充分考虑储能系统的优质价值#亟待完善(相应地#针对国内调频服务补偿机制下的储能调频系统控制策略与投资收益评估方法的研究成果尚未见文献报道(储能电池主要分为功率型和能量型两种(功率型储能电池具有较高的功率输出能力和较快的功率响应速度#但能量存储量很有限#例如超级电容储能’超导磁储能等$能量型储能电池有较大的能量储存能力#通常能够以额定功率充电或放电数个小时#例如钒液流电池’钠硫电池等(由于AHT调频要求调频电源可以短时间内大幅度’频繁地改变出力#以实现快速’精确地控制区域电网控制偏差#故要选用功率型储能电池作为调频储能电源#目前技术经济性较好的调频储能电站一般选配锂电池(本文主要研究在我国现行调频补偿机制下#锂离子电池储能系统参与电网AHT调频服务净收益最大化控制策略#根据预期收益对给出调频储能电站的投资经济性进行评估(本文研究储能调频电站的基本AHT响应策略#基于已有的AHT指令特性进行事后评估#主要应用于评估储能调频系统的经济性#能够在一定市场机制下辅助储能调频电站的投资决策(本文不涉及实际运行中储能的详细控制策略(!储能系统寿命及寿命损耗成本模型锂离子电池储能系统寿命通常是指储能系统的容量损耗达到额定容量#$_时的充放电循环次数(电池的容量损耗主要是由电池内部溶液浓度下降’溶质氧化引起内阻增加造成的)!D*(储能系统寿命主要受放电深度’运行温度等因素的影响(成熟的储能产品会配备有较为完善的温度控制系统#以保持储能电池工作在最合适的温度环境#因此可以认为储能系统基本运行于恒温状态(本文主要考虑储能系统放电深度因素的影响(放电深度!Z)9/8’PZ0R.8*L)#ZNZ是指在电池使用过程中#电池的放电容量占其额定容量的百分比称为放电深度(图给出了不同放电深度下#锂电池容量衰减损耗与充放电循环次数的关系曲线#数据由某锂电池生产厂家提供(图中#,9Y9^D$_!$$_到D$_-是指储能系统在$$_电量时放电#放电至剩余D$_电量时停止放电#之后充电至$$_电量#如此反复(9Y9^$$_和9Y9^#$_时情况相同(由图可知#充放电循环次数相同时#放电深度越小#储能系统的寿命损耗越小#即储能系统的循环寿命越长(图!不同放电深度情况下#储能系统的容量损耗曲线根据在不同ZNZ水平下的储能容量衰减与循环寿命的曲线#获得在储能电池容量衰减至额定容量的E$_时的循环次数#可以拟合出储能电池循环寿命与ZNZ的关系曲线(图#给出了储能系统E第期陈大宇等%储能调频系统控制策略与投资收益评估研究现代电力!#$%!!!#!8//9$:((-4+.)9;4)(;4.+!,=0-$:((-!?094%!4.’=寿命周期内最大充放电循环次数和放电深度间的关系曲线#其数据由某锂电池生产厂家提供(图#!储能系统循环寿命与放电深度关系曲线由图#可以更直观地看出#储能系统的循环寿命随着放电深度的增大而减小#且二者呈)的负指数关系#可通过拟合方法得到储能系统的寿命方程为ZHZ%B2)U29Y9(Z2)Q29Y9#9Y9#$([#!!!!!!9Y9%0$!式中%ZHZ为储能系统寿命周期内最大充放电循环次数$B’U’Z’Q为储能系统寿命方程的特征参数#可根据电池厂商提供的实测数据获得(根据总循环寿命和系统总成本#可以计算储能系统完成一次充放电过程#其寿命损耗成本为@-’RR%@/’/-ZHZ!#式中%@-’RR为储能系统的寿命损耗成本$@/’/-为调频储能电站储能系统的投资成本(=!考虑储能运行寿命损耗的调频储能电站净收益最大化控制策略!!本文以单个AHT指令为单位#在指令周期内以收益最大化为目标优化储能系统调频控制策略(AHT补偿是依据4华北区域电网发电厂辅助服务管理实施细则!试行5规定#即AHT补偿计算方式为针对单一AHT电源以日为单位进行补偿#采用实测效果事后计算补偿金额(=!!H补偿与考核在一个AHT指令周期8时间内#储能系统的调节过程如图!所示(在FO时刻储能系统接收到AHT指令#此时储能系统的出力为O#放电深度为9Y9O(储能系统接到指令后开始匀速充放电#经过%F时间#储能系统出力调整为,#达到指令有效阈值范围!即*)P’%5),)*)P(%5#并保持至下一个新的AHT指令为止(特别的#在计算调频补偿时#通常要求调频电源补偿深度达到指令有效阈值范围并保持一段时间!一般为#R#此次调节才认为达到指令目标#记为有效(图!!指令周期8时间内储能系统动作过程依据4华北区域电网发电厂辅助服务管理实施细则!试行5中规定的AHT服务补偿办法#列写指令周期8内储能系统参与AHT调频的补偿为1L*’RR%933#3!AHT!!式中%9为补偿深度#当调频电源补偿深度达到指令有效阈值范围并保持规定时间时#其值为8*)P8#否则为$$,#$为储能系统放电#,($为储能系统充电$1L*’RR为储能系统获得的AHT补偿#单位为元$AHT为储能系统参与AHT调频的补偿单价#单位为元&&‘$3为储能系统跟踪AHT指令的调节效果指标#其中3’3#’3!分别表示调节速率’调节精度和响应时间#其计算公式如下%3%#’,5,’O%F3#%#’,’*)P%53!%#’%5