計及多影響因素的發(fā)電側混合儲能系統(tǒng)容量配置方法及配置工具

摘要

儲能是推動主體能源由化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變的關鍵技術，對提升清潔能源消納，保障電力連續(xù)穩(wěn)定輸出，提升火電效率，保障電能質(zhì)量具有突出作用，是實現(xiàn)多能協(xié)同、清潔低碳、安全高效能源體系的重要支撐。本工作主要聚焦新能源場站參與電網(wǎng)一次調(diào)頻應用場景下的儲能系統(tǒng)配置，綜合考慮了不同儲能系統(tǒng)技術出力特性、儲能系統(tǒng)成本、儲能系統(tǒng)使用壽命、儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性等諸多因素，并在考慮儲能系統(tǒng)能量及功率平衡、儲能荷電率限制、儲能出力置信度等多約束目標的基礎上，運用多時間尺度小波分析、儲能容量迭代優(yōu)化算法和雨流計數(shù)電池壽命預測等數(shù)值分析理論，開發(fā)出適用于新能源場站參與一次調(diào)頻的混合儲能系統(tǒng)配置方法，并基于MATLAB開發(fā)了儲能配置專用計算工具。本工作通過一個400MW風電場參與一次調(diào)頻場景中儲能的配置驗證了所開發(fā)的混合儲能配置方法及工具。關鍵詞

儲能；混合儲能；配置計算方法在“雙碳”目標指引下，中央財經(jīng)委員會提出構建清潔低碳安全高效的能源體系，實施可再生能源替代行動，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)。預計到2030年全國風光裝機總量將達到12億千瓦。由于新能源的波動性、隨機性和反調(diào)峰性以及新能源發(fā)電設備的低抗擾性和弱支撐性，給電力系統(tǒng)在高效消納、安全運行等方面帶來了挑戰(zhàn)。為了保證未來含高比例新能源的電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，新能源場站一方面需降低其出力不確定性、強化其調(diào)度運行可控能力，另一方面需具備調(diào)頻能力來改善電力系統(tǒng)頻率響應特性，提升電網(wǎng)在大擾動后期的一次調(diào)頻能力，降低電網(wǎng)頻率越限和失穩(wěn)風險。新能源場站參與一次調(diào)頻已成為必然趨勢。新能源場站參與一次調(diào)頻的方法主要包括：①通過保留有功備用容量。這其中包括將調(diào)頻指令下發(fā)至風場能量管理平臺和將調(diào)頻指令下發(fā)至風機控制器兩種形式；②通過配置儲能等輔助設備。相較基于新能源場站預留備用容量參與一次調(diào)頻的策略，通過配置儲能參與新能源一次調(diào)頻在響應時間、系統(tǒng)短時及穩(wěn)態(tài)頻率特性、頻率二次跌落風險防范等方面具有顯著優(yōu)勢。此外，配置儲能可實現(xiàn)新能源平滑出力以及參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的雙重功能，可極大提高儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。目前已有文獻對儲能輔助新能源場站參與一次調(diào)頻等進行了研究。討論了輔助新能源場站開展一次調(diào)頻時儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，但未指出儲能輔助新能源場站參與一次調(diào)峰時所需配置的功率及容量；提出了利用小波包分析風功率預測誤差信號，并結合SOC分區(qū)二次功率修正的混合儲能控制策略，實現(xiàn)利用儲能對風場功率波動的平抑，提升其對電網(wǎng)的頻率支撐能力，但未詳細討論參與調(diào)頻時所需的儲能系統(tǒng)配置策略；研究了基于功率頻譜、考慮不同儲能系統(tǒng)時間響應特性的混合儲能系統(tǒng)功率配置方法及其對電網(wǎng)的支撐，并結合仿真算例驗證了所提方法的正確性，但配置方法過多側重于技術層面，忽略了對混合儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性的分析；指出可采用平滑濾波器、電池荷電狀態(tài)模糊控制等策略來計算儲能所需出力，并通過仿真對所提的算法進行了驗證，但未對儲能系統(tǒng)的壽命及經(jīng)濟性等內(nèi)容做出評估；研究了儲能參與風場一次調(diào)頻情況，提出了采用機會約束規(guī)劃結合置信水平的方法來配置儲能，但論文中研究的儲能方式較為單一，未考慮混合儲能對風場一次調(diào)頻在性能上帶來的提升，且文獻未考慮儲能電池壽命對經(jīng)濟性的影響；研究了基于超級電容和蓄電池的混合儲能系統(tǒng)對風電場一次調(diào)頻的參與，論文對儲能電池壽命的考慮較少且未考慮不同置信水平下儲能配置的優(yōu)化。本工作在上述工作的基礎上，綜合考慮了不同儲能技術出力特性、不同儲能系統(tǒng)成本、儲能系統(tǒng)壽命、資金使用成本等諸多因素，并在計及能量/功率平衡、SOC、出力置信度等多約束目標的基礎上，運用多時間尺度小波分析、儲能容量迭代優(yōu)化計算算法和雨流計數(shù)電池壽命預測等數(shù)值分析理論，研究出適用于新能源場站參與一次調(diào)頻的混合儲能系統(tǒng)配置方法，并基于MATLAB開發(fā)了儲能配置計算工具。本工作主要聚焦風電場參與電網(wǎng)一次調(diào)頻應用場景下的儲能配置。1風電場與混合儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)一次調(diào)頻要求1.1風電場參與電網(wǎng)一次調(diào)頻要求國家能源局發(fā)布的電力行業(yè)標準《電力系統(tǒng)網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術規(guī)范DLT1870—2018》(以下簡稱標準)對新能源場站參與一次調(diào)頻做出了要求。新能源場站參與一次調(diào)頻過程中的出力要求如圖1所示，其中為風電場有功功率初值(MW，在圖1中)，為風電場有功功率額定值(MW)。標準中規(guī)定在電網(wǎng)高頻擾動情況下，有功功率降至額定出力的10%時新能源場站出力可不再向下調(diào)節(jié)，圖1中標出了10%對應的位置。圖1

風電場參與電網(wǎng)一次調(diào)頻下垂曲線函數(shù)

針對新能源場站參與一次調(diào)頻所需出力，對應的數(shù)學表達式見式(1)。(1)其中為新能源場站參與一次調(diào)頻中所需出力的變化；為新能源場站初始出力；為新能源場站調(diào)頻調(diào)差率(一般取值2%)；為新能源場站額定功率；為電網(wǎng)額定頻率；為頻率差。(2)式(2)中為電網(wǎng)的實際頻率，為一次調(diào)頻的死區(qū)。將電網(wǎng)運行時的頻率波動數(shù)據(jù)帶入式(2)，即可求得不同時刻儲能系統(tǒng)所需的出力。1.2混合儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻配置算法本工作基于混合儲能的風電場參與一次調(diào)頻時儲能系統(tǒng)的配置方法進行研究。通過將功率型儲能和能量型儲能按一定配比組成混合儲能系統(tǒng)，可大幅提升儲能系統(tǒng)的對外出力特性。在儲能系統(tǒng)參與風場一次調(diào)頻的應用場景中，通過信號分析理論將風場參與一次調(diào)頻的需求分解為高頻需求和低頻需求。短時高頻需求由飛輪儲能承擔，長時低頻需求由鋰電池儲能承擔，可充分發(fā)揮飛輪儲能的功率優(yōu)勢和鋰電池儲能的能量優(yōu)勢，提高儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性和安全性。完成上述混合儲能配置工作的重點在于對應工作頻率的確定。本工作利用小波分析對調(diào)頻所需出力進行多時間尺度分析，將風場參與一次調(diào)頻的出力信號分解為高、低頻信號，不同頻段的出力信號對應不同頻率段的儲能系統(tǒng)。在小波分析中對于任意調(diào)頻出力信號[n]都可將其小波分解為低頻部分L[n]和高頻部分H[n]，低頻部分L[n]在下一層小波分解又可以再次分解為低頻部分和高頻部分，最后形成多分辨率框架，如圖2所示。圖2

小波多分辨率分解示意圖Fig.2

Schematicdiagramofthewaveletmulti-resolutionanalysis基于小波分解計算，風電場參與一次調(diào)頻時的實際出力可分解為高頻分量與低頻分量之和，見式(3)(3)用小波分析對儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻所需出力進行處理時，經(jīng)過第n層小波分析得到的一次調(diào)頻出力高頻頻率段為[](為數(shù)據(jù)采樣頻率)、低頻頻率段為[]。假設飛輪儲能的適用工作頻段為[]，，。為了保證飛輪儲能在一次調(diào)頻過程中的可靠動作，飛輪儲能的工作頻段與高頻分量需有交集、需滿足式(4)(4)滿足式(4)的n的最大數(shù)定為。綜上小波分析中各個分解層對應關系見式(5)(5)混合儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻所需出力為：（1）能量型儲能(即鋰電池儲能)需要平抑的為(低頻及中頻分量)；（2）功率型儲能(即飛輪儲能)需要平抑的為(較高頻分量)。1.3混合儲能系統(tǒng)控制策略混合儲能系統(tǒng)采用的控制策略如圖3所示，輸入為高/低頻的一次調(diào)頻出力分量，其中高頻分量輸入至飛輪儲能系統(tǒng)中，低頻分量輸入至鋰電池儲能系統(tǒng)中。定義時，混合儲能系統(tǒng)進入充電狀態(tài)。系統(tǒng)進入充電狀態(tài)時需考慮：①充電功率是否大于鋰電池儲能或飛輪儲能PCS的最大功率；②此時鋰電池儲能或飛輪儲能的荷電狀態(tài)(SOC)是否允許其充電。當時，混合儲能系統(tǒng)進入放電狀態(tài)，此情況下同樣需要考慮混合儲能系統(tǒng)在功率、SOC等方面的約束。圖3

混合儲能系統(tǒng)控制流程

在圖3中，為鋰電池儲能或飛輪儲能系統(tǒng)的容量；為鋰電池儲能或飛輪儲能系統(tǒng)的效率；為儲能系統(tǒng)單次參與一次調(diào)頻的持續(xù)時間；SOC為鋰電池儲能或飛輪儲能系統(tǒng)的荷電率；SOC_min和SOC_max分別為儲能系統(tǒng)SOC允許的上、下限值。2考慮電池循環(huán)壽命約束的風電場混合儲能配置模型2.1混合儲能系統(tǒng)等效循環(huán)壽命模型在混合儲能系統(tǒng)中，飛輪儲能可完成十萬次以上的循環(huán)使用而鋰電池的等效充放電次數(shù)為4000～6000次?；旌蟽δ芟到y(tǒng)的壽命主要取決于鋰電池儲能系統(tǒng)。針對鋰電池儲能系統(tǒng)等效壽命的計算，本工作采用雨流計數(shù)法分析鋰電池的SOC變化曲線，在此基礎上統(tǒng)計出鋰電池的放電深度(DOD)及其對應的充放電循環(huán)次數(shù)，然后從電池放電深度與循環(huán)壽命的對應關系中推算電池的等效循環(huán)壽命。在得出每次的實際DOD后，基于式(6)，可計算出每次充放電時的電池循環(huán)壽命[12]。(6)式中，為第i次放電過程中電池的實際放電深度；為實際放電深度所對應的實際循環(huán)次數(shù)；為電池的額定放電深度(一般設為1)；為額定放電深度所對應的額定循環(huán)次數(shù)?；诠?6)，電池壽命衰減率可表示為式(7)(7)式中，表示第i次放電深度對應的電池循環(huán)次數(shù)。若電池經(jīng)歷了n次循環(huán)，電池剩余壽命可表示為式(8)(8)通過對R值判斷電池當前壽命狀態(tài)，當折算比R為0時，說明該電池壽命耗盡應進行更換?；谏鲜鲇嬎悖纯傻贸龌旌蟽δ芟到y(tǒng)的壽命，并在此基礎上評估儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。2.2目標函數(shù)本工作在考慮混合儲能系統(tǒng)初始投資成本、資金使用成本、更換成本、運行維護成本、儲能提供一次調(diào)頻服務所獲收益、儲能參與一次調(diào)頻的置信水平等因素的基礎上，以混合儲能系統(tǒng)綜合成本最低為目標，研究所需配置的儲能系統(tǒng)功率及容量?；诮?jīng)典機會約束模型，本工作所搭建的目標函數(shù)為式(9)(9)上式中為儲能系統(tǒng)初始總成本；為儲能系統(tǒng)的商業(yè)貸款比例；R為儲能系統(tǒng)的年資金使用成本；Y為儲能系統(tǒng)的運營年限，可基于雨流計數(shù)法和儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)變化曲線求得；為儲能系統(tǒng)的運維成本；為儲能系統(tǒng)的更換成本；為儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻所獲收益。為約束條件滿足的概率，為機會約束條件，為儲能系統(tǒng)出力的置信水平。在上述目標函數(shù)的基礎上，本工作通過計算內(nèi)部收益率(IRR)確定最優(yōu)的儲能配置方式，IRR的計算公式參看式(10)。(10)（1）儲能參與一次調(diào)頻置信水平。參與一次調(diào)頻時隨著并網(wǎng)點頻率的變化(圖4)，儲能系統(tǒng)的出力存在波動(圖5)，通過對儲能系統(tǒng)所需的出力進行正態(tài)分布分析，可得儲能系統(tǒng)出力概率密度分布圖。若配置儲能系統(tǒng)滿足一次調(diào)頻所有情況下的出力需求，將導致配置的儲能系統(tǒng)過大，且基于概率數(shù)理統(tǒng)計儲能系統(tǒng)在極少數(shù)情況下才需如此大的出力。過度配置儲能系統(tǒng)將降低儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。對儲能所需出力的概率密度進行積分，可得式(11)圖4

并網(wǎng)點頻率波動示意圖圖5

儲能參與風電場一次調(diào)頻所需出力(11)在考慮儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性的前提下，考慮配置的儲能系統(tǒng)滿足一定置信水平()內(nèi)的出力，即式(12)(12)通過合理設置置信水平，可保證儲能系統(tǒng)滿足絕大部分情況下風場的出力需求，從而可兼顧風電場對儲能系統(tǒng)的需求以及配置儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。（2）儲能初始成本。儲能系統(tǒng)的初始成本為式(13)(13)式(13)中，為鋰電池的功率成本系數(shù)；為鋰電池的容量成本系數(shù)；為鋰電池儲能系統(tǒng)的額定功率，MW；為鋰電池儲能系統(tǒng)的額定容量，MWh；為飛輪的功率成本系數(shù)；為飛輪的容量成本系數(shù)；為飛輪的額定功率，MW；為飛輪的額定容量，MWh。（3）儲能系統(tǒng)資金使用成本?？紤]到目前儲能系統(tǒng)的成本仍較高，在儲能項目的建設過程中，除去部分自有資金，項目的大部分資金極有可能來自商業(yè)貸款。儲能系統(tǒng)的年資金使用成本R為式(14)(14)式中為貸款年利率；為每年的還款次數(shù)；Y為還款年限。（4）儲能運維成本。儲能系統(tǒng)的運維成本為(15)式中，為鋰電池的功率運行維護成本系數(shù)；為鋰電池的容量運行維護成本系數(shù)；為飛輪的功率運行維護成本系數(shù)；為飛輪的容量運行維護成本系數(shù)。（5）儲能更換成本。儲能的更換成本為(16)式(16)中，和分別為鋰電池儲能系統(tǒng)、飛輪系統(tǒng)所需更換的次數(shù)。（6）儲能提供一次調(diào)頻產(chǎn)生的服務價值。儲能參與一次調(diào)頻輔助服務，電力市場需支付對應的服務費用。調(diào)頻的服務費用為(17)式(17)中，為儲能參與一次調(diào)頻的單價(元/MWh)，分別為t時刻參與一次調(diào)頻時鋰電池儲能系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)提供的電量。2.3約束條件儲能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的過程中，風電場與儲能系統(tǒng)需滿足下述條件。（1）風電場與儲能系統(tǒng)功率平衡約束見式(18)(18)式中為置信水平為α下的風場一次調(diào)頻所需出力。（2）儲能系統(tǒng)功率約束見式(19)和(20)鋰電池儲能功率約束：(19)飛輪儲能功率約束：(20)式中，為t時刻鋰電池儲能系統(tǒng)的功率；為t時刻鋰電池儲能系統(tǒng)的剩余容量；為鋰電池儲能系統(tǒng)的額定容量；為t時刻飛輪儲能系統(tǒng)的功率；為t時刻飛輪儲能系統(tǒng)的剩余容量；為飛輪儲能系統(tǒng)的額定容量；分別為鋰電池儲能、飛輪儲能系統(tǒng)的效率；為儲能系統(tǒng)單次參與一次調(diào)頻的持續(xù)時間。（3）儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)功率約束鋰電池儲能SOC約束：(21)鋰電池儲能SOC約束：(22)3混合儲能系統(tǒng)配置工具混合儲能容量配置軟件主要有3個功能模塊，分別為電網(wǎng)頻率、風場出力等數(shù)據(jù)錄入模塊、儲能系統(tǒng)參數(shù)輸入模塊(如功率、容量成本系數(shù)等)和混合儲能配置方案生成模塊。所開發(fā)的混合儲能系統(tǒng)配置工具界面圖如圖6所示。儲能容量配置求解流程如圖7所示。圖6

開發(fā)的混合儲能系統(tǒng)配置工具軟件界面圖圖7

配置工具軟件求解流程圖

開發(fā)了儲能配置的計算軟件?，F(xiàn)有儲能配置計算軟件與本工作所開發(fā)的儲能配置軟件的對比分析見表1，從中可看出本工作所開發(fā)的軟件綜合考慮了不同儲能技術出力特性、不同儲能系統(tǒng)成本、儲能系統(tǒng)壽命、資金使用成本等不同變量，較之現(xiàn)有軟件，本工作所開發(fā)的軟件考慮因素更加全面。表1

已有儲能配置軟件與本工作所開發(fā)儲能配置軟件對比4算例分析本工作以國外某地2018年1月電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)為基礎，計算該電網(wǎng)中一個400MW風電場參與一次調(diào)頻時混合儲能系統(tǒng)功率、容量的配置。電網(wǎng)的頻率波動情況如圖4所示。根據(jù)式(1)和(2)可得該風場參與一次調(diào)頻所需的出力情況，如圖5所示?；诒竟ぷ?.3節(jié)所述內(nèi)容，采用db6小波對圖5中的信號進行多時間尺度分解。將分解得到的高、低頻信號分別用于計算飛輪儲能、鋰電池儲能的配置[式(5)]。經(jīng)過小波分解，考慮鋰電池儲能提供第3層高頻以及低頻的一次調(diào)頻出力，得到鋰電池儲能系統(tǒng)功率的初始值。基于上述公式計算可得鋰電池所需出力情況如圖8所示。圖8

鋰電池儲能所需出力情況

對鋰電池所需出力進行正態(tài)分布擬合可得圖9。其中鋰電池儲能出力的標準差σ為10.3MW。若置信水平為99%，對應3σ，鋰電池儲能的功率為30.9MW；同理可計算得出飛輪儲能功率為9.1MW。圖9

鋰電池儲能所需出力正態(tài)分布圖

將得到的鋰電池儲能、飛輪儲能功率代入式(18)～(22)并假設：①鋰電池儲能的SOC均滿足：0.2≤SOCbat≤1(SOC數(shù)值可根據(jù)實際需求進行調(diào)整)；②飛輪儲能的SOC滿足0.1≤SOCfly≤1；③飛輪儲能首先動作，當其功率不能滿足一次調(diào)頻動作所需功率時，鋰電池儲能動作；④飛輪儲能系統(tǒng)效率為94%；⑤鋰電池儲能效率為92%；⑥考慮儲能系統(tǒng)每天工作完成后，系統(tǒng)SOC重置為初始值；⑦單次一次調(diào)頻的持續(xù)時間為20s。基于圖3和圖7，通過計算可得鋰電池儲能系統(tǒng)的功率為30.94MW時，容量需為47MWh；飛輪儲能功率為9.06MW時，容量需為35MWh?；旌蟽δ芟到y(tǒng)中鋰電池、飛輪儲能SOC變化情況如圖10、圖11所示。圖10

鋰電池儲能SOC變化示意圖圖11

飛輪儲能SOC變化示意圖

基于圖10，對鋰電池儲能系統(tǒng)SOC變化情況進行雨流計數(shù)法分析，可得等效放電深度與放電次數(shù)的關系。在此基礎上，通過式(6)～(8)計算可得在此應用場景下鋰電池的壽命約為9.4年。圖12

鋰電池儲能雨流計數(shù)法分析

表2列出了混合儲能系統(tǒng)參數(shù)，其中儲能系統(tǒng)的壽命參考當前廣西等地對儲能系統(tǒng)的要求，需滿足10年的工作壽命；儲能參與調(diào)頻的收益取自華中區(qū)域兩個細則中相關數(shù)據(jù)；鋰電池和飛輪儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)基于前期與相關生產(chǎn)廠商的溝通獲得?；谛〔ǚ治?、鋰電池壽命預測算法以及表1，可得不同配置策略下儲能系統(tǒng)的壽命及收益情況，如表3所示。表3的儲能功率和容量配置數(shù)據(jù)為基于所開發(fā)的儲能配置程序通過計算得出，在輸入新能源場站數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖7所示流程圖、程序計算出不同的儲能配置方式，并將IRR最大的組合方式列出，從而得到最優(yōu)解。由表3可知，在不考慮運營年限的情況下，若全部采用鋰電池，系統(tǒng)容量配置為40MW/87MWh，儲能系統(tǒng)的造價為1.11億元，項目的IRR為3.9%，但該配置下儲能系統(tǒng)的運營年限僅有6.96年；若采用混合儲能系統(tǒng)，混合儲能系統(tǒng)配置鋰電池儲能38.94MW/79MWh、飛輪儲能1.06MW/5MWh時，項目的IRR最高為3.92%，該配置下儲能系統(tǒng)的運營年限僅有7.17年。考慮到目前儲能系統(tǒng)的最低運營年限為10年。在此情況下，7.17年后混合儲能系統(tǒng)中的鋰電池儲能部分需全部更新，如果鋰電池儲能不更新，僅靠剩余的飛輪儲能無法滿足400MW風場最高10%(即40MW)的一次調(diào)頻功率要求；若全部采用飛輪儲能，系統(tǒng)容量配置為40MW/84MWh，儲能系統(tǒng)的造價為2.08億元，儲能系統(tǒng)的運營年限滿足10年的要求，但項目不盈利(飛輪儲能系統(tǒng)的使用壽命大于10年，為了對比在滿足10年運行條件下單獨配置飛輪儲能與配置其他儲能方案的收益率，此處