考慮能量-調頻輔助服務下的用戶側儲能經濟運行策略

官裕達, 楊蘋, 蔣建香

(1.華南理工大學 電力學院,廣東 廣州 510640;2.華南理工大學 廣東省綠色能源技術重點實驗室,廣東 廣州 510640)

0 引 言

由于充放電靈活、安全穩定性高等特點,用戶側儲能被應用于幫助電力系統移峰填谷、響應電網調頻指令和平抑分布式可再生能源發電波動等多個方面,在新型電力系統建設過程中的作用日益凸顯[1]。

然而,在電能替代加速、負荷單元容量與種類各異的背景下,不同場景用戶側儲能的調頻外特性各異、源荷轉換隨機性大、調頻能力可信度不一,調度中心難以直接利用其調頻能力[2]。為此,現有研究通過對通信基站、數據中心和工商業園區儲能電站等典型用戶側儲能調頻外特性進行分析,構建用戶側儲能調頻能力的表征模型[3-4],支撐用戶側儲能的調頻應用。但已有調頻能力建模方法局限于具體場景,未能對不同用戶側儲能外特性進行統一描述和封裝建模,不能適應上層調度中心的統一調控要求。

此外,針對用戶側儲能需在日內優化響應二次調頻指令[5],為提高用戶側儲能調頻性能和經濟收益,近年來有文獻提出在線凸規劃[6]、實時直接前瞻[7]和隨機前瞻[8]等實時優化調控策略,但上述方法難以在系統級調控目標下,兼顧用戶側儲能實時調頻過程的決策效率和整體運行經濟性。

為提高用戶側儲能的全局優化性能和運營收益,本文首先構建用戶側儲能經濟收益模型,在分析電力用戶生產運行需求基礎上,建立用戶側儲能運行約束,提出用戶側儲能的調頻容量日前優化申報以及充放電功率日內滾動優化策略。最后對典型用戶側儲能的算例仿真研究表明,所提策略能夠有效提升儲能調頻性能和運營收益。

1 考慮能量-調頻輔助服務的用戶側儲能的經濟收益模型

為提升總市場經濟收益,考慮電能量市場下峰谷價差套利和參與調頻輔助服務市場獲得收益,經濟收益計算模型如下。

(1)

(2)

(3)

電能量與調頻輔助服務市場下用戶側儲能的經濟收益模型如下。

(4)

式中:RD為用戶側儲能總經濟收益;mT為調頻日的總時間長度。當FM值為1,指用戶側儲能參與調頻輔助服務市場;當FM值為0,指用戶側儲能未參與調頻輔助服務市場。

2 考慮能量-調頻輔助服務的用戶側儲能的經濟運行策略

2.1 用戶側儲能運行約束條件

1) 網絡功率平衡約束

(5)

2) 充放電功率約束

(6)

(7)

3) 狀態約束

xct+xdt≤1

(8)

4) 荷電狀態約束

荷電狀態(state of charge, SOC)滿足上、下限約束:

(9)

5) 內部存儲的可用能量約束

(10)

式中:Et為儲能t時段容量;βselfd為儲能自放電系數;βc、βd為儲能充、放電效率。

除上述基本運行約束外,根據用戶生產運行需要,約束儲能充放電功率如下。

1) 容量備用需求特性約束

針對用戶容量備用需求,設如下約束。

(11)

2) 負荷功率波動特性約束

部分用戶負荷會直接影響用戶側儲能調頻外特性,針對此給出充放電功率上下限約束。

(12)

基于上述特性,約束儲能充放電功率:

(13)

2.2 電力調頻輔助服務市場下用戶側儲能的經濟運行策略

2.2.1 日前經濟運行策略

在日前需求解最優調頻容量申報量曲線,為此,設計日前經濟運行策略,如圖1所示。

圖1 日前經濟運行策略的整體流程

2.2.2 日內經濟運行策略

最后,根據得到的儲能目標荷電狀態,求得充放電功率,實現用戶側儲能日內經濟運行。

3 算例分析

3.1 電力調頻輔助服務市場下用戶側儲能經濟運行仿真設計

選取某區域數據中心、5G基站集群和園區儲能電站為仿真對象。設調頻日電力市場價格信息和相關參數如表1所示,調頻容量價格、里程價格分別為0.2元/kW、0.06元/kW,各類型負荷出力曲線如圖2所示,儲能初始SOC設為0.5,充放電效率為0.95,自放電系數為0.5,其他基本參數如表2所示。

表1 峰谷分時電價

表2 用戶側儲能運行參數

表4 元件子圖檢索耗時T(s)與檢索級數d關系一次擬合

圖2 電力用戶負荷曲線

3.2 電力調頻輔助服務市場下用戶側儲能經濟運行仿真分析

3.2.1 日前經濟運行策略仿真結果

圖3給出了各類型用戶側儲能調頻能力的日前優化結果,其中,5G基站集群的調頻能力曲線有明顯波動,源于其通信負載為實時波動負荷。數據中心由于容量備用需要,調頻能力有所降低。園區儲能則因用戶內部負荷單元,在部分時段調頻能力偏離于儲能功率上下限。

圖3 用戶側儲能的日前上、下調頻能力

3.2.2 日內經濟運行策略仿真結果

為驗證日內策略優化效果,以園區儲能電站為例,采用不同運行策略進行仿真和效果對比,同時選取單個調頻日為調頻周期,調頻指令曲線如圖4所示。

圖4 調頻指令曲線

具體策略如下。

策略1:在調頻階段響應調頻指令,非調頻階段進行削峰填谷套利。

策略2:在調頻階段響應調頻指令,非調頻階段基于改進前瞻算法優化儲能SOC。

調頻日內儲能充放電功率、調頻能力上下限及各策略收益曲線如圖5所示。其中:正方向為放電,負方向值為充電。

圖5 策略3優化運行結果及三種策略日內收益對比

圖7 案例3檢索耗時隨檢索級數變化

由仿真結果可見:對比于策略1,儲能總調頻資源利用率明顯提升;由于響應了更多調頻里程,策略2總收益較策略1增加1 614.4元,總響應收益增加883.8元;策略1等日收益為3 050.5元,策略2等日收益為5 664.4元。綜上,用戶側儲能調頻經濟性和可靠性都得到有效改善。

4 結束語

本文提出了一種多時間尺度用戶側儲能經濟運行策略,算例證明了策略普適性和運行經濟性。主要結論如下。

(1) 通過在日前經濟運行中計及用戶生產運行需求,可給出更精準的用戶側儲能調頻能力申報曲線。

(2) 日內經濟運行策略能夠有效改善用戶側儲能調頻性能和運行收益,增加有效調頻次數,獲得可觀的調頻收益。

本文所提策略可以應用于各場景下用戶側儲能的日前日內經濟優化運行,有助于降低用戶側儲能的投資回報周期,推進用戶側儲能的商業化進程。