儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)控制策略與投資收益評(píng)估研究

陳大宇，張粒子，王立國

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京　102206；2．國網(wǎng)天津?yàn)I海供電公司，天津　300450)

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儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)控制策略與投資收益評(píng)估研究

陳大宇1，張粒子1，王立國2

(1．華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2．國網(wǎng)天津?yàn)I海供電公司，天津300450)

0引言

儲(chǔ)能系統(tǒng)提供電網(wǎng)AGC調(diào)頻服務(wù)始于美國，通過多年的充分測試和驗(yàn)證，取得了較好的效果，在多個(gè)電力市場中實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，例如，超過50MW的鋰離子電池儲(chǔ)能電站參與PJM電力市場的調(diào)頻市場，有20MW的飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站為紐約電力市場提供調(diào)頻服務(wù)。為更好地利用和推廣儲(chǔ)能等優(yōu)質(zhì)調(diào)頻電源，美國聯(lián)邦能源監(jiān)管委員會(huì)還制定了完善的調(diào)頻服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制。美國的成功經(jīng)驗(yàn)表明：①相較于傳統(tǒng)調(diào)頻電源，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)可以提供更優(yōu)質(zhì)AGC服務(wù)，在毫秒級(jí)時(shí)間范圍內(nèi)完成AGC指令；可以實(shí)現(xiàn)精確控制，能夠在任何功率點(diǎn)保持穩(wěn)定輸出；具有雙向調(diào)節(jié)能力，其充電過程表現(xiàn)為負(fù)荷，放電過程表現(xiàn)為電源，其充、放電過程可以根據(jù)AGC調(diào)節(jié)指令的需要轉(zhuǎn)換[1]。②儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效改善電網(wǎng)AGC調(diào)頻的整體控制效率和經(jīng)濟(jì)性。③在一定的AGC市場機(jī)制下，以提供AGC服務(wù)為目的的儲(chǔ)能電站，通過合理選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)類型、功率和容量等參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)儲(chǔ)能的純商業(yè)化運(yùn)營。

文獻(xiàn)[2]針對(duì)美國加州電力市場中調(diào)頻市場，根據(jù)飛輪儲(chǔ)能的特性，研究在不同調(diào)頻服務(wù)運(yùn)營模式情況下的調(diào)頻電站的經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[3]基于PJM電力市場的調(diào)頻市場狀況，提出了應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能的建設(shè)方案、預(yù)期的調(diào)節(jié)效果以及定性評(píng)估了飛輪儲(chǔ)能調(diào)頻電站的經(jīng)濟(jì)性。在國內(nèi)，儲(chǔ)能電池系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用目前多集中于電網(wǎng)調(diào)峰、新能源電站移峰和穩(wěn)定輸出等領(lǐng)域，相關(guān)文章的研究也大多針對(duì)這些領(lǐng)域展開[4-12]。

關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)AGC調(diào)頻服務(wù)，國內(nèi)才剛剛起步，相關(guān)研究也很少。自2009年華北區(qū)域正式運(yùn)行《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》(簡稱“兩個(gè)細(xì)則”)以來，包括AGC、黑啟動(dòng)、深度調(diào)峰等輔助服務(wù)市場已經(jīng)基本建成，特別是AGC調(diào)頻市場化已經(jīng)取得了顯著的成效，針對(duì)包括火電、水電等常規(guī)機(jī)組的AGC機(jī)組的優(yōu)選、AGC調(diào)度運(yùn)行、AGC性能評(píng)價(jià)等方面的工作已經(jīng)日趨成熟。但是，國內(nèi)采用新技術(shù)提供AGC服務(wù)的實(shí)際案例較少，從公開報(bào)道來看，京能集團(tuán)的石景山熱電廠與北京睿能世紀(jì)科技有限公司合作建設(shè)的2MW/500kWh鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于輔助火電機(jī)組提供AGC調(diào)頻服務(wù)。根據(jù)華北電網(wǎng)的AGC性能監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，采用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配合運(yùn)行后，石景山熱電廠火電機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)平均性能大幅提升，其長期平均AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)Kp在4.6以上，穩(wěn)定保持全華北電網(wǎng)第一，明顯超過網(wǎng)內(nèi)其他所有機(jī)組。

儲(chǔ)能電池調(diào)頻系統(tǒng)的投資收益不僅取決于其投資成本和調(diào)頻服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制及補(bǔ)償費(fèi)用水平，還與儲(chǔ)能電池調(diào)頻系統(tǒng)的控制策略密切相關(guān)。國內(nèi)各區(qū)域?qū)嵭械恼{(diào)頻服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制，都是依據(jù)2006年國家電力監(jiān)管委員會(huì)發(fā)布的《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》制定的，尚未充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)價(jià)值，亟待完善。相應(yīng)地，針對(duì)國內(nèi)調(diào)頻服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制下的儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)控制策略與投資收益評(píng)估方法的研究成果尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

儲(chǔ)能電池主要分為功率型和能量型兩種。功率型儲(chǔ)能電池具有較高的功率輸出能力和較快的功率響應(yīng)速度，但能量存儲(chǔ)量很有限，例如超級(jí)電容儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能等；能量型儲(chǔ)能電池有較大的能量儲(chǔ)存能力，通常能夠以額定功率充電或放電數(shù)個(gè)小時(shí)，例如釩液流電池、鈉硫電池等。由于AGC調(diào)頻要求調(diào)頻電源可以短時(shí)間內(nèi)大幅度、頻繁地改變出力，以實(shí)現(xiàn)快速、精確地控制區(qū)域電網(wǎng)控制偏差，故要選用功率型儲(chǔ)能電池作為調(diào)頻儲(chǔ)能電源，目前技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好的調(diào)頻儲(chǔ)能電站一般選配鋰電池。

本文主要研究在我國現(xiàn)行調(diào)頻補(bǔ)償機(jī)制下，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電網(wǎng)AGC調(diào)頻服務(wù)凈收益最大化控制策略，根據(jù)預(yù)期收益對(duì)給出調(diào)頻儲(chǔ)能電站的投資經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。

本文研究儲(chǔ)能調(diào)頻電站的基本AGC響應(yīng)策略，基于已有的AGC指令特性進(jìn)行事后評(píng)估，主要應(yīng)用于評(píng)估儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，能夠在一定市場機(jī)制下輔助儲(chǔ)能調(diào)頻電站的投資決策。本文不涉及實(shí)際運(yùn)行中儲(chǔ)能的詳細(xì)控制策略。

1儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命及壽命損耗成本模型

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命通常是指儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量損耗達(dá)到額定容量20%時(shí)的充放電循環(huán)次數(shù)。電池的容量損耗主要是由電池內(nèi)部溶液濃度下降、溶質(zhì)氧化引起內(nèi)阻增加造成的[13-15]。儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命主要受放電深度、運(yùn)行溫度等因素的影響。成熟的儲(chǔ)能產(chǎn)品會(huì)配備有較為完善的溫度控制系統(tǒng)，以保持儲(chǔ)能電池工作在最合適的溫度環(huán)境，因此可以認(rèn)為儲(chǔ)能系統(tǒng)基本運(yùn)行于恒溫狀態(tài)。本文主要考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)放電深度因素的影響。

放電深度(Depth of Discharge, DOD)是指在電池使用過程中，電池的放電容量占其額定容量的百分比稱為放電深度。圖1給出了不同放電深度下，鋰電池容量衰減損耗與充放電循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，數(shù)據(jù)由某鋰電池生產(chǎn)廠家提供。圖中，“DOD=50%(100%到50%)”是指儲(chǔ)能系統(tǒng)在100%電量時(shí)放電，放電至剩余50%電量時(shí)停止放電，之后充電至100%電量，如此反復(fù)。DOD=100%和DOD=20%時(shí)情況相同。由圖可知，充放電循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，放電深度越小，儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命損耗越小，即儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命越長。

圖1　不同放電深度情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量損耗曲線

根據(jù)在不同DOD水平下的儲(chǔ)能容量衰減與循環(huán)壽命的曲線，獲得在儲(chǔ)能電池容量衰減至額定容量的80%時(shí)的循環(huán)次數(shù)，可以擬合出儲(chǔ)能電池循環(huán)壽命與DOD的關(guān)系曲線。圖2給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)最大充放電循環(huán)次數(shù)和放電深度間的關(guān)系曲線，其數(shù)據(jù)由某鋰電池生產(chǎn)廠家提供。

圖2　儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命與放電深度關(guān)系曲線

由圖2可以更直觀地看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)的循環(huán)壽命隨著放電深度的增大而減小，且二者呈e的負(fù)指數(shù)關(guān)系，可通過擬合方法得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命方程為

(1)

式中：cyc為儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)最大充放電循環(huán)次數(shù)；a、b、c、d為儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命方程的特征參數(shù)，可根據(jù)電池廠商提供的實(shí)測數(shù)據(jù)獲得。

根據(jù)總循環(huán)壽命和系統(tǒng)總成本，可以計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)完成一次充放電過程，其壽命損耗成本為

(2)

式中：Closs為儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命損耗成本；Ctotal為調(diào)頻儲(chǔ)能電站儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本。

2考慮儲(chǔ)能運(yùn)行壽命損耗的調(diào)頻儲(chǔ)能電站凈收益最大化控制策略

本文以單個(gè)AGC指令為單位，在指令周期內(nèi)以收益最大化為目標(biāo)優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻控制策略。AGC補(bǔ)償是依據(jù)《華北區(qū)域電網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則(試行)》規(guī)定，即AGC補(bǔ)償計(jì)算方式為針對(duì)單一AGC電源以日為單位進(jìn)行補(bǔ)償，采用實(shí)測效果事后計(jì)算補(bǔ)償金額。

2.1AGC補(bǔ)償與考核

在一個(gè)AGC指令周期T時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如圖3所示。在tS時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)接收到AGC指令，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力為PS，放電深度為DODS。儲(chǔ)能系統(tǒng)接到指令后開始勻速充放電，經(jīng)過Δt時(shí)間，儲(chǔ)能系統(tǒng)出力調(diào)整為PE，達(dá)到指令有效閾值范圍(即Pref-ΔPN≤PE≤Pref+ΔPN)，并保持至下一個(gè)新的AGC指令為止。特別的，在計(jì)算調(diào)頻補(bǔ)償時(shí)，通常要求調(diào)頻電源補(bǔ)償深度達(dá)到指令有效閾值范圍并保持一段時(shí)間(一般為2s)，此次調(diào)節(jié)才認(rèn)為達(dá)到指令目標(biāo)，記為有效。

圖3　指令周期T時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)作過程

依據(jù)《華北區(qū)域電網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則(試行)》中規(guī)定的AGC服務(wù)補(bǔ)償辦法，列寫指令周期T內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻的補(bǔ)償為

(3)

式中：D為補(bǔ)償深度，當(dāng)調(diào)頻電源補(bǔ)償深度達(dá)到指令有效閾值范圍并保持規(guī)定時(shí)間時(shí)，其值為|Pref|，否則為0；PE>0為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，PE<0為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；Rgross為儲(chǔ)能系統(tǒng)獲得的AGC補(bǔ)償，單位為元；AAGC為儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻的補(bǔ)償單價(jià)，單位為元/MW；k為儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤AGC指令的調(diào)節(jié)效果指標(biāo)，其中k1、k2、k3分別表示調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度和響應(yīng)時(shí)間，其計(jì)算公式如下：

(4)

式中：vN為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率，MW/min；ΔPN為調(diào)節(jié)允許的偏差量，MW；tst為標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間，s。

特別地，當(dāng)k1、k2、k3計(jì)算值小于0.1時(shí)，取值0.1。

在AGC補(bǔ)償管理規(guī)定中，當(dāng)AGC電源沒有達(dá)到調(diào)節(jié)性能的下限時(shí)，該電源將會(huì)被考核。因此，當(dāng)儲(chǔ)能不響應(yīng)AGC指令會(huì)接收考核，即罰款。當(dāng)不響應(yīng)AGC指令時(shí)，雖然儲(chǔ)能沒有發(fā)生壽命的損耗，但是罰款導(dǎo)致該次調(diào)節(jié)的凈收益為負(fù)。關(guān)于懲罰的詳細(xì)計(jì)算可參照“兩個(gè)細(xì)則”。

2.2調(diào)頻儲(chǔ)能電站凈收益模型

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻的凈收益由兩部分組成，即儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻獲得的補(bǔ)償和儲(chǔ)能系統(tǒng)自身壽命損耗導(dǎo)致的成本，其表達(dá)式為

(5)

式(3)和(4)顯示，當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間越短，出力調(diào)整速度越快，調(diào)節(jié)精度越高，調(diào)頻儲(chǔ)能電站獲得的AGC調(diào)頻補(bǔ)償越多；相應(yīng)地，當(dāng)AGC指令目標(biāo)幅度越大維持時(shí)間越長，儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電深度也會(huì)變大。由式(2)可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電深度的加大會(huì)增大儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命損耗成本?？梢?，AGC調(diào)頻補(bǔ)償Rgross和儲(chǔ)能電池?fù)p耗成本Closs之間存在正相關(guān)的關(guān)系，若單純?nèi)鐖D3中那樣控制儲(chǔ)能系統(tǒng)追隨AGC指令，隨著AGC補(bǔ)償收入的增多，電池?fù)p耗成本也會(huì)隨之加大，從調(diào)頻儲(chǔ)能電站角度來說，其凈收益未必是最大值。若追求凈收益最大化，未必是儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間越短越好，出力調(diào)整速度越快越好，控制精度越高越好。

圖4　收益最大化情況下的儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)整過程

現(xiàn)將儲(chǔ)能系統(tǒng)接收到AGC指令后的動(dòng)作過程調(diào)整為如圖4所示。與圖3不同的是，儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)整出力至指令有效閾值范圍，并保持2s后，選擇調(diào)整出力至由凈收益最大化控制策略確定的補(bǔ)償深度PE，并保持至下一指令周期。因此，式(4)改寫成

(6)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電深度為

(7)

式中:QN為儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量，MWs。

對(duì)于調(diào)頻儲(chǔ)能電站，PN、ΔPN、QN、Ctotal、vN、tst和AAGC均為已知參數(shù)，指令周期T時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻的補(bǔ)償金額、儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命損耗成本以及未達(dá)到響應(yīng)指標(biāo)的考核罰款是Δt和PE的函數(shù)，即Rgross=Rgross(Δt,PE)，Closs=Closs(Δt,PE)以及Ppenaty(Δt,PE)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻的凈收益模型為

(8)

其自變量的物理意義如下：Δt為反映儲(chǔ)能系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和出力調(diào)整速度；PE為反映儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

2.3調(diào)頻儲(chǔ)能電站凈收益最大化控制策略

至此，求指令周期內(nèi)調(diào)頻儲(chǔ)能電站凈收益最大化問題就可以轉(zhuǎn)化為式(8)的非線性優(yōu)化問題。其目標(biāo)函數(shù)為

(9)

約束條件：

①時(shí)間Δt約束范圍：0<Δt≤T-2;

②儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率約束：

③儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)約束：SOCmin≤SOC≤SOCmax;

式中：下標(biāo)d為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電；下標(biāo)c為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；Pmax、Pmin為儲(chǔ)能系統(tǒng)相應(yīng)充放電狀態(tài)下的功率限值，MW；SOC為儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)；SOCmax、SOCmin為儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電狀態(tài)的限值。SOC計(jì)算公式如下：

(10)

式中：SOCS為tS時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)。

本文采用PSO粒子群算法對(duì)于式(9)進(jìn)行求解，關(guān)于PSO算法的原理，已有諸多文獻(xiàn)進(jìn)行了研究，本文不再贅述。

其求解流程如下：

Step1. 接收AGC指令，判斷指令值Pref,n與前一指令周期的指令值Pref,n-1是否相等。如不等，執(zhí)行Step2，否則執(zhí)行Step7。

Step2. 初始化粒子群中粒子的速度、位置、學(xué)習(xí)因子和慣性權(quán)重等。

Step3. 計(jì)算并記錄每個(gè)粒子的位置和適應(yīng)度，存儲(chǔ)所有粒子的最優(yōu)位置和適應(yīng)度。

Step4. 更新粒子的速度和位置。

Step5. 計(jì)算并更新每個(gè)粒子的最優(yōu)位置和適應(yīng)度，更新所有粒子的最優(yōu)位置和適應(yīng)度，并判斷最優(yōu)位置是否滿足約束條件，如越限，將最優(yōu)位置限制在限值。

Step6. 判斷是否滿足結(jié)束條件，如滿足，執(zhí)行Step7；否則，執(zhí)行Step4。

Step7. 停止運(yùn)算，輸出結(jié)果。

3算例分析

選取國內(nèi)某鋰電池廠商提供的磷酸鐵鋰電池組成的32MW，15 min電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)作為測試算例，其參數(shù)如表1所示。電池的成本為3 500元/kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)逆變器成本、建設(shè)成本為1 500元/kW。儲(chǔ)能電池運(yùn)行環(huán)境溫度為25℃。

表1 電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)參數(shù)

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻補(bǔ)償計(jì)算參數(shù)如下：vN=1.5%×PNMW/min，PN=1%×PNMW，tst=30s，AAGC=15元/MW。

采用Matlab的cftool工具箱，依據(jù)式(2)對(duì)電池廠商提供的放電深度和循環(huán)壽命曲線和數(shù)據(jù)擬合，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命模型的特征參數(shù)如下：a=4.966×104，b= -14.32，c=3.428×104，d=-2.182。

擬合曲線與廠家提供數(shù)據(jù)比較如圖5所示。

圖5　鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命模型擬合曲線

3.1電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)凈收益最大化控制

圖6　仿真結(jié)果

應(yīng)用第2節(jié)提出的凈收益最大化控制模型，基于電網(wǎng)實(shí)際下發(fā)的典型日某時(shí)段AGC指令進(jìn)行時(shí)序仿真，結(jié)果如圖6所示。圖6中，電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)能快速響應(yīng)AGC指令，并能根據(jù)自身凈收益最大化控制策略進(jìn)行優(yōu)化控制。為能更清晰體現(xiàn)本文優(yōu)化模型，現(xiàn)將圖6中AGC指令的虛框段進(jìn)行放大，如圖7所示。

圖7　仿真結(jié)果局部放大圖

仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　圖7對(duì)應(yīng)仿真數(shù)據(jù)

結(jié)合圖7和表2對(duì)典型過程進(jìn)行分析：

① 當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)接收到AGC指令-13.2MW時(shí)，沒有立即跟蹤AGC指令進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，而是根據(jù)自身優(yōu)化結(jié)果從0MW(仿真開始前，儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始狀態(tài))經(jīng)過8s爬升至-13.2MW，此時(shí)凈收益為646.1元。如若電池儲(chǔ)能系統(tǒng)直接跟隨AGC指令快速變出力至-13.2MW，經(jīng)計(jì)算其凈收益為639元。

② 當(dāng)AGC指令從-13.2MW跳轉(zhuǎn)到-5.5MW時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化控制后迅速動(dòng)作，變出力至-5.5MW，此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)虧損289.7元。如若儲(chǔ)能系統(tǒng)不響應(yīng)此次調(diào)頻，經(jīng)計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)因拒絕配合AGC調(diào)頻而將遭受518.4元的考核罰款。

③ 當(dāng)AGC指令從15.1MW跳轉(zhuǎn)為-2.2MW時(shí)，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化控制后選擇不出力，承擔(dān)電網(wǎng)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)不響應(yīng)AGC指令的考核懲罰153.6元。如若繼續(xù)跟蹤AGC指令，經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)將虧損646.6元。

④ 其他優(yōu)化結(jié)果中Δt=0代表電池儲(chǔ)能系統(tǒng)接收到AGC指令后，立即響應(yīng)將儲(chǔ)能出力調(diào)整到指令值，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)頻的凈收益越多。

綜上不難看出，經(jīng)過優(yōu)化控制，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可以收斂到凈收益最大值點(diǎn)，驗(yàn)證了本文所提模型和算法的正確性、合理性、有效性和可行性。

3.2投資收益預(yù)期評(píng)估

應(yīng)用收益最大化模型進(jìn)行仿真計(jì)算得到，典型日電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)參與AGC調(diào)頻收益約為7.46萬元，按照全年300 d運(yùn)行，可估算出電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的年度凈收益約為2 238萬元。而電池儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的投資成本為7 600萬元。因此在不考慮繳納各類稅費(fèi)的情況下，本算例儲(chǔ)能調(diào)頻電站可以在3.4 a回收成本。

4結(jié)束語

本文首先建立了考慮儲(chǔ)能電站運(yùn)行壽命損耗和華北電網(wǎng)現(xiàn)行調(diào)頻服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制的儲(chǔ)能電站收益模型，并提出了基于PSO算法的儲(chǔ)能電站收益最大化控制策略。其次通過對(duì)儲(chǔ)能電站收益模型的簡化，給出了基于預(yù)期收益及歷史AGC指令概率最大補(bǔ)償深度的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投資經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法。本文的研究可以為儲(chǔ)能電站的規(guī)劃、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供有效的工具。

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陳大宇(1978—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏κ袌龊碗娏?jīng)濟(jì)，E-mail: wangbigtree@qq.com；

張粒子(1963—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制、電力市場及其技術(shù)支持系統(tǒng);

王立國(1988—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、電力市場。

(責(zé)任編輯：林海文)

Control Strategy of Energy Storage System for Frequency Regulation and Evaluation of Investment Income CHEN Dayu1, ZHANG Lizi1, WANG Liguo2

(1.School of Electrical and Electronic, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2.State Grid Tianjin Binhai Electric Power Supply Company, Tianjin 300450, China)

摘要：本文以華北區(qū)域AGC補(bǔ)償機(jī)制為基礎(chǔ)，提出了電儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)電網(wǎng)AGC指令的優(yōu)化控制模型，模型以最大化電儲(chǔ)能系統(tǒng)AGC運(yùn)行的凈收益為目標(biāo)，考慮了電儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命損耗成本以及AGC補(bǔ)償收益，并應(yīng)用粒子群(PSO)算法求解最大化收益的控制策略。在算例分析中，基于電網(wǎng)實(shí)際下發(fā)的AGC指令，應(yīng)用本文模型對(duì)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行時(shí)序仿真，即首先對(duì)每個(gè)AGC指令周期優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，然后計(jì)算電儲(chǔ)能調(diào)頻服務(wù)在整個(gè)仿真周期凈收益，最后對(duì)儲(chǔ)能調(diào)頻系統(tǒng)的投資經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能；調(diào)頻；AGC；粒子群算法；投資收益

Abstract：An optimal control strategy of electric energy storage system for responding AGC control signal is proposed based on AGC compensation mechanism of Huabei Area in the paper. The objective of optimization model is to maximize the net AGC revenue, and capacity degradation cost of storage system due to frequent cycling during responding AGC is modeled. AGC compensation based on ancillary service compensation policy for Huabei region is formulated in the model as well, and PSO algorithm is applied for solving the optimization problem to provide control mode of power output for energy storage. In the case study, a chronological simulation of output control for a Lithium-Ion battery storage system is performed by using a series of actual AGC control signal, in which the control strategy of energy storage system is optimized for each AGC control cycle, and total net AGC service revenue during the simulation period is calculated. In the end, the investment income of energy storage system for frequency regulation is evaluated.

Keywords：energy storage system; frequency regulation; AGC; PSO; return of investment

作者簡介：

收稿日期：2015-07-14

中圖分類號(hào)：TM-9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2322(2016)01-0080-07