本文以實(shí)際案例對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在收益和其應(yīng)用于電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的可能性進(jìn)行討論，提出一種儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的方法。結(jié)果表明，裝有儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠留較少的備用容量，從而提高了系統(tǒng)收益，且配置儲(chǔ)能參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)調(diào)整輔助服務(wù)能調(diào)高光伏電站的總收益。

考慮光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置方法

金楚1,2，周博1，艾小猛1，文勁宇1

(1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，2. 廣東電網(wǎng)發(fā)展研究院有限責(zé)任公司)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的加劇，光伏發(fā)電作為可持續(xù)的清潔能源受到越來(lái)越多的關(guān)注，儲(chǔ)能在含光伏電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛。然而，儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用卻面臨成本高難以推廣、收益衡量困難等瓶頸?；诖?，考慮光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)后的經(jīng)濟(jì)效益，研究光伏電站配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在收益和其應(yīng)用于電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的可能性進(jìn)行討論，提出一種儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的方法。結(jié)果表明，配置儲(chǔ)能并參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)調(diào)整輔助服務(wù)能調(diào)高光伏電站的總收益。另外，對(duì)儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置過(guò)程中敏感因素的影響進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)天氣類型、調(diào)頻輔助服務(wù)電價(jià)等均會(huì)導(dǎo)致配置結(jié)果的差異。

關(guān)鍵詞 : 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng);頻率調(diào)節(jié);輔助服務(wù);儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置

0 引言

構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能和水能等可再生能源，是實(shí)現(xiàn)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求的重要途徑[1]。儲(chǔ)能作為構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵裝備，近年來(lái)在國(guó)家的大力支持下，其技術(shù)有著顯著進(jìn)步，同時(shí)成本也在快速下降[2-5]。然而，目前我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)還處于初級(jí)階段，仍以示范應(yīng)用為主，商業(yè)化應(yīng)用依然面臨成本偏高等問(wèn)題[6-7]。因此，針對(duì)不同的應(yīng)用需求，在滿足技術(shù)性能要求的前提下，優(yōu)化配置儲(chǔ)能容量是實(shí)現(xiàn)能源經(jīng)濟(jì)互聯(lián)的重要問(wèn)題。

儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置一般是在綜合考慮儲(chǔ)能技術(shù)本身、設(shè)備響應(yīng)特性、安裝費(fèi)用等多種因素前提下，以提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性為目的，尋求最優(yōu)容量配置方案。儲(chǔ)能設(shè)備容量配置過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致部分儲(chǔ)能容量閑置，降低系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性;儲(chǔ)能設(shè)備容量配置過(guò)小，則難以滿足系統(tǒng)運(yùn)行可靠性或安全性需求。因此，儲(chǔ)能裝置的容量配置一般需滿足兩個(gè)要求：一是儲(chǔ)能裝置的容量保證完成自身承擔(dān)的任務(wù)，滿足電網(wǎng)運(yùn)行需求;二是儲(chǔ)能裝置容量的選擇應(yīng)滿足電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性需要，確保以最小的成本實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

目前儲(chǔ)能優(yōu)化配置研究多針對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，文獻(xiàn)[8]基于風(fēng)電場(chǎng)歷史出力數(shù)據(jù)，提出了一種平滑風(fēng)電出力波動(dòng)的儲(chǔ)能容量計(jì)算方法;文獻(xiàn)[9]在不同風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配比關(guān)系下進(jìn)行仿真，提出了一種配置大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案;文獻(xiàn)[10]提出了一種基于頻譜分析的風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化方法，可采取不同的控制機(jī)制以補(bǔ)償功率偏差，大幅減小系統(tǒng)備用需求;文獻(xiàn)[11]考慮到系統(tǒng)網(wǎng)架約束的影響，提出了多風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能魯棒優(yōu)化配置方法;文獻(xiàn)[12]從風(fēng)電運(yùn)行可行域的角度出發(fā)，提出了匹配風(fēng)電運(yùn)行可行域及考慮壽命減損影響的儲(chǔ)能容量配置方法，可顯著提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用率及經(jīng)濟(jì)效益;文獻(xiàn)[13]對(duì)儲(chǔ)能容量配置的敏感因素(如數(shù)據(jù)樣本、儲(chǔ)能類型和儲(chǔ)能工作方式)進(jìn)行了詳細(xì)分析;文獻(xiàn)[14]-[15]提出了儲(chǔ)能參與系統(tǒng)一次調(diào)頻的容量?jī)?yōu)化配置方法;文獻(xiàn)[16]根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)導(dǎo)則要求，提出一種頻率支援過(guò)程中的儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)配置方法。針對(duì)光伏發(fā)電的儲(chǔ)能配置，目前則多集中在微電網(wǎng)或屋頂光伏，如文獻(xiàn)[17]考慮了工業(yè)重要負(fù)荷的運(yùn)行特性，結(jié)合工業(yè)分時(shí)電價(jià)機(jī)制，構(gòu)建了工業(yè)光伏微電網(wǎng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置，可在離網(wǎng)情況下保證系統(tǒng)中重要負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行;文獻(xiàn)[18]進(jìn)一步考慮了需求響應(yīng)對(duì)光伏微網(wǎng)運(yùn)行的影響，提出了儲(chǔ)能系統(tǒng)多目標(biāo)容量?jī)?yōu)化配置模型;文獻(xiàn)[19]在分時(shí)電價(jià)機(jī)制下，討論了屋頂光伏儲(chǔ)能配置方法。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在光伏發(fā)電的儲(chǔ)能配置中，目前少有討論儲(chǔ)能裝置參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，實(shí)際上發(fā)電機(jī)組尤其是燃煤發(fā)電機(jī)組在調(diào)頻時(shí)由于受爬坡率限制，反應(yīng)較慢且成本較高，儲(chǔ)能可以在1 min甚至更短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)系統(tǒng)需求，在調(diào)頻輔助服務(wù)中發(fā)揮作用。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng))在調(diào)頻市場(chǎng)輔助服務(wù)中的應(yīng)用，研究應(yīng)用于光伏電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量需求配置方法，對(duì)儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，考慮光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)輔助服務(wù)，以光伏電站總收益為經(jīng)濟(jì)性衡量指標(biāo)，建立考慮經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型，研究不同類型的儲(chǔ)能、頻率調(diào)節(jié)補(bǔ)貼等與光伏電站效益的關(guān)系。

1 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)簡(jiǎn)介及潛在收益分析

本文研究對(duì)象為如圖1所示的光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)位于光伏電站內(nèi)，聯(lián)合光伏電站一起優(yōu)化運(yùn)行，改善光伏電站的并網(wǎng)特性，提高光伏電站的整體收益。目前，市場(chǎng)機(jī)制尚不健全、儲(chǔ)能應(yīng)用收益衡量也較為困難。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)在報(bào)告《儲(chǔ)能在電網(wǎng)中應(yīng)用的價(jià)值》[20]中提出了如何計(jì)算為電網(wǎng)提供服務(wù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值，以及目前的市場(chǎng)如何調(diào)整以支持儲(chǔ)能項(xiàng)目的開展。NREL采用基于系統(tǒng)成本的算法和基于市場(chǎng)價(jià)格的算法兩種方法對(duì)儲(chǔ)能價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。具體來(lái)說(shuō)前者是模擬含儲(chǔ)能的電網(wǎng)在一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算其運(yùn)行成本，后者是基于現(xiàn)有的市場(chǎng)機(jī)制，計(jì)算儲(chǔ)能可獲得的收益。

圖1 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure of PV-storage combined system

儲(chǔ)能的潛在收益是指在目前的電力市場(chǎng)條件下沒(méi)有直接回報(bào)或市場(chǎng)機(jī)制不支持的間接收益，不便于量化分析。研究表明，現(xiàn)在儲(chǔ)能的收益主要包括發(fā)電容量、削峰填谷、調(diào)頻、負(fù)荷跟蹤、備用、無(wú)功支持等，這說(shuō)明儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)和新能源發(fā)電中，除了高發(fā)低儲(chǔ)套利外，還可以在輔助服務(wù)市場(chǎng)中發(fā)揮重要價(jià)值[21-23]。

2 考慮光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型

在儲(chǔ)能應(yīng)用規(guī)劃和效益評(píng)估研究中，大多采用數(shù)學(xué)建模的方式。由于模型考慮的目標(biāo)函數(shù)、約束條件、時(shí)段數(shù)等方面差異性，問(wèn)題有單目標(biāo)/多目標(biāo)、線性/非線性、離散/連續(xù)之分，對(duì)應(yīng)的求解方法也各不相同。數(shù)學(xué)優(yōu)化方法是應(yīng)用最普遍的方法，理論上解的最優(yōu)性可以得到保證，但一般對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件的表達(dá)式要求比較嚴(yán)格。本文基于問(wèn)題描述和模型考慮，采用數(shù)學(xué)優(yōu)化算法求解。

從光伏電站的角度考慮儲(chǔ)能及光伏同時(shí)參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，提供輔助服務(wù)。根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)，計(jì)及運(yùn)行成本，建立考慮經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型，確定光伏電站所需儲(chǔ)能功率容量和能量容量，合理安排調(diào)頻容量和充放電策略，從而最大化光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的收益。不考慮與系統(tǒng)頻率之間的動(dòng)態(tài)交互影響，系統(tǒng)頻率作為模型的已知量輸入，使得最終模型可用線性優(yōu)化方法求解。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

模型目標(biāo)是在儲(chǔ)能使用年限內(nèi)最大化光伏電站年平均收益J，其是儲(chǔ)能系統(tǒng)成本、光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)在電量市場(chǎng)的售電收入及提供調(diào)頻輔助服務(wù)所得收益的函數(shù)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)成本主要考慮了初始安裝成本及運(yùn)行時(shí)的老化折舊費(fèi)用。初始安裝成本C0由容量成本和功率成本組成，如式(1)所示。

其中，Pbatt和Ebatt分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率容量和能量容量，λP和λE分別為儲(chǔ)能裝置的功率成本和容量成本。儲(chǔ)能電池每一次充放都將帶來(lái)電池的老化，該項(xiàng)費(fèi)用由運(yùn)行成本

表 示，如式(2)所示。

其中

表示儲(chǔ)能系統(tǒng)第t時(shí)段的上調(diào)頻電量，即t時(shí)段由于低頻響應(yīng)增加的電量，

表 示儲(chǔ)能系統(tǒng)第t時(shí)段的下調(diào)頻電量，即由于高頻響應(yīng)減少的電量，

為t時(shí)間段內(nèi)儲(chǔ)能損電量，

表示儲(chǔ)能損失的補(bǔ)償電量，

為體現(xiàn)老化折舊的運(yùn)行成本。

在電力市場(chǎng)中，電量市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)一般是分開的，因此計(jì)算時(shí)兩部分電量分開計(jì)費(fèi)，均作為光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)在市場(chǎng)中的收入。光伏電站第t時(shí)段在電力市場(chǎng)中售電獲得的收益 Rm,t可表示為：

而光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)由于提供輔助服務(wù)參與系統(tǒng)調(diào)頻的收入 Rfr,t可表示為：

其中，

為光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與頻率響應(yīng)的調(diào)頻電量，

為調(diào)頻市場(chǎng)中發(fā)電方參與頻率響應(yīng)的補(bǔ)貼價(jià)格。定義

分別為光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與高頻響應(yīng)和低頻響應(yīng)的調(diào)頻電量，均為非負(fù)值，那么，式(4)可進(jìn)一步表示為：

其中ut為頻率響應(yīng)方向標(biāo)記，高頻響應(yīng)時(shí)ut=1，低頻響應(yīng)時(shí)ut= 0。至此，目標(biāo)函數(shù)可以用式(6)描述。

式(7)表示在儲(chǔ)能壽命內(nèi)光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)總收益。其中CRF為等年值系數(shù)，r為貼現(xiàn)率，Y為儲(chǔ)能期望壽命，D為采樣數(shù)據(jù)天數(shù)，Ns為數(shù)據(jù)時(shí)間段總數(shù)。J 能在一定程度上反映光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，體現(xiàn)儲(chǔ)能在光伏電站并網(wǎng)中的應(yīng)用。通過(guò)數(shù)學(xué)優(yōu)化的方法最大化目標(biāo)函數(shù)J的值，計(jì)算出此時(shí)儲(chǔ)能額定功率和額定容量，為光伏電站儲(chǔ)能配置提供參考。

2.2 約束條件

(1)參與調(diào)頻電量平衡約束。

光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與高頻響應(yīng)和低頻響應(yīng)的調(diào)頻電量

由光伏電站和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同提供，其表達(dá)式如式(8)和式(9)所示。

其中，

分別為光伏電站在系統(tǒng)頻率升高時(shí)減少的發(fā)電量和系統(tǒng)頻率降低時(shí)增加的發(fā)電量，η−和η+分別是儲(chǔ)能電池的放電效率和充電效率。

(2)調(diào)頻電量全響應(yīng)約束。

由于頻率響應(yīng)屬于系統(tǒng)強(qiáng)制性輔助服務(wù)，本文認(rèn)為必須滿足根據(jù)并網(wǎng)導(dǎo)則要求計(jì)算出的調(diào)頻容量[23]，即：

其中，Ereq,t為根據(jù)并網(wǎng)導(dǎo)則計(jì)算得出的t時(shí)段需要提供的調(diào)頻容量，與當(dāng)前出力占光伏電站裝機(jī)的百分比有關(guān)。

(3)光伏電站售電量約束。

式中，PVgen,t為光伏電站第t時(shí)段的發(fā)電量。

(4)光伏電站發(fā)電量約束。

其中，PVres,t為t時(shí)段光伏電站可以提供的備用容量，Epvmax,t為t時(shí)段光伏最大發(fā)電量，由光照條件決定。該約束體現(xiàn)了在電力市場(chǎng)中，常規(guī)市場(chǎng)售電量與參與輔助服務(wù)的調(diào)頻電量分開計(jì)算這一特點(diǎn)。

(5)備用容量約束。

其中，

為并網(wǎng)導(dǎo)則規(guī)定的最惡劣情況(頻率偏移-0.5 Hz)下所需的調(diào)頻容量，也可由光伏電站與電網(wǎng)商議確定并簽訂合同。備用容量約束保證光伏備用及光儲(chǔ)調(diào)頻總?cè)萘孔阋詰?yīng)對(duì)最大頻率偏差的情況。Ebcu,t為t時(shí)段儲(chǔ)能可用容量，滿足以下兩條約束：

式中Ts為采樣數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，Ebc,t為t時(shí)段儲(chǔ)能容量，Tsus為頻率響應(yīng)持續(xù)的時(shí)間，式保證t時(shí)段內(nèi)儲(chǔ)能容量變化不超過(guò)最大功率限制的能量變化，式則保證系統(tǒng)能滿足持續(xù)響應(yīng)頻率變化的要求。

儲(chǔ)能系統(tǒng)需滿足的其他約束如式(17)～式(23)所示。

(6)儲(chǔ)能系統(tǒng)電量平衡約束。

(7)儲(chǔ)能能量上下限約束。

(8)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率限制。

(9)儲(chǔ)能系統(tǒng)損耗約束。

其中，SOCmax和SOCmin分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC上下限，γ為考慮儲(chǔ)能自放電后的能量損失比例。

需說(shuō)明的是，該模型中

等量均為非負(fù)值。由于所示的調(diào)頻容量要求與當(dāng)前實(shí)際出力所處區(qū)間有關(guān)，為解決此非線性關(guān)系，可引入多個(gè)0-1變量分段表示該約束條件，因篇幅所限，具體算法此處不再贅述。

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)

算例采用的光伏電站裝機(jī)容量Ppvn為90 MW，模型中部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。系統(tǒng)實(shí)時(shí)頻率可由英國(guó)管理電力交易市場(chǎng)的Elexon公司網(wǎng)站[25]獲得。根據(jù)電網(wǎng)規(guī)定，系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移后，提供頻率響應(yīng)服務(wù)的時(shí)間必須持續(xù)30 min以上，因此Tsus取30 min。取當(dāng)?shù)啬程鞂?shí)時(shí)電價(jià)如圖2所示[26]，調(diào)頻電價(jià)由電網(wǎng)與發(fā)電方商議后簽訂合同定價(jià)，這里取實(shí)時(shí)電價(jià)的2倍。由于全響應(yīng)約束的存在，發(fā)電商需按規(guī)定參與頻率調(diào)節(jié)。

表1 算例參數(shù)設(shè)置

Table 1 Case parameters setting

圖2 某典型日實(shí)時(shí)電價(jià)曲線

Fig.2 Real time electricity price of a typical day

根據(jù)美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)(EPRI)報(bào)告，得到幾種類型儲(chǔ)能電池成本，這里列出技術(shù)相對(duì)成熟的鉛酸電池、處于示范階段的液流電池以及性能良好發(fā)展迅速的鋰離子電池相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

表2 儲(chǔ)能電池成本及性能參數(shù)

Table 2 Cost and performance parameters of energy storage

算例采用的系統(tǒng)頻率曲線如圖3所示，光伏出力為某光伏電站5天的歷史數(shù)據(jù)，時(shí)間步長(zhǎng)為1 min，如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)頻率曲線

Fig.3 System frequency curve

圖4 光伏電站出力

Fig.4 Photovoltaic power profile

3.2 優(yōu)化結(jié)果

采用Matlab建模并調(diào)用CPLEX優(yōu)化軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，得到不同類型儲(chǔ)能電池的容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果如表3所示。

表3 不同類型儲(chǔ)能電池容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果

Table 3 Configuration results of different battery types

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，換算至儲(chǔ)能壽命周期內(nèi)每年的平均收益后，鉛酸電池因成本低而收益最大，鋰電池次之，全釩液流電池由于效率低且運(yùn)行費(fèi)用高而最不經(jīng)濟(jì)。對(duì)于裝機(jī)90 MW的光伏電站來(lái)說(shuō)，需要裝設(shè)的儲(chǔ)能容量(以鉛酸電池為例)為12.72 MW/5.19 MWh，大約占光伏電站裝機(jī)的14%。

現(xiàn)以鉛酸電池為例，對(duì)比分析無(wú)儲(chǔ)能時(shí)系統(tǒng)收益，結(jié)果如表4所示。

表4 有無(wú)儲(chǔ)能優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

Table 4 Configuration results comparison with and without energy storage

由表4優(yōu)化結(jié)果可得結(jié)論：在不裝設(shè)儲(chǔ)能時(shí)，根據(jù)式所示的約束條件，光伏電站需留有更高的備用容量以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)頻率變化時(shí)所需要的頻率調(diào)節(jié)容量，而裝有儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠留較少的備用容量，從而提高了系統(tǒng)收益。

現(xiàn)對(duì)含儲(chǔ)能的算例進(jìn)行分析。優(yōu)化過(guò)程中，鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC變化及儲(chǔ)能功率(1441～2880 min)如圖5和圖6所示，其中儲(chǔ)能功率放電為正，充電為負(fù);光伏電站最大功率、實(shí)際出力及發(fā)電功率如圖7所示。其中實(shí)際出力包含用于頻率調(diào)節(jié)的功率，發(fā)電功率為單純用于向電網(wǎng)售電的功率。

圖5 儲(chǔ)能電池SOC變化

Fig.5 SOC of energy storage battery

圖6 儲(chǔ)能充放電功率

Fig.6 Power profile of energy storage

由仿真結(jié)果可知，夜間光伏出力為零，不能提供上下調(diào)頻容量，因此期間系統(tǒng)頻率波動(dòng)所需的頻率響應(yīng)容量均由儲(chǔ)能承擔(dān)。光伏電站實(shí)際出力是其向電網(wǎng)售電的發(fā)電功率與用于頻率響應(yīng)功率之和，根據(jù)該日午間頻率低于設(shè)定值需要光伏電站增加出力，因此光伏實(shí)際出力一部分用于向上調(diào)頻，向電網(wǎng)售電的發(fā)電功率減少。

從電量的角度看，系統(tǒng)低頻響應(yīng)要求、光儲(chǔ)響應(yīng)電量與系統(tǒng)高頻響應(yīng)要求、光儲(chǔ)響應(yīng)電量分別如圖8和圖9所示。

圖8和圖9中，黑線、紅色虛線、藍(lán)色虛線分別表示計(jì)算得出的頻率響應(yīng)需求、光伏電站頻率響應(yīng)電量、儲(chǔ)能換算到電網(wǎng)側(cè)的頻率響應(yīng)電量。根據(jù)的優(yōu)化結(jié)果，夜間低頻響應(yīng)容量由儲(chǔ)能提供，白天光伏電站由于留有備用容量用于頻率響應(yīng)，低頻時(shí)增加出力，可以免儲(chǔ)能電池SOC持續(xù)下降而影響后續(xù)的頻率響應(yīng)能力。因此可知，光伏電站高頻響應(yīng)始終為零，說(shuō)明系統(tǒng)不傾向于使光伏電站降額運(yùn)行以提供高頻響應(yīng)容量，而是采用向儲(chǔ)能電池充電來(lái)降低光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)出力，以盡量保證光伏售電量，從而充分地利用光伏發(fā)電能力和儲(chǔ)能能量存儲(chǔ)的功能。

圖7 光伏電站功率

Fig.7 Power profile of PV station

圖8 系統(tǒng)低頻響應(yīng)要求及光伏、儲(chǔ)能響應(yīng)電量

Fig.8 Low frequency response generation of system requirements,PV and energy storage

圖9 系統(tǒng)高頻響應(yīng)要求及光伏、儲(chǔ)能響應(yīng)電量

Fig.9 High frequency response generation of system requirements, PV and energy storage

3.3 影響因素及靈敏度分析

下面分析儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型中參數(shù)設(shè)置對(duì)配置結(jié)果及總收益的影響，主要包括所采用的光伏電站原始數(shù)據(jù)天氣狀況、頻率響應(yīng)輔助服務(wù)電價(jià)等幾個(gè)方面。

(1)天氣因素。

取不同天氣狀況的光伏出力原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化配置分析，得到儲(chǔ)能優(yōu)化配置結(jié)果如表5所示。

表5 不同天氣類型下電池容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果

Table 5 Configuration results under different weather conditions

由計(jì)算結(jié)果可知，天氣狀況不同會(huì)導(dǎo)致容量配置結(jié)果的差異。若原始數(shù)據(jù)為晴天，光伏電站出力較大且平滑，則儲(chǔ)能配置需求最少;若均取自雨天，光伏出力很小且抖動(dòng)劇烈，儲(chǔ)能配置結(jié)果最大。根據(jù)不同原始數(shù)據(jù)計(jì)算出的光儲(chǔ)系統(tǒng)年收益差別非常明顯，因此，在選取光伏出力數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種天氣狀況，才能使配置結(jié)果合理且經(jīng)濟(jì)。

(2)頻率響應(yīng)輔助服務(wù)電價(jià)。

改變頻率響應(yīng)輔助服務(wù)電價(jià)

這里分別取為實(shí)時(shí)電價(jià)λm的0.8倍、1.2倍、2倍，得到儲(chǔ)能優(yōu)化配置結(jié)果如表6所示。

由優(yōu)化結(jié)果可以看出，隨著頻率響應(yīng)輔助服務(wù)電價(jià)的升高，儲(chǔ)能電池容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果有增大的趨勢(shì)，且光儲(chǔ)系統(tǒng)年收益增加，說(shuō)明輔助服務(wù)價(jià)格越高，配置儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性越明顯。從另一方面來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能應(yīng)用的推廣依賴于電力市場(chǎng)機(jī)制的激勵(lì)和輔助服務(wù)市場(chǎng)效益的增加。

表6 不同頻率響應(yīng)輔助服務(wù)電價(jià)下電池容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果

Table 6 Configuration results with different frequency response ancillary service price

4 結(jié)論

目前儲(chǔ)能成本較高，但在電力市場(chǎng)機(jī)制健全后，配置儲(chǔ)能仍有望提高光伏電站整體經(jīng)濟(jì)效益?；诖?，本文討論了儲(chǔ)能系統(tǒng)的潛在收益和其應(yīng)用于電力市場(chǎng)輔助服務(wù)的可能性，考慮光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)輔助服務(wù)，提出一種儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置的方法。結(jié)果表明，配置儲(chǔ)能并參與系統(tǒng)頻率響應(yīng)調(diào)整輔助服務(wù)能調(diào)高光伏電站的總收益。最后分析了儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置模型中的敏感因素的影響，發(fā)現(xiàn)天氣類型、調(diào)頻輔助服務(wù)電價(jià)等均會(huì)導(dǎo)致配置結(jié)果的差異，其中調(diào)頻電價(jià)升高會(huì)使得儲(chǔ)能配置經(jīng)濟(jì)性更好，能促進(jìn)其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。