以净效益最大为目标的储能电池参与二次调频的容量配置方法

2019年3月电工技术学报Vol.34 No. 5 第34卷第5期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2019 DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.L80372

以净效益最大为目标的储能电池参与

二次调频的容量配置方法

汤杰1李欣然1黄际元2徐飘1何聪1

（1. 湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082

2. 国网湖南省电力有限公司长沙供电分公司长沙 410015）

摘要针对储能电源参与电网辅助调频问题，提出一种以净效益最大为目标的储能电池参与二次调频的容量配置方法。综合考虑实时电量、备用功率和环境效益，构建储能电池全寿命周期的成本-效益计算模型；进而建立以净效益最大为目标，以容量及功率为决策变量，综合考虑实时出力、调频需求约束和荷电状态（SOC）约束的储能电池优化配置模型；基于经验模态分解（EMD）原理，设计一种考虑常规机组爬坡率限制的储能参与二次调频的初始功率指令分配方法；并给出了利用遗传算法辅助求解该优化模型的容量配置方法流程。仿真结果表明，所提出的容量配置方法不仅可以得到能够较好地协调经济效益和调频效果的容量配置方案，同时可得到储能出力功率，该功率可作为储能电池的运行调度参考方案，提高了配置方法的工程实用性。

关键词：储能电池二次调频成本-效益容量配置优化模型

中图分类号：TM732

Capacity Allocation of BESS in Secondary Frequency Regulation with

the Goal of Maximum Net Benefit

Tang Jie1 Li Xinran1 Huang Jiyuan2 Xu Piao1 He Cong1

（1. College of Electrical and Information Engineering Hunan University Changsha 410082 China

2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Limited Changsha Power Supply Company

Changsha 410015 China）

Abstract Energy storage power has brought some problems involved in the auxiliary frequency regulation, aiming at the problems, a capacity allocation method of BESS in secondary frequency regulation with the goal of maximum net benefit is proposed. Considering the real-time electricity, reserve power and environmental benefit, the cost-benefit calculation model of full life cycle of BESS is constructed. Then taking the maximum net benefit as the goal, the capacity and the power as the decision variables, and considering the real-time output, the frequency regulation demand constraint and the SOC boundary, the optimization configuration model of BESS is established; Based on the principle of empirical mode decomposition (EMD) and considering the limitation of ramp rate of conventional units, this paper designs an initial power instruction allocation method for BESS in secondary frequency regulation; Also this paper gives the flow chart of capacity allocation method assisted by genetic algorithm. The simulation results show that the proposed capacity allocation method can not only obtain the capacity allocation scheme that can coordinate the economic benefit and frequency regulation effect, but also obtain the energy storage output power. The output power can be used as a reference scheme of BESS, which improves the engineering

国家自然科学基金（51477043）、湖南省科技重大专项(2016GK1003)和国网湖南省电力有限公司科技项目（5216A1170002）资助。

收稿日期 2018-06-29 改稿日期 2018-09-09

964 电工技术学报 2019年3月

practicability of the configuration method.

Keywords：Battery energy storage system, secondary frequency regulation, cost-benefit, capacity allocation, optimization model

0引言

随着化石能源危机及环境保护问题的日益突出，具有随机性、间歇性和难以预测性的风电等清洁能源得到快速发展，同时也给电网调频带来日益严峻的挑战[1,2]。常规机组调频容量有限、响应慢、存在死区振荡且可能反向调频，难以满足调频需求，制约了电网消纳清洁能源的能力。储能电池是一种时间尺度灵活的电源，能动态吸收、释放能量，且其响应快速、控制精度高，在参与电网调频方面具有优势[3,4]。2018年以来，国内出现了众多储能调频电站，规模为9 MW/4.5 MW⋅h的有8个，其中已投运的有山西京玉电厂调频项目、晋能阳光电厂储能调频项目以及山西同达电厂储能AGC调频项目。规模为9 MW/4.478 MW⋅h的有4个，其中已投运的有内蒙古新丰AGC储能调频项目、山西同煤集团同达热电公司智慧储能AGC调频项目以及山西平朔AGC储能辅助调频系统项目。已投运的还有内蒙古上都电厂蓄电池储能辅助AGC调频项目（18 MW/8.957 MW⋅h）以及贵州兴义清水河储能调频项目（20 MW/10 MW⋅h）。由此可知，利用储能电池参与电网二次调频是一个非常重要的手段，而如何科学合理地配置储能容量，直接影响储能的技术经济性，进而影响到其在调频市场的推广和应用[5]。

各种应用场景中，储能的功率/容量配置都是必须解决的基础性问题，相关研究成果时有报道。文献[6]提出了一种以风电场寿命周期内储能系统初始购置及更换总成本最低为目标，并计及电池使用寿命及电池更换成本的风电场储能容量优化配置方法。文献[7]建立了储能容量配置双层决策模型，外层以储能的初始投资与联络线波动惩罚最低为目标，内层以系统联络线功率波动最低为目标。文献[8]建立了以一次调频备用成本最小为优化目标的机会约束规划模型，通过神经网络处理风速随机变量，并采用权重改进的线性递减粒子群算法进行求解。文献[9]提出一种考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法，其全寿命周期成本模型较成熟，但没有深入定量地分析储能参与调频的效益。文献[10]分析了储能电池应用于配网削峰填谷的经济性，主要从能源价格套利、减少传输接入成本和延缓电力设施升级改造三个方面分析了储能的效益。文献[11]从容量收入、电量收入和环境效益三个方面对储能参与风电辅助服务的效益进行了分析。

已有见诸报道的有关储能容量配置方法的研究成果主要涉及储能应用于风（光伏）电场平抑波动与跟踪计划出力或应用于辅助一次调频，储能应用于辅助电网二次调频的容量配置问题鲜见报道。许多容量配置方法并不是以净效益最大为目标，且已有的以净效益最大为目标的容量配置方法，其成本模型较成熟，但其效益模型还不完善，比较单一，这是因为不同应用场景效益构成不同，且有的效益难以对其进行定量分析。储能参与二次调频的目的不同于平抑波动、跟踪计划出力以及参与一次调频等应用，边界条件也不相同，即其容量优化配置的目标函数与约束条件都不同，因此很有必要研究以净效益最大为目标的储能参与二次调频的容量配置问题，挖掘并定量分析其效益。

本文考虑储能电池参与二次调频的经济技术综合性能，研究储能参与二次调频的容量配置方法。首先构建储能参与二次调频的成本-效益计算模型；基于该模型，以储能技术特征以及调频需求为约束，建立了以净效益最大为目标的容量配置优化模型；提出一种考虑常规机组爬坡率限制的储能参与二次调频的初始功率指令分配方法；并给出利用遗传算法辅助求解该优化模型的容量配置方法流程。在确定储能配置方案的同时，还可得到满足调频需求的储能出力计划曲线。

1储能电池参与二次调频的成本-效益计算模型

为更好地推进储能进入调频市场，本文从实时电量效益、备用功率效益及环境效益三个方面剖析储能参与二次调频的效益构成，并结合已有的全寿命周期成本（Life Cycle Cost, LCC）模型[12,13]，构建储能参与二次调频的成本-效益计算模型。

1）实时电量效益。

储能实时电量效益是其在考察时段内充放电带来的净收益，其日电量收益为