考虑能量-调频辅助服务下的用户侧储能经济运行策略

官裕达, 杨苹, 蒋建香

(1.华南理工大学 电力学院,广东 广州 510640;2.华南理工大学 广东省绿色能源技术重点实验室,广东 广州 510640)

0 引 言

由于充放电灵活、安全稳定性高等特点,用户侧储能被应用于帮助电力系统移峰填谷、响应电网调频指令和平抑分布式可再生能源发电波动等多个方面,在新型电力系统建设过程中的作用日益凸显[1]。

然而,在电能替代加速、负荷单元容量与种类各异的背景下,不同场景用户侧储能的调频外特性各异、源荷转换随机性大、调频能力可信度不一,调度中心难以直接利用其调频能力[2]。为此,现有研究通过对通信基站、数据中心和工商业园区储能电站等典型用户侧储能调频外特性进行分析,构建用户侧储能调频能力的表征模型[3-4],支撑用户侧储能的调频应用。但已有调频能力建模方法局限于具体场景,未能对不同用户侧储能外特性进行统一描述和封装建模,不能适应上层调度中心的统一调控要求。

此外,针对用户侧储能需在日内优化响应二次调频指令[5],为提高用户侧储能调频性能和经济收益,近年来有文献提出在线凸规划[6]、实时直接前瞻[7]和随机前瞻[8]等实时优化调控策略,但上述方法难以在系统级调控目标下,兼顾用户侧储能实时调频过程的决策效率和整体运行经济性。

为提高用户侧储能的全局优化性能和运营收益,本文首先构建用户侧储能经济收益模型,在分析电力用户生产运行需求基础上,建立用户侧储能运行约束,提出用户侧储能的调频容量日前优化申报以及充放电功率日内滚动优化策略。最后对典型用户侧储能的算例仿真研究表明,所提策略能够有效提升储能调频性能和运营收益。

1 考虑能量-调频辅助服务的用户侧储能的经济收益模型

为提升总市场经济收益,考虑电能量市场下峰谷价差套利和参与调频辅助服务市场获得收益,经济收益计算模型如下。

(1)

(2)

(3)

电能量与调频辅助服务市场下用户侧储能的经济收益模型如下。

(4)

式中:RD为用户侧储能总经济收益;mT为调频日的总时间长度。当FM值为1,指用户侧储能参与调频辅助服务市场;当FM值为0,指用户侧储能未参与调频辅助服务市场。

2 考虑能量-调频辅助服务的用户侧储能的经济运行策略

2.1 用户侧储能运行约束条件

1) 网络功率平衡约束

(5)

2) 充放电功率约束

(6)

(7)

3) 状态约束

xct+xdt≤1

(8)

4) 荷电状态约束

荷电状态(state of charge, SOC)满足上、下限约束:

(9)

5) 内部存储的可用能量约束

(10)

式中:Et为储能t时段容量;βselfd为储能自放电系数;βc、βd为储能充、放电效率。

除上述基本运行约束外,根据用户生产运行需要,约束储能充放电功率如下。

1) 容量备用需求特性约束

针对用户容量备用需求,设如下约束。

(11)

2) 负荷功率波动特性约束

部分用户负荷会直接影响用户侧储能调频外特性,针对此给出充放电功率上下限约束。

(12)

基于上述特性,约束储能充放电功率:

(13)

2.2 电力调频辅助服务市场下用户侧储能的经济运行策略

2.2.1 日前经济运行策略

在日前需求解最优调频容量申报量曲线,为此,设计日前经济运行策略,如图1所示。

图1 日前经济运行策略的整体流程

2.2.2 日内经济运行策略

最后,根据得到的储能目标荷电状态,求得充放电功率,实现用户侧储能日内经济运行。

3 算例分析

3.1 电力调频辅助服务市场下用户侧储能经济运行仿真设计

选取某区域数据中心、5G基站集群和园区储能电站为仿真对象。设调频日电力市场价格信息和相关参数如表1所示,调频容量价格、里程价格分别为0.2元/kW、0.06元/kW,各类型负荷出力曲线如图2所示,储能初始SOC设为0.5,充放电效率为0.95,自放电系数为0.5,其他基本参数如表2所示。

表1 峰谷分时电价

表2 用户侧储能运行参数

表4 元件子图检索耗时T(s)与检索级数d关系一次拟合

图2 电力用户负荷曲线

3.2 电力调频辅助服务市场下用户侧储能经济运行仿真分析

3.2.1 日前经济运行策略仿真结果

图3给出了各类型用户侧储能调频能力的日前优化结果,其中,5G基站集群的调频能力曲线有明显波动,源于其通信负载为实时波动负荷。数据中心由于容量备用需要,调频能力有所降低。园区储能则因用户内部负荷单元,在部分时段调频能力偏离于储能功率上下限。

图3 用户侧储能的日前上、下调频能力

3.2.2 日内经济运行策略仿真结果

为验证日内策略优化效果,以园区储能电站为例,采用不同运行策略进行仿真和效果对比,同时选取单个调频日为调频周期,调频指令曲线如图4所示。

图4 调频指令曲线

具体策略如下。

策略1:在调频阶段响应调频指令,非调频阶段进行削峰填谷套利。

策略2:在调频阶段响应调频指令,非调频阶段基于改进前瞻算法优化储能SOC。

调频日内储能充放电功率、调频能力上下限及各策略收益曲线如图5所示。其中:正方向为放电,负方向值为充电。

图5 策略3优化运行结果及三种策略日内收益对比

图7 案例3检索耗时随检索级数变化

由仿真结果可见:对比于策略1,储能总调频资源利用率明显提升;由于响应了更多调频里程,策略2总收益较策略1增加1 614.4元,总响应收益增加883.8元;策略1等日收益为3 050.5元,策略2等日收益为5 664.4元。综上,用户侧储能调频经济性和可靠性都得到有效改善。

4 结束语

本文提出了一种多时间尺度用户侧储能经济运行策略,算例证明了策略普适性和运行经济性。主要结论如下。

(1) 通过在日前经济运行中计及用户生产运行需求,可给出更精准的用户侧储能调频能力申报曲线。

(2) 日内经济运行策略能够有效改善用户侧储能调频性能和运行收益,增加有效调频次数,获得可观的调频收益。

本文所提策略可以应用于各场景下用户侧储能的日前日内经济优化运行,有助于降低用户侧储能的投资回报周期,推进用户侧储能的商业化进程。