北极星智能电网在线讯:本文以实际案例对储能系统的潜在收益和其应用于电力市场辅助服务的可能性进行讨论，提出一种储能容量优化配置的方法。结果表明，装有储能的光伏发电系统能够留较少的备用容量，从而提高了系统收益，且配置储能参与系统频率响应调整辅助服务能调高光伏电站的总收益。
考虑光储联合系统参与频率响应的储能容量优化配置方法
金楚1,2，周博1，艾小猛1，文劲宇1
(1. 强电磁工程与新技术国家重点实验室，电力安全与高效湖北省重点实验室(华中科技大学电气与电子工程学院，2. 广东电网发展研究院有限责任公司)
随着能源危机和环境污染问题的加剧，光伏发电作为可持续的清洁能源受到越来越多的关注，储能在含光伏电力系统中的应用也日益广泛。然而，储能的大规模应用却面临成本高难以推广、收益衡量困难等瓶颈。基于此，考虑光伏-储能联合系统参与系统频率响应后的经济效益，研究光伏电站配置储能的经济性。对储能系统的潜在收益和其应用于电力市场辅助服务的可能性进行讨论，提出一种储能容量优化配置的方法。结果表明，配置储能并参与系统频率响应调整辅助服务能调高光伏电站的总收益。另外，对储能容量优化配置过程中敏感因素的影响进行了分析，发现天气类型、调频辅助服务电价等均会导致配置结果的差异。
关键词 : 光储联合系统;频率调节;辅助服务;储能容量优化配置
0 引言
构建全球能源互联网，大力发展风能、太阳能和水能等可再生能源，是实现以清洁和绿色方式满足全球电力需求的重要途径[1]。储能作为构建全球能源互联网的关键装备，近年来在国家的大力支持下，其技术有着显著进步，同时成本也在快速下降[2-5]。然而，目前我国储能产业还处于初级阶段，仍以示范应用为主，商业化应用依然面临成本偏高等问题[6-7]。因此，针对不同的应用需求，在满足技术性能要求的前提下，优化配置储能容量是实现能源经济互联的重要问题。
储能容量优化配置一般是在综合考虑储能技术本身、设备响应特性、安装费用等多种因素前提下，以提高系统运行可靠性、安全性以及经济性为目的，寻求最优容量配置方案。储能设备容量配置过大，会导致部分储能容量闲置，降低系统运行的经济性;储能设备容量配置过小，则难以满足系统运行可靠性或安全性需求。因此，储能装置的容量配置一般需满足两个要求：一是储能装置的容量保证完成自身承担的任务，满足电网运行需求;二是储能装置容量的选择应满足电网的经济性需要，确保以最小的成本实现电力系统的优化运行。
目前储能优化配置研究多针对于风力发电，文献[8]基于风电场历史出力数据，提出了一种平滑风电出力波动的储能容量计算方法;文献[9]在不同风电场和储能系统的容量配比关系下进行仿真，提出了一种配置大规模储能系统的优化配置方案;文献[10]提出了一种基于频谱分析的风电场储能系统容量优化方法，可采取不同的控制机制以补偿功率偏差，大幅减小系统备用需求;文献[11]考虑到系统网架约束的影响，提出了多风电场的储能鲁棒优化配置方法;文献[12]从风电运行可行域的角度出发，提出了匹配风电运行可行域及考虑寿命减损影响的储能容量配置方法，可显著提高储能系统的利用率及经济效益;文献[13]对储能容量配置的敏感因素(如数据样本、储能类型和储能工作方式)进行了详细分析;文献[14]-[15]提出了储能参与系统一次调频的容量优化配置方法;文献[16]根据当地电网导则要求，提出一种频率支援过程中的储能经济配置方法。针对光伏发电的储能配置，目前则多集中在微电网或屋顶光伏，如文献[17]考虑了工业重要负荷的运行特性，结合工业分时电价机制，构建了工业光伏微电网的储能容量优化配置，可在离网情况下保证系统中重要负荷稳定运行;文献[18]进一步考虑了需求响应对光伏微网运行的影响，提出了储能系统多目标容量优化配置模型;文献[19]在分时电价机制下，讨论了屋顶光伏储能配置方法。
从上述研究可以发现，在光伏发电的储能配置中，目前少有讨论储能装置参与系统频率调节，实际上发电机组尤其是燃煤发电机组在调频时由于受爬坡率限制，反应较慢且成本较高，储能可以在1 min甚至更短的时间内响应系统需求，在调频辅助服务中发挥作用。因此，本文重点关注光伏-储能联合系统(以下简称光储联合系统)在调频市场辅助服务中的应用，研究应用于光伏电站的储能系统容量需求配置方法，对储能经济性进行评估，考虑光储联合系统参与系统频率响应辅助服务，以光伏电站总收益为经济性衡量指标，建立考虑经济性的储能容量优化配置模型，研究不同类型的储能、频率调节补贴等与光伏电站效益的关系。
1 光储联合系统简介及潜在收益分析
本文研究对象为如图1所示的光储联合系统，储能系统位于光伏电站内，联合光伏电站一起优化运行，改善光伏电站的并网特性，提高光伏电站的整体收益。目前，市场机制尚不健全、储能应用收益衡量也较为困难。
美国国家可再生能源实验室(NREL)在报告《储能在电网中应用的价值》[20]中提出了如何计算为电网提供服务的储能系统的价值，以及目前的市场如何调整以支持储能项目的开展。NREL采用基于系统成本的算法和基于市场价格的算法两种方法对储能价值进行评估。具体来说前者是模拟含储能的电网在一定时间内的运行状态，计算其运行成本，后者是基于现有的市场机制，计算储能可获得的收益。
图1 光储联合系统结构示意图
Fig.1 Structure of PV-storage combined system
储能的潜在收益是指在目前的电力市场条件下没有直接回报或市场机制不支持的间接收益，不便于量化分析。研究表明，现在储能的收益主要包括发电容量、削峰填谷、调频、负荷跟踪、备用、无功支持等，这说明储能技术在电网和新能源发电中，除了高发低储套利外，还可以在辅助服务市场中发挥重要价值[21-23]。
2 考虑光储联合系统参与频率响应的储能容量优化配置模型
在储能应用规划和效益评估研究中，大多采用数学建模的方式。由于模型考虑的目标函数、约束条件、时段数等方面差异性，问题有单目标/多目标、线性/非线性、离散/连续之分，对应的求解方法也各不相同。数学优化方法是应用最普遍的方法，理论上解的最优性可以得到保证，但一般对目标函数和约束条件的表达式要求比较严格。本文基于问题描述和模型考虑，采用数学优化算法求解。
从光伏电站的角度考虑储能及光伏同时参与系统频率调节，提供辅助服务。根据实时电价，计及运行成本，建立考虑经济性的储能容量优化配置模型，确定光伏电站所需储能功率容量和能量容量，合理安排调频容量和充放电策略，从而最大化光储联合系统的收益。不考虑与系统频率之间的动态交互影响，系统频率作为模型的已知量输入，使得最终模型可用线性优化方法求解。
2.1 目标函数
模型目标是在储能使用年限内最大化光伏电站年平均收益J，其是储能系统成本、光储联合系统在电量市场的售电收入及提供调频辅助服务所得收益的函数。
储能系统成本主要考虑了初始安装成本及运行时的老化折旧费用。初始安装成本C0由容量成本和功率成本组成，如式(1)所示。
其中，Pbatt和Ebatt分别为储能系统的功率容量和能量容量，λP和λE分别为储能装置的功率成本和容量成本。储能电池每一次充放都将带来电池的老化，该项费用由运行成本
表 示，如式(2)所示。
其中
表示储能系统第t时段的上调频电量，即t时段由于低频响应增加的电量，
表 示储能系统第t时段的下调频电量，即由于高频响应减少的电量，
为t时间段内储能损电量，
表示储能损失的补偿电量，
为体现老化折旧的运行成本。
在电力市场中，电量市场和辅助服务市场一般是分开的，因此计算时两部分电量分开计费，均作为光储联合系统在市场中的收入。光伏电站第t时段在电力市场中售电获得的收益 Rm,t可表示为：
而光储联合系统由于提供辅助服务参与系统调频的收入 Rfr,t可表示为：
其中，
为光储联合系统参与频率响应的调频电量，
为调频市场中发电方参与频率响应的补贴价格。定义
分别为光储联合系统参与高频响应和低频响应的调频电量，均为非负值，那么，式(4)可进一步表示为：
其中ut为频率响应方向标记，高频响应时ut=1，低频响应时ut= 0。至此，目标函数可以用式(6)描述。
式(7)表示在储能寿命内光储联合系统总收益。其中CRF为等年值系数，r为贴现率，Y为储能期望寿命，D为采样数据天数，Ns为数据时间段总数。J 能在一定程度上反映光储联合系统经济性，体现储能在光伏电站并网中的应用。通过数学优化的方法最大化目标函数J的值，计算出此时储能额定功率和额定容量，为光伏电站储能配置提供参考。
