徐巍峰,高美金,吳 俊,余 彬,翁利國(guó)
(國(guó)網(wǎng)浙江杭州市蕭山區(qū)供電有限公司,杭州 311200)
隨著我國(guó)電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn),充分調(diào)動(dòng)多方資源參與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)的商業(yè)模式得到快速發(fā)展。電儲(chǔ)能資源因具備控制靈活、響應(yīng)迅速等突出優(yōu)勢(shì),逐漸成為了能源系統(tǒng)中的重要輔助調(diào)節(jié)手段。2017 年,國(guó)家發(fā)改委等五部委聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2017〕1701 號(hào)),提出結(jié)合電力體制改革,建立健全儲(chǔ)能參與的市場(chǎng)機(jī)制[1-3]。目前,多省區(qū)已制定了儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)市場(chǎng)的試點(diǎn)方案。然而現(xiàn)有的試點(diǎn)項(xiàng)目表明,電儲(chǔ)能資源參與輔助服務(wù)受制于市場(chǎng)機(jī)制與其本身高昂的成本,靜態(tài)投資回收年限較長(zhǎng)[4],經(jīng)濟(jì)性較差,降低了電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)投資者建設(shè)儲(chǔ)能的積極性。因此,如何提升儲(chǔ)能資源運(yùn)行過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,從而充分適應(yīng)市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制以獲取更高的市場(chǎng)收益,對(duì)儲(chǔ)能發(fā)展與電力現(xiàn)貨市場(chǎng)建設(shè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。
儲(chǔ)能設(shè)備通??煞譃橐噪姵貫榇淼木哂写笕萘?、短壽命的能量型儲(chǔ)能和以超級(jí)電容為代表的具有快速響應(yīng)特性、長(zhǎng)壽命的功率型儲(chǔ)能。儲(chǔ)能作為靈活性資源,在為電網(wǎng)提供調(diào)頻、調(diào)壓等輔助服務(wù)方面能夠發(fā)揮重要作用。文獻(xiàn)[5]提出一種儲(chǔ)能系統(tǒng)參與一次調(diào)頻的控制策略,能有效改善電網(wǎng)頻率波動(dòng)和儲(chǔ)能SOC(荷電狀態(tài));文獻(xiàn)[6]提出一種分布式儲(chǔ)能集群調(diào)壓控制策略,能夠有效消除節(jié)點(diǎn)電壓越限問題,提升儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性;文獻(xiàn)[7]基于模型預(yù)測(cè)控制方法,提出了一種考慮退化成本的電池儲(chǔ)能參與調(diào)頻市場(chǎng)的控制方法,可使電池儲(chǔ)能在降低退化成本的同時(shí)保持較高的調(diào)頻性能指標(biāo),從而提高在調(diào)頻市場(chǎng)中的總收益。傳統(tǒng)的單一儲(chǔ)能系統(tǒng)在技術(shù)層面難以適應(yīng)調(diào)頻輔助服務(wù)對(duì)能量與功率的多層次需求,而混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由于可充分利用不同類型儲(chǔ)能在技術(shù)特性上的互補(bǔ)性,為靈活、高質(zhì)量提供調(diào)頻輔助服務(wù)提供了可能,因此有必要對(duì)不同類型儲(chǔ)能介質(zhì)間的功率控制開展研究[8-9]。
目前國(guó)內(nèi)外已有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)用于為電網(wǎng)提供服務(wù)的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10]提出了一種協(xié)調(diào)控制策略,實(shí)現(xiàn)了功率平衡。文獻(xiàn)[11]對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行性能優(yōu)化,有效平抑了直流母線電壓波動(dòng)。文獻(xiàn)[12-13]提出了完整的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用框架,并根據(jù)其提供調(diào)頻服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[14]提出了計(jì)及儲(chǔ)能壽命的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率分配策略。文獻(xiàn)[15]分析了不同功率變換拓?fù)鋵?duì)提升電池壽命的效果。
上述研究均通過對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。但是單純控制輸出功率以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器件壽命最大化會(huì)降低系統(tǒng)對(duì)服務(wù)需求信號(hào)響應(yīng)的精準(zhǔn)度,目前一些成型的電力輔助服務(wù)市場(chǎng)中,均設(shè)有基于服務(wù)性能的打分機(jī)制,較低的功率響應(yīng)能力會(huì)降低系統(tǒng)的綜合收益。因此,如何在保證系統(tǒng)響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上開展功率控制仍有待研究。
本文首先建立了一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用框架,包括功率響應(yīng)模塊、功率分配模塊與服務(wù)收益打分模塊,用于衡量系統(tǒng)控制方式的收益能力?;谠摽蚣?,提出一種基于收益量化的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制策略,該策略考慮了不同儲(chǔ)能設(shè)備的壽命因素、功率提供能力與服務(wù)響應(yīng)質(zhì)量評(píng)分,對(duì)能量型儲(chǔ)能設(shè)備的SOC 進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供調(diào)頻服務(wù)時(shí)的協(xié)調(diào)功率控制。
目前國(guó)內(nèi)的電力輔助服務(wù)市場(chǎng)仍處于起步階段,本文基于美國(guó)區(qū)域電力傳輸組織PJM 的市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制,以能源提供者的角度建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行框架[13],如圖1 所示。該服務(wù)框架包含功率響應(yīng)模塊、功率分配模塊與服務(wù)收益計(jì)算模塊。該框架可輔助混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)者對(duì)輔助服務(wù)信號(hào)做出最優(yōu)響應(yīng),以達(dá)成經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。
圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行框架
在每一固定間隔的時(shí)間段,區(qū)域電力組織將根據(jù)發(fā)電量與負(fù)荷的供需關(guān)系向混合儲(chǔ)能系統(tǒng)給出服務(wù)信號(hào)s,該信號(hào)代表了T 時(shí)刻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)出力占其最大功率響應(yīng)能力的比例,因此s∈[-1,1]。由于在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中,超級(jí)電容占比較低,因此決定系統(tǒng)最大功率響應(yīng)能力的主要是電池,而超級(jí)電容主要用于平抑瞬變的功率分量,因此本文采用電池容量來確定混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在時(shí)段T 的最大功率響應(yīng)能力R。R 取決于系統(tǒng)所能提供的充電或放電功率中的最小值,如式(1)所示:
式中:Pd和Pc分別為系統(tǒng)該時(shí)刻的最大放電與充電功率;E 為該時(shí)刻電池內(nèi)儲(chǔ)存的能量,可由電池SOC 計(jì)算得到;C 為電池標(biāo)稱容量;a,b 分別為放電與充電效率因數(shù)。
由式(1)可見,系統(tǒng)在T 時(shí)段的最大功率響應(yīng)能力由電池容量和T 時(shí)段電池SOC 決定,因此可通過控制系統(tǒng)在T 時(shí)段出力實(shí)現(xiàn)電池的SOC控制,減小電池壽命衰減。
服務(wù)信號(hào)s 通過功率分配模塊分配給電池和超級(jí)電容。圖2 是兩種不同的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)洹F渲袌D2(a)是被動(dòng)型混合儲(chǔ)能系統(tǒng),其功率分配取決于電池和超級(jí)電容的阻抗。該方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,減少了高功率變換器投資成本,同時(shí)方便電池和超級(jí)電容的更換與級(jí)聯(lián),是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的混合儲(chǔ)能功率分配模式。但超級(jí)電容電壓受電池電壓限制,無法發(fā)揮其最大的效果。圖2(b)為全控型混合儲(chǔ)能系統(tǒng),該方式通過功率變換器對(duì)超級(jí)電容與電池進(jìn)行獨(dú)立控制,能夠最大程度發(fā)揮超級(jí)電容的效果,但是其控制系統(tǒng)復(fù)雜,且大規(guī)?;旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)的投資成本較高,因此本文采用主動(dòng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?/p>
混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的服務(wù)收益計(jì)算模塊用于評(píng)估其在T 時(shí)刻提供服務(wù)所帶來的經(jīng)濟(jì)收益與儲(chǔ)能壽命等效衰減損失成本之間的關(guān)系,本文定義如式(2)—(3)所示的服務(wù)收益計(jì)算模型:
式中:Q 為服務(wù)價(jià)格;R 為系統(tǒng)最大功率;PS為系統(tǒng)功率響應(yīng)分?jǐn)?shù);Closs1,Closs2分別為電池儲(chǔ)能與超級(jí)電容儲(chǔ)能的壽命等效衰減損失成本;M1,M2分別為電池儲(chǔ)能與超級(jí)電容儲(chǔ)能的單位投資成本;Lbat和Lcap分別為電池儲(chǔ)能與超級(jí)電容儲(chǔ)能的壽命衰減量。
由式(2)可見,α 能夠描述在一段時(shí)間內(nèi),混合儲(chǔ)能系統(tǒng)出力帶來的壽命衰減所增加的成本與其提供服務(wù)帶來的效益之間的關(guān)系,其中ST為提供服務(wù)時(shí)長(zhǎng),Q 為實(shí)時(shí)服務(wù)結(jié)算價(jià)格。當(dāng)系統(tǒng)功率響應(yīng)分?jǐn)?shù)PS(PS計(jì)算見1.5 節(jié))很高時(shí),即系統(tǒng)準(zhǔn)確響應(yīng)服務(wù)信號(hào),收益Q 較高,但是此時(shí)電池的放電倍率、放電深度、平均SOC 都會(huì)有較大幅度的波動(dòng),此時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)算壽命下降,導(dǎo)致等效壽命損失成本上升,因此,在計(jì)算混合儲(chǔ)能系統(tǒng)收益時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮響應(yīng)性能與儲(chǔ)能壽命的協(xié)同效應(yīng)。
電池儲(chǔ)能壽命與放電過程中的平均SOC 與SOC 波動(dòng)有關(guān),在時(shí)間段[0,T]內(nèi),平均SOC 與SOC 波動(dòng)如式(4)所示:
由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池充放電為非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán),因此,采用式(5)定義等效放電循環(huán)Num:
式中:I(t)為充放電電流。
根據(jù)式(4)、式(5),采用文獻(xiàn)[16]提出的壽命損失模型,在時(shí)間段[0,T]內(nèi),電池壽命衰減量如式(6)所示:
式中:Kco,Kex,Ksoc,KT為電池固有參數(shù);Tref和TB分別為等效溫度與實(shí)時(shí)溫度;Tlife為在容量衰減至80%時(shí)的壽命[11]。
本文采用PJM 的系統(tǒng)功率響應(yīng)分?jǐn)?shù)PS來描述功率響應(yīng)性能,其包含三個(gè)部分:相關(guān)性分?jǐn)?shù)CS、延遲分?jǐn)?shù)DS和準(zhǔn)確分?jǐn)?shù)AS[17]。如式(7)所示:
式中:rsignal,response(T,T+5min)為服務(wù)信號(hào)與系統(tǒng)出力之間的相關(guān)系數(shù);T 為5 min 內(nèi)間隔10 s 的全部時(shí)刻;DS由每5 min 內(nèi),相關(guān)系數(shù)最大的T 時(shí)刻計(jì)算得到,用于描述系統(tǒng)對(duì)服務(wù)信號(hào)的延時(shí)響應(yīng)程度;Error 為功率數(shù)值誤差;AS由系統(tǒng)提供功率的數(shù)值誤差折算得到;t 時(shí)刻的PS由CS,DS與AS共同組成,其中系統(tǒng)每隔10 s 計(jì)算一次PS。由式(7)可見,系統(tǒng)功率響應(yīng)分?jǐn)?shù)可以用于描述混合儲(chǔ)能系統(tǒng)提供服務(wù)的準(zhǔn)確性,由式(2)可知,其大小將直接影響系統(tǒng)收益。
現(xiàn)有基于規(guī)則的混合儲(chǔ)能功率分配策略[13,18-19]與基于濾波的功率分配策略[20-23]均只能實(shí)現(xiàn)對(duì)電池儲(chǔ)能壽命等單一目標(biāo)的優(yōu)化,無法同時(shí)考慮儲(chǔ)能提供服務(wù)的綜合收益。另一方面,由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中超級(jí)電容儲(chǔ)能的配置容量一般較小,因此僅依靠現(xiàn)有的功率分配策略無法完全滿足能量型儲(chǔ)能SOC 的控制需求,因此有必要施加額外的控制環(huán)節(jié)以滿足能量型儲(chǔ)能SOC 的優(yōu)化目標(biāo)?;诖?,本節(jié)對(duì)能量型儲(chǔ)能SOC 控制策略優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行分析。
由式(2)可知,在結(jié)算價(jià)格一定時(shí),影響收益指標(biāo)的因素有時(shí)段內(nèi)的最大可調(diào)度功率、功率響應(yīng)評(píng)分與等效成本損失。在本文所建立的混合儲(chǔ)能收益模型下,由式(1)可見,R 直接由電池儲(chǔ)能的SOC 決定,當(dāng)SOC 為50%時(shí),因系統(tǒng)同時(shí)具備最大的向上、向下調(diào)頻能力,系統(tǒng)具有最高的R,因此,通過控制電池SOC 維持在50%附近,可以提高系統(tǒng)收益。另一方面,由式(6)可知,電池的等效成本損失主要由電池SOC 波動(dòng)與平均SOC 有關(guān),較低的SOC 波動(dòng)與平均SOC 能夠獲得較低的壽命損耗,進(jìn)而提高系統(tǒng)收益。
然而在控制電池SOC 的過程中,不可避免地會(huì)降低儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際輸出功率與調(diào)頻服務(wù)信號(hào)之間的匹配程度,使影響SOC 變化較大的調(diào)頻服務(wù)信號(hào)難以被響應(yīng),導(dǎo)致系統(tǒng)功率響應(yīng)評(píng)分下降,進(jìn)而降低系統(tǒng)收益。因此,最大可調(diào)度功率、功率響應(yīng)評(píng)分與等效成本損失對(duì)SOC 控制的目標(biāo)存在差異,有必要建立以最大化服務(wù)收益指標(biāo)α 為目標(biāo)的SOC 控制策略。
基于現(xiàn)有的功率分配策略,本文提出如圖3所示的電池儲(chǔ)能SOC 控制策略。設(shè)置PI 控制器對(duì)電池儲(chǔ)能的輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC 偏移50%的控制目標(biāo)時(shí),系統(tǒng)將PI 控制器的計(jì)算輸出經(jīng)由比例環(huán)節(jié)后疊加在由功率分配策略得出的電池儲(chǔ)能計(jì)劃輸出功率中,實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能SOC 的調(diào)整。
圖3 SOC 控制策略
由2.1 節(jié)分析可知,控制電池儲(chǔ)能SOC 為50%雖然能夠獲取最高的R,但同時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)PS,因此對(duì)電池儲(chǔ)能SOC 的控制策略應(yīng)具備動(dòng)態(tài)調(diào)整能力。本文設(shè)置比例環(huán)節(jié)K 用于調(diào)節(jié)對(duì)電池儲(chǔ)能施加SOC 控制的程度,當(dāng)K 較大時(shí),系統(tǒng)對(duì)SOC 的控制加強(qiáng);當(dāng)K 較小時(shí),系統(tǒng)對(duì)電池SOC的控制減弱。K 值由基本調(diào)節(jié)比例系數(shù)k 與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系數(shù)k′疊加組成。其中k 為常數(shù),k′由式(8)得出:
式中:m 為功率限值調(diào)節(jié)系數(shù);ε 為系統(tǒng)功率最低允許值,可根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)定。
由式(8)可見,當(dāng)R 低于系統(tǒng)設(shè)置的最低允許值且持續(xù)下降時(shí),系統(tǒng)會(huì)因k′獲得較大的K值,使得系統(tǒng)加強(qiáng)對(duì)電池SOC 的控制以提升R,從而提升收益。而當(dāng)系統(tǒng)的R 較高且未發(fā)生下降時(shí),K 僅由k 決定,系統(tǒng)不會(huì)加強(qiáng)對(duì)電池儲(chǔ)能SOC 控制的程度。
由前文分析可知,本文提出的混合儲(chǔ)能功率控制策略具有如下兩個(gè)控制參數(shù)需要優(yōu)化:基本調(diào)節(jié)比例系數(shù)k 與功率限值調(diào)節(jié)系數(shù)m。上述兩個(gè)控制參數(shù)的取值直接影響系統(tǒng)的最終收益。由于遺傳算法對(duì)種群的多點(diǎn)尋優(yōu)方式使其較傳統(tǒng)數(shù)學(xué)優(yōu)化方法更易找到全局最優(yōu)解,且魯棒性較好,因此本文采用遺傳算法,以服務(wù)收益指標(biāo)最大為目標(biāo),對(duì)上述控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下:
約束條件如下:
1)系統(tǒng)功率約束
式中:Pbat,Pcap分別為電池和超級(jí)電容的實(shí)際功率。
2)SOC 約束
式中:Sbat_min,Sbat_max分別為電池SOC 的上、下限值;Scap_min,Scap_max分別為超級(jí)電容SOC 的上、下限值。
3)儲(chǔ)能功率約束
式中:Pbat_min,Pbat_max分別為電池功率的上、下限值;Pcap_min,Pcap_max分別為超級(jí)電容功率的上、下限值,該值是通過儲(chǔ)能本體及儲(chǔ)能變流器設(shè)備的功率極限共同約束。
在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中,由于服務(wù)信號(hào)在短時(shí)間內(nèi)對(duì)電池SOC 的影響相對(duì)較小,因此可每隔T 時(shí)間采用上述優(yōu)化方法對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化參數(shù)可應(yīng)用于下一服務(wù)時(shí)段。
為驗(yàn)證本文提出的儲(chǔ)能SOC 控制策略的有效性,并進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化,本文搭建MATLAB/Simulink 混合儲(chǔ)能模型,調(diào)用遺傳算法工具箱對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,算例中系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。
表1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要參數(shù)
在對(duì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)施加了本文提出的收益量化的能量型儲(chǔ)能SOC 控制策略后,系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖4、圖5 所示,其中HESS-1 為不施加SOC 控制的混合儲(chǔ)能系統(tǒng),HESS-3 為施加本文SOC 控制策略后的系統(tǒng)。本文選取兩種不同的運(yùn)行工況,分別為同時(shí)具備連續(xù)向上和向下的調(diào)頻工況,與連續(xù)向下的調(diào)頻工況。
圖4 服務(wù)工況1(2019 年6 月21-23 日)計(jì)算結(jié)果
由圖4、圖5 可知,在整個(gè)服務(wù)區(qū)間內(nèi),有多段持續(xù)充電或放電的需求導(dǎo)致電池儲(chǔ)能SOC持續(xù)向單方向變化,大幅度降低了系統(tǒng)的最大功率響應(yīng)能力。在此類過程中,在不施加本文所提SOC 控制的情況下,系統(tǒng)的最大功率響應(yīng)能力較低,是收益降低的主要原因。在施加了本文SOC控制策略之后,系統(tǒng)在此類過程中的SOC 變化明顯下降,雖然功率響應(yīng)評(píng)分有所下降,但處于允許范圍內(nèi)??梢娤到y(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化在R 與PS之間形成了平衡,以實(shí)現(xiàn)總體收益最大化。
在兩種不同的調(diào)頻服務(wù)工況下,電池儲(chǔ)能SOC 平均值為50.01%與49.99%,平均功率響應(yīng)評(píng)分分別為0.96 與0.97,可見系統(tǒng)在保證功率響應(yīng)能力的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了電池儲(chǔ)能SOC 的控制目標(biāo)。
在2019 年全年范圍內(nèi),隨機(jī)選擇8 個(gè)服務(wù)時(shí)段,每個(gè)服務(wù)時(shí)段持續(xù)3 天,用于驗(yàn)證本文策略的收益能力。在施加了本文提出的SOC 控制策略后,儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)頻輔助服務(wù)的收益如表2所示,所選8 個(gè)時(shí)段的平均收益為4 384 美元/天,相比于未施加本文提出SOC 控制策略的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與純電池儲(chǔ)能系統(tǒng),收益分別提升了58.6%與64.8%。
表2 調(diào)頻服務(wù)費(fèi)用明細(xì)
本文提出了一種混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用框架,包括功率響應(yīng)模塊、功率分配模塊與服務(wù)收益打分模塊,用于衡量系統(tǒng)控制方式的收益能力。在此基礎(chǔ)上,提出了一種基于收益量化的能量型儲(chǔ)能SOC 控制策略,提升系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)PJM 組織提供的實(shí)時(shí)服務(wù)信號(hào)與價(jià)格數(shù)據(jù)建立仿真模型,結(jié)果顯示,運(yùn)行本文提出的雙目標(biāo)控制方式下,系統(tǒng)在所選的8 個(gè)運(yùn)行時(shí)段平均收益為4 384 美元/天,相比于未施加本文提出SOC 控制策略的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)與純電池儲(chǔ)能系統(tǒng),收益分別提升了58.6%與64.8%。