基于动态峰谷时段划分的储能调峰调频经济调度研究

王亚莉1,2, 叶泽1,2, 黄际元3, 魏文4, 戴双凤1,2, 张冰玉5

（1. 长沙理工大学 经济与管理学院，湖南 长沙 410114; 2. 长沙理工大学 电价研究中心，湖南 长沙 410114; 3. 国网湖南省电力有限公司 长沙供电分公司，湖南 长沙 410015; 4. 湖南理工学院 经济与管理学院，湖南 岳阳 414000; 5. 国网浙江湖州市德清县供电有限公司，浙江 湖州 310000）

摘要：为高效合理地利用储能(energy storage，ES)设备和提高ES多应用场景切换的准确性，在分析ES多应用场景的基础上，提出一种基于ES等容量调峰的峰谷时段划分方法，旨在提高峰谷时段划分和ES应用场景切换准确性。在此基础上，构建基于动态峰谷时段划分的ES多应用场景经济优化模型，即在非调峰阶段，利用ES参与平抑负荷波动，充分发挥了ES“闲时复用”的功能，进而提高了ES利用率和经济收益。仿真结果表明：相比单调峰经济模型，ES多应用场景经济优化模型投资回收期缩短了1.17年，与单调峰场景时段划分相比，动态峰谷时段划分方法投资回收年限缩短了1.75年，有效证明了该方法的可行性。

引文信息

王亚莉, 叶泽, 黄际元, 等. 基于动态峰谷时段划分的储能调峰调频经济调度研究[J]. 中国电力, 2022, 55(8): 64-72.

WANG Yali, YE Ze, HUANG Jiyuan, et al. Research on economic scheduling of es peak and frequency regulation based on dynamic peak-valley time division[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 64-72.

引言

随着中国近年来一系列清洁能源并网政策的推出，尤其2021年“双碳”政策的推出，加速了新能源并网速度。“十三五”规划指出，到2050年非化石能源占总能源消费的目标比例高达50%[1-2]。但清洁能源出力的反调峰特性和间歇性[3-4]给电网调峰调频带来了新的挑战[5-6]，亟须发展新的调峰调频手段。

近年来，随着大规模储能(energy storage，ES)并网技术的不断发展，以及ES的快速响应能力，使其已成为调峰的重要手段之一[7-10]。然而，目前其造价成本较高，配置容量有限，若仅参与调峰控制，降低了ES利用率和经济性。为此，文献[11]针对负荷侧ES，建立联合调峰收益与调频收益的经济优化模型，证明调峰调频联合优化的收益大于两者单独收益之和，从经济性的角度验证了调峰调频多场景的可行性。文献[12]利用非调频期ES平抑风电波动，有效提高了系统风电消纳能力和利用率，从技术层面分析了多场景协调控制的可行性。文献[13]基于园区预测负荷，对负荷及荷电状态（state of charging，SOC）进行划分区间，针对不同区间设计各自的目标函数，采用动态自适应粒子群算法进行求解，进而确定ES控制策略。文献[14]提出负荷预测与调峰动态目标规划结合的ES调峰控制策略，通过分阶段滚动优化实现最优调峰效果。文献[15]针对电网侧ES，提出了一种调峰调频的综合控制策略，将SOC进行区域划分，实现2个应用场景协调运行。

除此之外，对SOC的研究也得到广泛关注。文献[16]提出根据电池SOC来优化风电场、ES及同步发电机组参与调频功率的分配。在文献[17]中，为避免高放电深度的频率调节，提出了一种风电-电池混合动力系统SOC反馈控制策略。在文献[18]中，在微电网中提出了电池/超级电容SOC的恢复，并通过实验装置进行了验证。文献[19]基于SOC与充放电功率关系，提出一种变下垂系数自适应控制方法，有效避免SOC越限问题。

由上述文献研究不难看出，现有研究对推动ES参与电力市场服务做出了巨大贡献，但对如何确定峰谷时段的研究报道较少，基本采用固定峰谷时段计算，而在不同季节，负荷曲线不同，峰谷时段有偏差[20]。基于此，本文提出了一种基于ES等容量的峰谷时段划分方法，可应对不同季节负荷曲线偏移问题；并在此基础上，提出一种“闲时复用”策略，进而提高ES利用率和经济效益。

1  基于SOC的多时间尺度划分方法

ES只在负荷高峰或低谷时段才进行充放电动作，其他时段均处于闲置状态，利用率较低。图1为单调峰场景示意。为此，本文对ES采用“闲时复用”原则，即在ES非调峰阶段，利用闲置ES改善电网频率，进而提高利用率。图2为ES根据图1划分的调峰调频多场景切换示意。

3.2  ES收入模型

2019年1月9日，国家发展改革委、国家能源局联合发布《关于积极推进风电、光伏发电无补贴个价上网有关工作的通知》，提出要加快推进风电和光伏上网量。基于新能源反调峰特性，在未来几年内，ES收入将主要依赖“削峰填谷”赚取峰谷价差。在闲置时段，通过辅助服务市场(电网备用或调频)赚取补贴。因此，ES收入主要分为削峰填谷和辅助服务市场收入2大部分。

3.2.1  削峰填谷收入

削峰填谷收入主要是指ES在负荷低谷时段充电，在高峰时段放电，赚取电网差价，以及降低火电机组调峰所节省的燃料成本和环境治理成本，称为环境成本收入。

4  仿真分析

4.1  仿真参数

以中国中部某省变电站典型日负荷数据为例，进行实例仿真。负荷扰动数据采样间隔为1 min，Pm=27.7 MW，额定容量Em=80 MW·h，采用两充两放方式，一年充放电270天，调峰补偿标准为2元/MW，深度调峰补偿标准为0.5元/( MW·h)，全年参与深度调峰140天[22-23]，分时电价如表1，ES电池参数如表2所示[24]，经济参数如表3所示。在进行环境收入分析时，环境污染物种类与对应单位治理成本如表4所示，调频备用容量分时补贴价格如图5所示。

4.2  “闲时复用”控制策略经济对比分析

假设GA算法最大迭代次数为500，迭代终止误差ε为10–10，种群数量为200，交叉变异概率分别为0.3和0.1。以NPV最优为目标进行求解，对应年成本与年收入如表5所示，“削峰填谷”曲线如图6所示。图7为ES采用“闲时复用”控制策略后的出力值。调峰和调频ES动作次数与利用率如表6所示。表7为“闲时复用”控制策略下年成本、年收入与年净收益数值。

由图6可知，通过ES削峰填谷的功能，负荷曲线峰值由205.32 MW降低到187.24 MW，削峰率达到8.82%，缓解了电网调峰压力。结合表5，初始投资成本占总成本98%，其中报废成本包括对ES电池资源回收产生的残余价值，为负数，说明报废成本能带来额外收入。其投资回收年限为9.26年，而ES寿命周期为10年，说明能在寿命期限内收回成本。

由图7和表6可知，当ES采用“闲时复用”控制策略时，在“削峰填谷”时段，ES输出功率一致。而备用时段，当系统负荷增大时ES放电，负荷减小时ES充电，ES利用率有效提高了16.25%。

对比表5和表7可以发现，投资建设成本不变，仅运行维护成本略有增加，这是由于备用状态参与平抑负荷扰动、增加动作次数所致。但收入因ES在闲置时段参与平抑负荷扰动，可获得辅助收入大于成本。因此，年净收益相较仅调峰增加了20.12万元，投资回收年限为8.09年，缩短了1.17年。

综上，ES采用“闲时复用”控制策略，不仅可以提高年净收益，缩短投资回收年限，而且可有效提高ES利用率。进而实现提高ES利用率和电网经济性的双重目的，具有较好的研究价值。

4.3  峰谷时段划分对ES经济影响分析

由4.2节分析可知，ES采用“闲时复用”控制策略时能有效提高ES经济性，但调峰调频场景工作时间受峰谷时段划分法影响。因此，本节主要验证本文所提峰谷时段划分方法对ES经济性的改善作用。图8为不同季节负荷曲线，图9为峰谷时段曲线划分。仅根据ES经济模型求解，可得固定峰谷时段划分曲线如图9 a)所示，而采用本文所提等容量“削峰填谷”时段划分法，可得峰谷时段曲线如图9 b)所示。其中投资回收期、NPV指标如表8所示。

由表8可知，ES在本文所提峰谷时段划分方法下，ES电站投资回收期为6.34年，在电池寿命终结前可以收回投资，与固定划分法相比缩短1.75年。且ES电站的NPV为563.41万元，远超固定划分法。这主要是因为本文所提方法能充分发挥ES作用，扩大了“削峰填谷”时间和功率，进而有效提高ES经济效益。

5  结论

针对ES仅参与调峰控制、利用率低、经济成本高，以及峰谷时段划分对多场景切换的影响问题，本文提出了一种基于等容量的“削峰填谷”时段划分方法。并在此基础上，提出一种ES参与多应用场景的经济优化模型。通过仿真分析得出以下结论。

（1）基于ES电站一站多用、一主多辅的协同规划理念，提出一种ES参与多应用场景的方案，进而实现ES“闲时复用”功能，相比单调峰控制，有效降低了ES闲置率，NPV增加了20.12万元，投资回收年限缩短1.17年。

（2）提出的“削峰填谷”时段划分方法，提高了峰谷时段划分准确性，进而实现调峰和平抑净负荷波动工作状态的准确切换，与单调峰峰谷时段划分法相比，NPV增加了110.92万元，投资回收年限缩短1.75年。