考虑调峰调频需求的新能源电网储能优化配置-北极星储能网

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风电、光伏等新能源大规模接入电网带来电力电量不平衡问题。对此，本工作提出考虑新能源电网调峰调频需求的储能优化配置方法。首先，建立典型日多时间尺度运行模拟模型用于量化储能参与系统调峰和频率响应的贡献，即兼顾碳足迹约束的日前调峰和兼顾联络线偏差控制的日内调频。然后，建立储能配置-运行双层优化模型，上层配置模型以系统年运行成本与储能等值年投资成本总和最小为目标决策储能容量，下层运行模型通过两阶段时序模拟刻画不同典型日下的多时间尺度运行。该双层优化问题通过差分进化算法+Gurobi求解器的混合算法求解。最后，算例表明考虑储能参与双重应用场景的配置结果更为合理，系统运行总成本更低、碳排放更少。

（来源：储能科学与技术作者：李秀慧崔炎）

“碳达峰、碳中和”目标下，我国每年风光新能源的新增装机容量将达到75 GW，电力系统正经历绿色低碳转型和能源结构变革。新能源渗透率的升高使电网面临日益严峻的电力电量不平衡问题，新能源随机性、波动性和间歇性对电网安全稳定运行的冲击日益加剧。传统火电等灵活性资源发展受限，电化学储能作为前景广阔的灵活资源将在新型电力系统中充当重要角色。因此，面向系统调峰、调频等需求合理配置电化学储能是缓解新能源电网电力电量不平衡矛盾的重要措施。

当前国内外学者立足调峰、调频、抑制超低频振荡、消纳新能源等储能应用场景，开展了电化学储能电站容量配置相关研究。文献[6]提出一种储能辅助电网调峰的双层配置方案，并对储能系统全寿命周期内的经济性进行分析；文献[7]以频率变化率和频率偏差为限制条件，提出了一种高风电渗透率下考虑电网频率支撑需求的储能系统配置方法；文献[8]提出了电网侧储能电站参与超低频振荡抑制应用的容量分配方法；文献[9]构建了基于分类概率机会约束信息间隙决策理论的配网储能鲁棒优化配置模型。综上，储能电站容量配置相关研究多基于单一应用场景，如调峰、调频、消纳新能源、平抑波动、提高供电可靠性等，然而仅考虑单一应用场景配置储能，忽略电网侧储能电站其他辅助服务价值，会低估储能带来的效益，造成规划建设阶段储能配置容量与系统实际储能需求容量不匹配，难以充分挖掘储能调峰-调频等多应用场景协调运行的潜力。

考虑到电化学储能仍具有较高成本，挖掘储能多场景协调应用，实现其参与电网多重辅助服务，可提高储能经济效益以及电网的灵活性和稳定性。有学者提出将储能频率调节、削峰填谷、消纳新能源等多应用场景结合起来。文献[3]采用动态规划框架整合频率控制和调频目标，实现储能双重辅助服务联合优化；文献[14]利用频率响应备用容量约束将储能一次调频和储能调峰统一到同一时间尺度下，实现百兆瓦级储能参与电网双重辅助服务；文献[15]从电/热储能互补的角度提出了储能在消纳新能源弃电和削减电负荷高峰两个场景下的协调运行策略；文献[16]考虑电池寿命衰减、运行约束以及负荷和调节信号的不确定性，提出了储能调峰和调频联合优化框架；文献[17]提出基于荷电状态的储能调峰-调频工作区域划分方法和协同控制策略，提高了储能利用率。上述文献虽然结合了储能多重应用场景，但并未将多重应用场景下储能的规划配置与运行调度有机融合，即在储能配置时并未对储能与常规机组的调峰-调频多时间尺度运行进行刻画。此外，面向新型电力系统的储能优化配置技术亦不能忽视碳约束的影响。

综上研究与问题，本文提出考虑新能源电网调峰调频需求的储能优化配置方法。首先，建立典型日运行模拟模型，考虑到调峰和调频的时间尺度不同将典型日运行模拟分为日前调峰与日内调频两个阶段，调峰阶段以电源发电成本和弃风弃光成本最小为目标，计及网络潮流约束、碳约束、储能运行约束等，调频阶段以机组调频容量费用、电量费用和联络线功率交换偏差惩罚最小为目标，计及功率平衡约束、AGC可征用容量约束等。然后，建立储能双层优化配置模型，上层为配置问题，下层为运行模拟问题，通过差分进化算法+Gurobi求解器的混合算法进行求解。

1 储能与常规机组联合调峰-调频运行

1.1 典型日下调峰-调频运行模拟

以满足系统调峰调频需求为导向的储能配置研究需对其双重辅助服务效果进行量化。本工作采用典型日两阶段运行模拟的方法量化储能对系统调峰-调频的贡献。具体思路是通过对规划年的负荷、风电、光伏时序曲线进行聚类得到典型日曲线；再基于典型日曲线进行两阶段运行模拟得到系统运行成本；将储能配置前后运行成本求差即可得到储能的贡献。两阶段运行模拟亦使储能配置优化问题包含了调峰-调频双重应用场景的运行约束。

前述对时序曲线进行聚类是因为若以全年时序负荷、风电、光伏功率进行优化会存在求解规模过大的问题，考虑到负荷、风电、光伏功率有明显的季节性，可采用K-means聚类方法得到典型日功率曲线来表征全年的功率曲线。聚类步骤：首先，随机选择D个初始聚类质心(规划典型日)；其次，对年时序功率曲线以日为单位划分的365个聚类单元进行聚类；最终，得出D种规划典型日以及各典型日的对应天数。利用典型日的功率数据进行后续优化可大幅降低求解规模，缩短求解时间。

基于全年时序数据聚类处理的典型日调峰-调频运行模拟借鉴“here-and-now & wait-and-see”的思想，划分为日前调峰阶段和日内调频阶段，如图1所示。两个阶段时间尺度不同，日前调峰为1 h时间尺度的优化，日内调频为5 min时间尺度的优化。日前调峰阶段模拟储能、机组等灵活资源的开关机状态、计划出力和备用容量等，将第一阶段基准功率和可调容量传递给第二阶段日内调频模拟灵活资源的功率调整量，日前调峰与日内调频有机整合则得到典型日的运行模拟结果。

图1 调峰-调频两阶段时序关系

1.2 调峰阶段运行

1.2.1 目标函数

1.2.2 约束条件调峰运行模拟约束条件考虑电网功率平衡以及各发电主体实际物理限制。本工作特别考虑了电网运行的碳足迹约束，进一步促进新能源的消纳。式(5)～(9)表示网络潮流约束，式(10)～(14)表示机组运行约束，式(15)～(20)表示储能运行约束，式(21)表示机组备用约束，式(22)表示储能备用约束，式(23)表示系统分区备用约束，式(24)～(25)表示碳足迹约束。

1.3 调频阶段运行

1.3.1 目标函数电力系统由多个控制区互联组成，各互联系统的静态频率保持一致，在调度管理上各区域的源荷功率平衡应由本区域自己解决，也就是说当某一区域发生功率不平衡时，在保证系统频率在正常范围的前提下，联络线交互功率稳态值应与计划值一致。对此，调频阶段目标函数包含联络线交互功率偏差惩罚函数，以保证区域间联络线有功交换符合系统安全优质运行要求。目标函数见式(26)，具体包含机组二次调频电量

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