儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行策略最優(yōu)化方法研究

葛興凱

（上海電氣分布式能源科技有限公司，上海 201100）

0 引言

儲(chǔ)能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）憑借其快速功率調(diào)節(jié)以及兼具供蓄能力的特征，在平滑間歇式能源功率波動(dòng)[1-2]、削峰填谷、改善電壓質(zhì)量[3-5]以及提供備用電源[6]方面都發(fā)揮出了巨大的作用[7-8]，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。

儲(chǔ)能系統(tǒng)可通過參與電網(wǎng)調(diào)峰[9-10]、調(diào)頻[11]、調(diào)壓和可再生能源平抑波動(dòng)[12]等輔助服務(wù)，能夠給用戶帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益[13-16]。“峰谷套利”運(yùn)行模式適用場景多、應(yīng)用范圍廣，是現(xiàn)階段儲(chǔ)能系統(tǒng)的主流運(yùn)行和盈利模式[17]。影響儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利收益的主要因素為電價(jià)和運(yùn)行模式[18-19]。

合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略，能夠保證系統(tǒng)根據(jù)日內(nèi)運(yùn)行模式，長時(shí)間、可靠、穩(wěn)定地循環(huán)運(yùn)行。本文提出一種儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行策略的最優(yōu)化方法，可提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

1 現(xiàn)有運(yùn)行策略的問題

在制定儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利運(yùn)行方案時(shí)，目前主要根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、電價(jià)政策制定運(yùn)行策略并估算項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

該類方法首先根據(jù)電價(jià)峰時(shí)時(shí)段劃分，決定充放電循環(huán)次數(shù)和時(shí)段，一個(gè)電價(jià)峰時(shí)段對(duì)應(yīng)一個(gè)充放電循環(huán)；再根據(jù)峰時(shí)段和非峰時(shí)段時(shí)長決定儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電狀態(tài)和功率，進(jìn)而結(jié)合電價(jià)估算峰谷套利的收益。

現(xiàn)有技術(shù)方案主要有以下問題：

（1）缺乏全局把控，無法保證收益最大化：在“多充多放”策略中，需要合理規(guī)劃充放電時(shí)段及功率，才能保證在循環(huán)內(nèi)峰時(shí)段有電可放、谷時(shí)段有電可充。這要求對(duì)整個(gè)循環(huán)內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行整體把控、整體優(yōu)化。

（2）無法保證儲(chǔ)能系統(tǒng)可持續(xù)運(yùn)行：現(xiàn)有技術(shù)手段在制定方案時(shí)未考慮系統(tǒng)長時(shí)間、連續(xù)、循環(huán)運(yùn)行等條件。

（3）缺少電網(wǎng)運(yùn)行價(jià)值判斷：儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在電網(wǎng)系統(tǒng)中，會(huì)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷、需量等造成影響，而需量是基礎(chǔ)電費(fèi)的組成部分，不合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電策略會(huì)增加需量費(fèi)用，進(jìn)而造成用電成本上升。

（4）系統(tǒng)壽命及項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)估不準(zhǔn)確：儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命多有“循環(huán)充放電次數(shù)”評(píng)估，這里充放電次數(shù)是指在DOD允許范圍內(nèi)從充滿到放空的循環(huán)次數(shù)。實(shí)際運(yùn)行情況中，部分循環(huán)并沒有滿充滿放，因此對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命估算存在誤差，導(dǎo)致項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性評(píng)估失準(zhǔn)。

2 峰谷套利運(yùn)行策略優(yōu)化方法

為解決現(xiàn)有技術(shù)方案中存在的問題，需要對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利模型進(jìn)行更細(xì)致的建模，增加必要考量因素[20]。本文優(yōu)化策略有如下特點(diǎn)：

（1）全局優(yōu)化，保證系統(tǒng)運(yùn)行方案有效性及收益最大化；

（2）考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)初末狀態(tài)相同約束，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)全時(shí)間尺度可持續(xù)循環(huán)運(yùn)行；

（3）增加電力系統(tǒng)運(yùn)行判斷，考慮需量管理，完善儲(chǔ)能系統(tǒng)收益組成；

（4）準(zhǔn)確評(píng)估循環(huán)充放電次數(shù)和系統(tǒng)壽命，合理評(píng)估項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利收益

儲(chǔ)能系統(tǒng)谷時(shí)從電網(wǎng)購電，增加了用電量，提高了用電成本；峰時(shí)則放電減少用電量、降低用電成本。儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利收益等于放電降低的用電成本扣除充電增加的成本：

夏季收益如式（2）所示：

非夏季收益如式（3）所示：

式中，Ph為已知的電力價(jià)格，Xdch，h表示第h小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電功率，Edch為放電效率，Xch，h表示第h小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電功率，Ech為充電效率，T為時(shí)間區(qū)間。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利策略優(yōu)化模型

（1）目標(biāo)函數(shù)。通過合理規(guī)劃儲(chǔ)能系統(tǒng)各時(shí)段充放電功率Xdch,h和Xch,h，可以使儲(chǔ)能系統(tǒng)收益最大化。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利策略優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)為：

（2）約束條件。電量約束：儲(chǔ)能系統(tǒng)不能過充或過放，單循環(huán)放電量不能超過放電深度，而充電量則不能超過儲(chǔ)能容量，因此任意時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)電量均應(yīng)介于（1-DoD，1）之間；

第h小時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)電量SOCh：

式中，SOCinit為儲(chǔ)能系統(tǒng)初始電量，C為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。因此：

可持續(xù)運(yùn)行約束：為保證優(yōu)化策略能夠保證儲(chǔ)能系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，單個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)初始電量應(yīng)等于終止電量：

電力系統(tǒng)運(yùn)行約束：儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：（a）電力負(fù)荷；（b）最大需量。如前文所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電會(huì)增加電力負(fù)荷，反之放電會(huì)減少電力負(fù)荷，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)最大需量產(chǎn)生影響。若充電造成最大需量增加，則會(huì)產(chǎn)生額外的需量罰款成本；若放電策略控制的合理，則會(huì)降低最大需量從而降低需量成本。

首先，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，放電功率不能超過負(fù)荷功率，否則會(huì)造成倒送：

其次，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電時(shí)應(yīng)盡量不增加電力系統(tǒng)最大需量，否則會(huì)增加需量費(fèi)用：

單循環(huán)內(nèi)滿充放電次數(shù)約束：系統(tǒng)支持設(shè)置“N充N放”模式，即單循環(huán)內(nèi)滿充放電次數(shù)不超過N次。這種考慮的出發(fā)點(diǎn)主要是保證系統(tǒng)運(yùn)行壽命。本技術(shù)方案中，為了盡可能使儲(chǔ)能系統(tǒng)收益最大化，在滿充放電次數(shù)不超過N次的前提下，增加“同時(shí)滿充放電次數(shù)不低于（N-1）次”約束，相應(yīng)約束如下：

2.3 考慮需量后的目標(biāo)函數(shù)

考慮儲(chǔ)能充放電對(duì)最大需量的影響后，系統(tǒng)收益應(yīng)包括最大需量下降后減少的基本電費(fèi)，如下式所示：

式中，如果f大于0，說明儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行后，電力系統(tǒng)實(shí)際最大需量比原最大需量小，將降低的最大需量基本電費(fèi)視作儲(chǔ)能系統(tǒng)收益；反之，如果f小于0，說明儲(chǔ)能系統(tǒng)加大了電力系統(tǒng)的最大需量，增加的基本電費(fèi)被視作儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。

2.4 求解算法

由于求解變量儲(chǔ)能系統(tǒng)逐時(shí)充放電量為時(shí)序變量，用序列二次規(guī)劃算法（SQP，Sequential Quadratic Programming）可以快速、精確地求解該問題。

3 案例分析

以某地區(qū)某50kW/200kWh儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，對(duì)該優(yōu)化方法進(jìn)行測試分析。

3.1 系統(tǒng)基本參數(shù)

在本案例中，算例的基本參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 基本參數(shù)表

3.2 優(yōu)化結(jié)果

本案例優(yōu)化步長為1h，總時(shí)長為168小時(shí)（7天：5天工作日，2天非工作日）；

工作日和非工作日負(fù)荷如圖1所示：

圖1 工作日、非工作日負(fù)荷曲線

該地區(qū)夏季電價(jià)如圖2所示：

圖2 逐時(shí)電價(jià)曲線

由于優(yōu)化區(qū)間為168小時(shí)（7天），將負(fù)荷曲線和電價(jià)曲線擴(kuò)展到168小時(shí)維度，得到周負(fù)荷曲線和電價(jià)曲線，如圖3所示：

圖3 負(fù)荷、電價(jià)曲線

從圖3可知，該負(fù)荷呈現(xiàn)出典型的負(fù)荷波動(dòng)特征，工作時(shí)段內(nèi)（9-17點(diǎn)）負(fù)荷遠(yuǎn)高于非工作時(shí)段，工作日負(fù)荷顯然大于非工作日負(fù)荷；在晚間用電高峰19-21點(diǎn)間，電負(fù)荷和峰時(shí)電價(jià)高度重合。因此，在未建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)前，峰時(shí)用電將產(chǎn)生高額的用電費(fèi)用。

建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)后，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)“低充高放”的運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)峰谷套利。采用本技術(shù)方案中所提方法，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利最大化。基于該項(xiàng)目儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)特征、負(fù)荷及電價(jià)情況，可以優(yōu)化得到如下運(yùn)行結(jié)果：

（1）“一充一放”運(yùn)行模式

圖5 “一充一放”模式儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC

（2）“兩充兩放”運(yùn)行模式：

圖7 “兩充兩放”模式充放電功率

圖8 “兩充兩放”模式儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC

（3）運(yùn)行結(jié)果分析。從圖4可以看出，“一充一放”優(yōu)化運(yùn)行模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電價(jià)谷時(shí)段進(jìn)行大量充電，并在峰時(shí)集中放電賺取峰谷電價(jià)差。

圖4 “一充一放”模式充放電功率

與“一充一放”優(yōu)化運(yùn)行策略相比，“兩充兩放”優(yōu)化運(yùn)行策略存在顯著不同。在“兩充兩放”策略下，系統(tǒng)充放電量更大，因此，平時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)充電更集中、功率更大。這樣的策略更深地挖掘了峰谷套利策略下該地區(qū)電價(jià)下的峰谷價(jià)差和峰平價(jià)差。

結(jié)合圖6與圖9儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電前后負(fù)荷曲線可以看出，兩種優(yōu)化充放電策略均大大減小了系統(tǒng)最大需量，降低系統(tǒng)基本電費(fèi)的同時(shí)、平滑了負(fù)荷曲線。

圖6 “一充一放”模式負(fù)荷曲線

圖9 “兩充兩放”模式負(fù)荷曲線

3.3 項(xiàng)目收益

表2即為本案例不同運(yùn)行模式的收益情況統(tǒng)計(jì)。

表2 儲(chǔ)能系統(tǒng)收益統(tǒng)計(jì)表

從表2可知，在“一充一放”優(yōu)化運(yùn)行策略下，儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作日于非工作日的滿充滿放次數(shù)均為1次；在“兩充兩放”優(yōu)化運(yùn)行策略下，工作日與非工作日的滿充滿放次數(shù)分別為1.34次、1.08次。綜合來看，“兩充兩放”策略的充放電量約為“一充一放”模式的1.27倍。

從月總收益來看，“一充一放”優(yōu)化策略的月總收益為5264元，“兩充兩放”的月總收益為5479元，收益比為1.04。

雖然“兩充兩放”總收益更高，但是其收益增加比例遠(yuǎn)低于滿充滿放次數(shù)增加的比例。考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命，“一充一放”優(yōu)化策略在本案例中是更具性價(jià)比的運(yùn)行方案。

4 小結(jié)

本技術(shù)方案提出一種儲(chǔ)能系統(tǒng)峰谷套利策略優(yōu)化方法，并通過案例進(jìn)行了分析，確定了儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略的最優(yōu)化方法。本方法以峰谷套利收益最大化為目標(biāo)，從多角度完善了儲(chǔ)能套利系統(tǒng)模型，使策略可行性和有效性得到大幅提升，對(duì)于工程應(yīng)用具有較高的實(shí)用價(jià)值。