儲能系統峰谷套利運行策略最優化方法研究

葛興凱

（上海電氣分布式能源科技有限公司，上海 201100）

0 引言

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

儲能系統可通過參與電網調峰[9-10]、調頻[11]、調壓和可再生能源平抑波動[12]等輔助服務，能夠給用戶帶來相應的經濟效益[13-16]?！胺骞忍桌边\行模式適用場景多、應用范圍廣，是現階段儲能系統的主流運行和盈利模式[17]。影響儲能系統峰谷套利收益的主要因素為電價和運行模式[18-19]。

合理的儲能系統運行策略，能夠保證系統根據日內運行模式，長時間、可靠、穩定地循環運行。本文提出一種儲能系統峰谷套利運行策略的最優化方法，可提高儲能系統的運行經濟性。

1 現有運行策略的問題

在制定儲能系統峰谷套利運行方案時，目前主要根據儲能系統容量、電價政策制定運行策略并估算項目經濟性。

該類方法首先根據電價峰時時段劃分，決定充放電循環次數和時段，一個電價峰時段對應一個充放電循環；再根據峰時段和非峰時段時長決定儲能系統的充放電狀態和功率，進而結合電價估算峰谷套利的收益。

現有技術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，需要合理規劃充放電時段及功率，才能保證在循環內峰時段有電可放、谷時段有電可充。這要求對整個循環內儲能系統狀態進行整體把控、整體優化。

（2）無法保證儲能系統可持續運行：現有技術手段在制定方案時未考慮系統長時間、連續、循環運行等條件。

（3）缺少電網運行價值判斷：儲能系統運行在電網系統中，會對電網負荷、需量等造成影響，而需量是基礎電費的組成部分，不合理的儲能系統充放電策略會增加需量費用，進而造成用電成本上升。

（4）系統壽命及項目經濟性評估不準確：儲能系統壽命多有“循環充放電次數”評估，這里充放電次數是指在DOD允許范圍內從充滿到放空的循環次數。實際運行情況中，部分循環并沒有滿充滿放，因此對儲能系統壽命估算存在誤差，導致項目經濟性評估失準。

2 峰谷套利運行策略優化方法

為解決現有技術方案中存在的問題，需要對儲能系統峰谷套利模型進行更細致的建模，增加必要考量因素[20]。本文優化策略有如下特點：

（1）全局優化，保證系統運行方案有效性及收益最大化；

（2）考慮儲能系統循環初末狀態相同約束，實現儲能系統全時間尺度可持續循環運行；

（3）增加電力系統運行判斷，考慮需量管理，完善儲能系統收益組成；

（4）準確評估循環充放電次數和系統壽命，合理評估項目經濟性。

2.1 儲能系統峰谷套利收益

儲能系統谷時從電網購電，增加了用電量，提高了用電成本；峰時則放電減少用電量、降低用電成本。儲能系統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為已知的電力價格，Xdch，h表示第h小時儲能系統的放電功率，Edch為放電效率，Xch，h表示第h小時儲能系統的充電功率，Ech為充電效率，T為時間區間。

2.2 儲能系統峰谷套利策略優化模型

（1）目標函數。通過合理規劃儲能系統各時段充放電功率Xdch,h和Xch,h，可以使儲能系統收益最大化。因此，儲能系統峰谷套利策略優化模型目標函數為：

（2）約束條件。電量約束：儲能系統不能過充或過放，單循環放電量不能超過放電深度，而充電量則不能超過儲能容量，因此任意時刻儲能系統電量均應介于（1-DoD，1）之間；

第h小時儲能系統電量SOCh：

式中，SOCinit為儲能系統初始電量，C為儲能系統容量。因此：

可持續運行約束：為保證優化策略能夠保證儲能系統持續運行，單個運行周期內儲能系統初始電量應等于終止電量：

電力系統運行約束：儲能系統的運行對電力系統的影響主要體現在兩個方面：（a）電力負荷；（b）最大需量。如前文所述，儲能系統充電會增加電力負荷，反之放電會減少電力負荷，進而對系統最大需量產生影響。若充電造成最大需量增加，則會產生額外的需量罰款成本；若放電策略控制的合理，則會降低最大需量從而降低需量成本。

首先，儲能系統放電時，放電功率不能超過負荷功率，否則會造成倒送：

其次，儲能系統充電時應盡量不增加電力系統最大需量，否則會增加需量費用：

單循環內滿充放電次數約束：系統支持設置“N充N放”模式，即單循環內滿充放電次數不超過N次。這種考慮的出發點主要是保證系統運行壽命。本技術方案中，為了盡可能使儲能系統收益最大化，在滿充放電次數不超過N次的前提下，增加“同時滿充放電次數不低于（N-1）次”約束，相應約束如下：

2.3 考慮需量后的目標函數

考慮儲能充放電對最大需量的影響后，系統收益應包括最大需量下降后減少的基本電費，如下式所示：

式中，如果f大于0，說明儲能系統運行后，電力系統實際最大需量比原最大需量小，將降低的最大需量基本電費視作儲能系統收益；反之，如果f小于0，說明儲能系統加大了電力系統的最大需量，增加的基本電費被視作儲能系統成本。

2.4 求解算法

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

3 案例分析

以某地區某50kW/200kWh儲能項目為例，對該優化方法進行測試分析。

3.1 系統基本參數

在本案例中，算例的基本參數設置如表1所示。

表1 基本參數表

3.2 優化結果

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

工作日和非工作日負荷如圖1所示：

圖1 工作日、非工作日負荷曲線

該地區夏季電價如圖2所示：

圖2 逐時電價曲線

由于優化區間為168小時（7天），將負荷曲線和電價曲線擴展到168小時維度，得到周負荷曲線和電價曲線，如圖3所示：

圖3 負荷、電價曲線

從圖3可知，該負荷呈現出典型的負荷波動特征，工作時段內（9-17點）負荷遠高于非工作時段，工作日負荷顯然大于非工作日負荷；在晚間用電高峰19-21點間，電負荷和峰時電價高度重合。因此，在未建設儲能系統前，峰時用電將產生高額的用電費用。

建設儲能系統后，利用儲能系統“低充高放”的運行策略，實現峰谷套利。采用本技術方案中所提方法，可以實現儲能系統峰谷套利最大化?；谠擁椖績δ芟到y技術特征、負荷及電價情況，可以優化得到如下運行結果：

（1）“一充一放”運行模式

圖5 “一充一放”模式儲能系統SOC

（2）“兩充兩放”運行模式：

圖7 “兩充兩放”模式充放電功率

圖8 “兩充兩放”模式儲能系統SOC

（3）運行結果分析。從圖4可以看出，“一充一放”優化運行模式下，儲能系統在電價谷時段進行大量充電，并在峰時集中放電賺取峰谷電價差。

圖4 “一充一放”模式充放電功率

與“一充一放”優化運行策略相比，“兩充兩放”優化運行策略存在顯著不同。在“兩充兩放”策略下，系統充放電量更大，因此，平時段儲能系統充電更集中、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電價下的峰谷價差和峰平價差。

結合圖6與圖9儲能系統充放電前后負荷曲線可以看出，兩種優化充放電策略均大大減小了系統最大需量，降低系統基本電費的同時、平滑了負荷曲線。

圖6 “一充一放”模式負荷曲線

圖9 “兩充兩放”模式負荷曲線

3.3 項目收益

表2即為本案例不同運行模式的收益情況統計。

表2 儲能系統收益統計表

從表2可知，在“一充一放”優化運行策略下，儲能系統在工作日于非工作日的滿充滿放次數均為1次；在“兩充兩放”優化運行策略下，工作日與非工作日的滿充滿放次數分別為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低于滿充滿放次數增加的比例?？紤]到儲能系統的壽命，“一充一放”優化策略在本案例中是更具性價比的運行方案。

4 小結

本技術方案提出一種儲能系統峰谷套利策略優化方法，并通過案例進行了分析，確定了儲能系統運行策略的最優化方法。本方法以峰谷套利收益最大化為目標，從多角度完善了儲能套利系統模型，使策略可行性和有效性得到大幅提升，對于工程應用具有較高的實用價值。