考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用电池储能容量的方法

摘要

本发明公开了一种考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用电池储能容量的方法，将电力系统调峰用电池储能的能源节约效益、环保效益、容量替代效益进行量化，并纳入到容量规划目标中；计及电池储能的年运行成本，并根据电池储能运行过程中其实际使用寿命和放电深度的关系建立了电池储能可变寿命模型，计算其建设投资成本等年值，形成确定电力系统调峰用电池储能容量的目标函数。在考虑系统功率平衡约束、系统备用约束、常规机组出力约束、火电机组爬坡约束以及电池储能运行约束的基础上，以年净收益最大为目标对模型进行求解。本发明考虑电池储能的实际运行特性，建立了电池储能的可变寿命模型，能更客观、准确的反映系统对调峰用电池储能的容量需求。

说明书

技术领域

本发明属于电力规划及工程设计技术领域，更具体地，涉及一种考虑 可变寿命特性的确定电力系统调峰用电池储能(Battery Energy Storage  System，BESS)容量的方法。

背景技术

电力系统调峰平衡是电网运行中的基本问题，影响着系统中长期电源 规划和短期经济运行。系统装机规模依据规划水平年峰值负荷确定，然峰 值负荷持续时间较短，导致系统设备利用率较低。同时，为满足系统高峰 时段爬坡需求，大量高煤耗率小容量调峰机组处于旋转备用状态；低谷时 段发电机组又需降额运行，使系统耗煤量增大，系统运行的经济性较差。 因此，减小系统的峰谷差，缓解系统调峰压力有利于系统可靠经济运行。

通过储能系统“低储高发”的运行方式可有效的减小系统的峰谷差， 提高运行经济性：负荷低谷时，储能系统充电，从而避免火电机组降额运 行；负荷高峰时，储能系统放电，从而替代部分高煤耗率调峰机组的出力。 抽水蓄能电站为理想的调峰电源，然其应用规模受选址和水文条件的限制。 大规模电池储能响应速度快、不受选址限制的特点使其在电力系统中具有 良好的应用前景。

目前，较多的研究集中于电池储能与新能源联合运行的控制策略上， 对电池储能承担电力系统调峰功能的经济效益评估及容量规划研究较少。 此外，目前对电池储能容量规划的研究均沿袭传统电力系统调峰电源规划 方法，将电池储能的使用寿命取为确定值。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种考虑可变寿命特性 的确定电力系统调峰用电池储能容量的方法，旨在解决现有技术中将电池 储能的使用寿命取为确定值导致高估或低估电池储能的使用寿命，从而对 其调峰效益的评估及系统对其容量需求的计算产生偏差。

本发明提供了一种考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用电池储能 容量的方法，包括以下步骤：

(1)根据电池储能的充放电运行状态确定电池储能在规划水平年内电 池出力状态；根据所述电池出力状态获得电池储能在不同容量配置下的各 放电过程的放电深度；

(2)根据电池储能放电深度对其使用寿命的影响，建立电池储能使用 寿命模型，并将所述电池出力状态以及各放电过程的放电深度代入所述电 池储能使用寿命模型中获得电池储能在不同容量配置下的使用寿命Y_b；

(3)根据所述电池储能使用寿命Y_b获得电池储能投资成本的等年值 F_inv，并根据电池储能投资成本的等年值F_inv和年运行成本F_o获得电池储能 在不同容量配置下的年投资运行成本F_b＝F_inv+F_o；

其中，电池储能投资成本的等年值F_inv＝(P_bmaxK_p+E_bmaxK_e)CRF(r，Y_b)； 电池储能年运行成本F_o＝P_bmaxK_k+E_bmaxK_v，P_bmax、E_bmax分 别为电池储能功率容量、电池储能电量容量；K_p、K_e分别为电池储能单位 功率容量价格、单位电量容量价格；r为贴现率；CRF(r，Y_b)为等年值系 数；K_k、K_v分别为电池储能单位功率容量年运行维护费率、电池储能单位 电量容量年运行维护费率；

(4)根据所述电池出力状态获得电池储能在不同容量配置下的年调峰 效益R＝R_f+R_e+R_r；R_f为能源节约效益，R_e为环保效益，R_r为容量替代效益；

(5)根据所述电池储能的年投资运行成本和所述电池储能的年调峰效 益获得调峰用电池储能容量优化目标函数，并根据约束条件对所述调峰用 电池储能容量优化目标函数进行求解，得到电池储能最优的功率容量和电 量容量。

其中，所述电池储能使用寿命模型为D_r为额定放电 深度，对应的循环使用次数为N_r，E_bmax为电池储能的电量容量；N_S为一年 中的研究阶段数；N_D为第i阶段中的天数；N为第i阶段第j天经历的放电 过程数；i为阶段数的序号，j为第i阶段天数的序号，n为第i阶段第j天 放电过程数的序号，E_bijn为电池储能在第i阶段第j天第n个放电过程的放 电电量，为该放电过程电池储能的出力与经历小时数的乘积；对应于实 际放电深度的折算因子。

其中，以系统年净收益R_net最大为所述调峰用电池储能容量优化目标函 数maxR_net＝R-F_b。

其中，约束条件包括：系统功率平衡约束系统 备用约束C_G+P_bmax≥P_Lmax(1+ρ+σ)(1+γ)；常规机组出力约束P_kmin≤P_kt≤P_kmax；火电 机组爬坡约束-DR_k≤P_kt-P_k(t-1)≤UR_k；电池储能运行约束 $\left(\begin{array}{c}-P_{b\max }\le P_{\mathrm{bt}}\le P_{b\max }\\ E_{\mathrm{bt}}=E_{b(t-1)}-P_{\mathrm{bt}}{\mu }_1{\eta }_c-P_{\mathrm{bt}}{\mu }_2/{\eta }_d\\ E_{b\min }\le E_{\mathrm{bt}}\le E_{b\max }\\ \underset{t=1}{\overset{24}{\Sigma }}(P_{\mathrm{bt}}{\mu }_1{\eta }_c+P_{\mathrm{bt}}{\mu }_2/{\eta }_d)=0\end{array}\right);$P_bt为电池储能在t时刻的出力；P_Lt为t时刻系 统的负荷值；ρ和σ分别为厂用电率和系统线损率；P_kt为第k台机组在t时 刻的出力，N_G为机组的台数，μ_kt为第k台机组在t时刻的开机状态(开机 时为1，停机时为0)，k为机组台数序号，C_G为系统原有火电装机容量，P_Lmax为系统年最大负荷，γ为系统备用率，P_kmin、P_kmax分别为第k台机组出力的 上、下限，UR_k和DR_k为机组k的升、降荷速度；E_bt为电池在t时刻所存储 的能量；η_c、η_d分别为电池的充、放电效率；μ₁、μ₂为电池的充、放电状态： 充电时P_bt＜0，μ₁＝1，μ₂＝0；放电时P_bt＞0，μ₁＝0，μ₂＝1；闲置时P_bt＝0，μ₁＝μ₂＝0； E_bmin为电池储能的最小限值。

本发明依据电池储能的充放电运行状态，确定电池储能在规划水平年内 日负荷曲线上的出力位置及出力大小，根据放电深度对电池储能使用寿命 的影响，建立了电池储能使用寿命模型，并将该模型引入到其容量规划模 型中，对电池储能承担电力系统调峰功能的经济效益进行了评估，从而以 系统年净收益R_net最大为目标，并在充分考虑系统功率平衡、系统备用、常 规机组出力、火电机组爬坡和BESS运行约束条件的基础上，对电池储能功 率容量和电量容量进行协调优化配置。本发明充分考虑了电池储能不同于 传统火电机组寿命相对固定的特性，在计及电池储能可变寿命特性的基础 上对其调峰效益及系统对其的容量需求进行计算分析。较之固定寿命模型， 本发明综合考虑了电池储能的实际运行特性，能更客观、准确的评估调峰 用电池储能的经济效益及容量需求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用 电池储能容量的方法的应用示意图。

图2是电池储能放电深度与循环使用次数的函数曲线图。

图3是本发明实施例提供的考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用 电池储能容量的方法中系统年净收益随BESS规划功率容量和电量容量的 变化图。

图4是本发明实施例提供的考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用 电池储能容量的方法中可变寿命与固定寿命模型的对比分析图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对电力系统调峰用电池储能的容量优化配置问题还有待完善。为实 现以上发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)依据电池储能的充放电运行状态，确定电池储能在规划水平年内 日负荷曲线上的出力状态；

(2)依据电池储能放电深度对其使用寿命的影响，建立电池储能使用 寿命模型，并根据步骤(1)得到的电池出力状态求解电池储能在不同容量 配置下的各放电过程的放电深度，从而计算其使用寿命Y_b；

(3)计算电池储能的年投资运行成本F_b：

将电池储能的寿命计算模型引入到电池储能投资成本的等年值F_inv计 算中，并计算电池储能的年运行成本F_o，从而确定电池储能在不同容量配 置下的年投资运行成本F_b，表示为：

F_inv＝(P_bmaxK_p+E_bmaxK_e)CRF(r，Y_b)          (1)

$\mathrm{CRF}(r,Y_b)=\frac{r{(1+r)}^{Y_b}}{{(1+r)}^{Y_b}-1}---\left(2\right)$

F_o＝P_bmaxK_k+E_bmaxK_v           (3)

F_b＝F_inv+F_o        (4)

其中，P_bmax、E_bmax分别为BESS功率容量、电量容量；K_p、K_e分别为 BESS单位功率容量价格、单位电量容量价格；r为贴现率；CRF(r，Y_b) 为等年值系数；K_k、K_v分别为BESS单位功率容量年运行维护费率、单位 电量容量年运行维护费率。

(4)评估电池储能的年调峰效益R：综合考虑电池储能在承担电力系 统调峰功能时获得的能源节约效益R_f、环保效益R_e和容量替代效益R_r，从 而建立电池储能的年收益函数。

(5)确定考虑变寿命特性的调峰用电池储能容量优化目标函数及约束 条件：

由步骤(3)、(4)得到容量优化的目标函数，即使系统年净收益R_net 最大，表示为：max R_net＝R-F_b(5)；用于电力系统调峰的电池储能容量优化 时应满足系统功率平衡、系统备用、常规机组出力、火电机组爬坡及BESS 运行约束；

(6)根据步骤(5)的规划目标函数和约束条件，得到考虑可变寿命 特性的电力系统调峰用电池储能容量规划模型，并对其进行求解，从而得 到电池储能最优的功率容量和电量容量配置。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，以便本领域的 技术人员更好地理解本发明。

图1是本发明考虑可变寿命特性的确定电力系统调峰用电池储能容量 的方法的应用示意图。如图1所示，在本实施例中，将依据电池储能的充 放电运行状态，确定电池储能在规划水平年内日负荷曲线上的出力状态， 根据放电深度对电池储能使用寿命的影响，建立电池储能使用寿命模型， 并将该模型引入到其容量规划模型中，对电池储能承担电力系统调峰功能 的经济效益进行了评估，从而以系统年净收益R_net最大为目标，并在充分考 虑系统功率平衡、系统备用、常规机组出力、火电机组爬坡和BESS运行约 束条件的基础上，对电池储能功率容量和电量容量进行协调优化配置。具 体步骤如下：

1、依据电池储能的充放电运行状态，确定电池储能在规划水平年内日 负荷曲线上的出力状态；

为充分利用有限的储能容量最大化减小系统峰谷差，电池储能在低谷 附近时段充电至容量上限，高峰附近时段放电至容量下限，日调度期内放 电电量等于充电电量。通过选取平行于时间轴的参考功率P_ref横向划分负荷 曲线：

(1)充电状态：选取参考功率P_ref初值为系统最低谷负荷值，记此时 负荷值为P_L(0)，若位于参考功率以下及负荷曲线以上的部分E_sum小于 E_bmax，则参考功率取次低谷负荷值；若大于E_bmax，记此时的负荷值为P_L(n)， 上一次的负荷值为P_L(n-1)，则所求参考功率位于两者之间，且 (6)；因此，充电时段为负荷曲线位于P_ref下方的各时 刻，充电功率为该时刻负荷值与P_ref之差(充电功率为负)。

(2)放电状态：放电时段参考功率的确定与充电过程服从对偶原理， 其具体分析过程与充电过程类似，此处不再赘述。放电时参考功率计算如 下(7)；因此，放电时段为负荷曲线位于P_ref上方的各 时刻，放电功率为该时刻负荷值与P_ref之差(放电功率为正)。

(3)闲置状态：除(1)、(2)确定的各时刻以外，BESS处于闲置 状态，其出力为0。

当然，上述确定的充放电功率应满足BESS运行约束条件，若充放电功 率超过BESS功率容量，则按功率容量予以修正，因修正而带来的电量差值 只需按上述策略分配于越限时刻以外的其他时刻即可。

2、依据电池储能放电深度对其使用寿命的影响，建立电池储能使用寿 命模型，并根据步骤1得到的电池出力状态求解电池储能在不同容量配置 下的各放电过程的放电深度，从而计算其使用寿命；

在相同的运行条件下，电池储能的循环使用次数为放电深度的递减函 数，如图2所示。基于实验数据，拟合出两者之间函数关系，表示为：

(8)；其中，D_r为额定放电深度，对应的循环使 用次数为N_r；D_a为实际放电过程的放电深度，对应的循环使用次数为N_a。

记m_DOD为折算因子，则(9)；在规划水平年 内，一系列不同放电深度的放电过程折算至额定放电深度下的年放电电量 E_a(10)；其中，N_S为一年中的研究阶段数；N_D为第i 个阶段中的天数；N为第i阶段第j天经历的放电过程数；E_bijn为BESS在 第i阶段第j天第n个放电过程的放电电量，为该放电过程BESS的出力与 经历小时数的乘积；对应于实际放电深度的折算因子。

因此，电池储能使用寿命可计算如下：(11)。

3、计算电池储能的年投资运行成本F_b：将电池储能的寿命计算模型引 入到电池储能投资成本的等年值F_inv计算中，并计算电池储能的年运行成本 F_o，从而确定电池储能在不同容量配置下的年投资运行成本F_b，表示为：

F_inv＝(P_bmaxK_p+E_bmaxK_e)CRF(r，Y_b)           (12)

$\mathrm{CRF}(r,Y_b)=\frac{r{(1+r)}^{Y_b}}{{(1+r)}^{Y_b}-1}---\left(13\right)$

F_o＝P_bmaxK_k+E_bmaxK_v      (14)

F_b＝F_inv+F_o        (15)

其中，P_bmax、E_bmax分别为BESS功率容量、电量容量；K_p、K_e分别为 BESS单位功率容量价格、单位电量容量价格；r为贴现率；CRF(r，Y_b) 为等年值系数；K_k、K_v分别为BESS单位功率年运行维护费率、单位电量 容量年运行维护费率。

4、评估电池储能的年调峰效益R：综合考虑电池储能在承担电力系统 调峰功能时获得的能源节约效益R_f、环保效益R_e和容量替代效益R_r，从而 建立电池储能的年收益函数。

(1)能源节约效益。BESS的能源节约效益R_f可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_f=\underset{t=1}{\overset{24}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{N_G}{\Sigma }}(a_k{P_{\mathrm{kt}}}^2+b_k{P}_{\mathrm{kt}}+c_k){\mu }_{\mathrm{kt}}\\ R_f=\underset{i=1}{\overset{N_S}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}(F_f^{\mathrm{ij}}-F_{f-\mathrm{bess}}^{\mathrm{ij}})\end{array}\right)---\left(16\right)$

其中，N_G为火电机组台数；a_k、b_k、c_k为第k台机组的燃料费用系数； P_kt、μ_kt为第k台机组在t时刻的出力大小和开机状态(开机时为1，停机时 为0)；为加入电池储能前后系统第i阶段第j天的燃料费。

(2)环保效益。BESS的环保效益R_e可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{F}_e=\underset{t=1}{\overset{24}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{N_G}{\Sigma }}{d}_k{P}_{\mathrm{kt}}{\mu }_{\mathrm{kt}}\\ R_e=\underset{i=1}{\overset{N_S}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{N_D}{\Sigma }}(F_e^{\mathrm{ij}}-F_{e-\mathrm{bess}}^{\mathrm{ij}})K_s\end{array}\right)---\left(17\right)$

其中，d_k为第k台机组的SO₂排放系数；为加入电池储能前后 系统第i阶段第j天系统的SO₂排放量；K_s为SO₂排污费价格。

(3)容量替代效益。BESS的容量替代效益R_r可表示为：

R_r＝f(P_Lmax(1+τ)(1+_γ)-C_G)K_GCRF(r，Y_G)             (18)

其中，τ为系统负荷年增长率；γ为系统备用系 数；C_G为系统原有装机容量；K_G为火电装机的单位造价；Y_G为火电机组经 济使用寿命。

因此，BESS年调峰效益R＝R_f+R_e+R_r。

5、确定考虑变寿命特性的调峰用电池储能容量优化目标函数及约束条 件：

由步骤3、4得到容量优化的目标函数，即使系统年净收益R_net最大， 表示为：

maxR_net＝R-F_b            (19)

确定调峰用电池储能容量应满足如下约束条件：

(1)系统功率平衡约束

$\underset{k=1}{\overset{N_G}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{kt}}{\mu }_{\mathrm{kt}}+P_{\mathrm{bt}}=P_{\mathrm{Lt}}(1+\rho +\sigma )---\left(20\right)$

其中，P_bt为电池储能在t时刻的出力；P_Lt为时刻t系统的负荷值；ρ 和σ分别为厂用电率和系统线损率。

(2)系统备用约束

C_G+P_bmax≥P_Lmax(1+ρ+σ)(1+γ)              (21)

(3)常规机组出力约束

P_kmin≤P_kt≤P_kmax         (22)

其中，P_kmin、P_kmax分别为第k台机组出力的上、下限。

(4)火电机组爬坡约束

-DR_k≤P_kt-P_k(t-1)≤UR_k     (23)

其中，UR_k和DR_k为第k台机组的升荷速度、降荷速度。

(5)BESS运行约束

$\left(\begin{array}{c}-P_{b\max }\le P_{\mathrm{bt}}\le P_{b\max }\\ E_{\mathrm{bt}}=E_{b(t-1)}-P_{\mathrm{bt}}{\mu }_1{\eta }_c-P_{\mathrm{bt}}{\mu }_2/{\eta }_d\\ E_{b\min }\le E_{\mathrm{bt}}\le E_{b\max }\\ \underset{t=1}{\overset{24}{\Sigma }}(P_{\mathrm{bt}}{\mu }_1{\eta }_c+P_{\mathrm{bt}}{\mu }_2/{\eta }_d)=0\end{array}\right)---\left(24\right)$

式中，E_bt为电池t时刻所存储的能量；η_c、η_d分别为电池的充电效率、 放电效率；μ₁、μ₂为电池的充放电状态：充电时P_bt＜0，μ₁＝1，μ₂＝0；放电 时P_bt＞0，μ₁＝0，μ₂＝1；闲置时P_bt＝0，μ₁＝μ₂＝0；E_bmin为BESS存储能量的最 小限值。

6、根据步骤5的规划目标函数及约束条件，得到考虑可变寿命特性的 调峰用电池储能容量配置模型，并对其进行求解，从而得到电池储能最优 的功率容量、电量容量配置。

图3是本发明方法的系统年净收益随BESS规划功率容量、电量容量的 变化图。由图3可知，对于一个确定的储能功率容量P_bmax，年净收益随着 电量容量的增加先增大后减小：当电量容量较小时由于储存的能量空间有 限，其调峰效益较小，无法抵消其投资成本，系统净收益为负值；随着电 量容量的增大，电池储能峰谷电量平移的能力增强，调峰效益增大，开始 出现盈利；当电量容量增至某一配置规模时，继续增加储能电量容量，由 于能源节约效益增长减缓并趋于饱和，而投资等年值仍继续增长，系统的 净收益转向下降趋势。此外，不同P_bmax下的系统最大净收益随P_bmax增加先 增大后减小。该测试系统的BESS最优功率容量约为50MW，占负荷峰谷 差的4.5％，对应的最优电量容量约为436MWh。

图4是本发明方法与固定寿命模型的对比分析图。固定寿命模型中， 对BESS寿命参数取13和15年两典型值同本发明方法予以对比分析。由图 4可知，使用寿命设置为15年时的年最大净收益是使用寿命设置为13年时 年最大净收益的2倍左右。由此可见，在固定寿命模型的BESS投资决策中， 使用寿命是其经济性分析的敏感性参数。图4中A点为可变寿命模型与固 定寿命模型Y_b＝13年的交点。A点以左由于BESS电量容量较低，运行过程 中放电深度高，导致电池的实际使用寿命低于固定寿命，因此固定寿命模 型高估了系统配置BESS后的净收益而降低了收益过零点的最小配置规模； 与此相反，A点以右固定寿命模型因低估了BESS使用寿命而低估了BESS 的经济效益及其最优配置容量。B点为可变寿命模型与固定寿命模型Y_b＝15 年的交点，其分析类似。

因此，固定寿命模型由于未考虑实际运行过程中放电深度对储能电池 寿命影响这一重要因素，且规划问题的经济性分析对使用寿命Y_b的取值又 十分敏感，导致对系统配置BESS的经济效益的评估产生偏差，从而进一步 导致BESS最优容量优化结果产生偏差。较于固定寿命模型，本发明的方法 综合考虑了电池储能的实际运行特性，建立了电池储能的可变寿命模型， 能更客观、准确的评估调峰用电池储能的经济效益及容量需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。