計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法及設備與流程

本發明屬于儲能分配領域，特別涉及計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法及設備。

背景技術：

1、隨著新型電力系統中不確定性因素大大增加，儲能電站規模正呈穩步上升態勢。隨著儲能技術的發展與相關政策的扶持，當前我國已有大量廠家在“源-網-荷-儲”側投資建設了大量參數迥異的儲能設備。但在與電網的交互過程中，為降低運行難度并減少不必要的負擔，此類儲能設備往往被整合在某一固定儲能電站內，或由某些運營商進行整合，作為一個整體參與電力系統調度及市場運行過程。

2、現有的電力系統規劃或調度過程中，通常將儲能電站視為一個整體，或者將系統中的多個儲能電站設置為相同參數。但在系統實際運行中，某一儲能電站可能含有多種額定容量、額定功率、充放電效率、壽命特性不同的儲能設備，不同儲能電站之間所表現出的響應時間、爬坡特性也不盡相同。因此在進行儲能容量與功率分配過程中，不僅需要考慮系統整體的需求，還需要充分考慮不同設備、不同電站之間的參數差異，形成整體效益最優的容量分配方案。

3、同時，在制定容量分配策略的過程中，還應當將不同設備的動態壽命特性納入考慮之中。作為關乎儲能經濟性與可用容量的重要因素，過于頻繁的充放電、深充深放等行為均會嚴重損害儲能的使用壽命。而現有的研究更多聚焦于控制信號分解、不同類型儲能投資過程之中，較少考慮動態壽命特性的影響。隨著儲能電站在新型電力系統中承擔越來越廣泛的職責，部分儲能設備間的使用壽命可能因為提供服務加速耗盡，造成運維成本的迅速增加。因此如何在制定容量分配方案的過程中考慮多種儲能設備的動態壽命特性，對于電站整體運行成本至關重要。

4、公開號為cn110676870b的中國專利公開了一種適用于風電并網的混合儲能容量配置方法：首先，分解風電不平衡功率，劃分不同儲能設備的補償功率，并以此確定不同儲能設備的容量配置；然后，引進梯度法對濾波階數進行優化，并比較不同濾波階數的設備成本，選取使成本最小的濾波階數作為功率、容量分配標準；最后，根據電價的波動性建立機會約束模型，以系統穩定為前提，用改進量子遺傳算法計算儲能設備的經濟成本，得到既滿足平抑風電不穩定性需求，又滿足經濟成本的混合儲能容量配置。該發明綜合考慮風電不穩定性需求與經濟成本以優化混合儲能系統的容量配置，但未考慮儲能設備的動態壽命特性，從而可能影響儲能系統的儲能規劃。

技術實現思路

1、為了克服現有技術中存在的問題，本發明設計了計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法及設備，針對儲能電站中不同型號儲能設備間的容量分配問題，考慮各設備的動態壽命特性，并綜合考量儲能電站參與電能量平衡與頻率調節過程，以整體利益最優獲取電站內部的儲能容量跨時段分配方案。

2、為了實現上述目的，本發明提供計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法，包括以下步驟：

3、s1：獲取儲能系統預測數據，生成優化場景，具體為：

4、s11：獲取儲能系統預測數據，所述預測數據包括火電機組在內的常規機組日前調度計劃、風電與光伏在內的新能源預測出力、負荷預測曲線；

5、s12：根據儲能系統預測數據，確定儲能電站整體電能量跨時段需求；

6、s13：根據儲能系統預測數據，確定儲能電站整體調頻與慣量跨時段需求；

7、s14：計算儲能系統未來各時刻對于儲能功率的需求，生成儲能優化場景。

8、s2：計及儲能電站內不同儲能設備的動態壽命特性，建立各儲能設備的代價量化模型，具體為：

9、s21：建立不同儲能設備的動態壽命衰減函數與固定代價函數；

10、s22：將不同儲能設備的動態壽命衰減函數轉化為單位壽命衰減因子；

11、s23：根據不同儲能設備的單位壽命衰減因子構建動態代價函數，根據固定代價函數與動態代價函數建立各儲能設備的代價量化模型。

12、s3：根據所述儲能設備的代價量化模型，構建不同儲能設備的功率優化模型，確定所需分配的儲能功率。

13、s4：根據儲能功率優化配置結果，計算儲能容量跨時段分配方案。

14、優選的，儲能電站整體電能量跨時段需求表示為：

15、

16、式中，pen,t為t時刻整個儲能電站的電能量需求；為t時刻系統預測的負荷需求；n(g)為火電機組集合；i∈n(g)為第i臺火電機組；為t時刻第i臺火電機組根據調度計劃的預測出力；為t時刻第i臺火電機組根據調度計劃的預測啟停狀態變量；n(w)為風電場集合；w∈n(w)為第w個風電場；為t時刻第w個風電場出力；n(s)為光伏電站集合；s∈n(s)為第s個光伏電站；為t時刻第s個光伏電站出力。

17、儲能電站整體調頻與慣量跨時段需求表示為：

18、

19、

20、式中，c1為儲能系統為調頻所付出的總代價；cfg,t、cfe,t、che,t分別為電力市場中t時刻預測的火電機組調頻補貼價格、儲能調頻補貼價格與儲能慣量支撐補貼價格；為第i臺火電機組在t時刻的調頻出力；為整個儲能電站在t時刻的調頻功率需求；為整個儲能電站在t時刻的虛擬慣量需求；λi,fr為火電機組調頻功率上限約束；pi,max為第i臺火電機組的裝機容量；f0為儲能系統頻率；hi為第i臺火電機組的同步慣量；δploss,t為t時刻系統最大擾動功率；tg為火電機組達到給定調頻功率所需的時間；ten為儲能達到給定調頻功率所需的時間；δfmax為系統所允許的最大頻率偏差。

21、優選的，所述步驟s21具體為：

22、s211：建立不同儲能設備的動態壽命衰減函數表示為：

23、

24、式中，фn(δn,k)為儲能電站內第n臺儲能設備的動態壽命衰減函數；k為充放電循環的序號；κn,1為第n臺儲能設備的第一形狀參數；κn,2為第n臺儲能設備的第二形狀參數；δn,k為第n臺儲能設備運行過程中第k個循環的循環深度。

25、s212：建立不同儲能設備的固定代價函數表示為：

26、

27、式中，cn,fix、cn,inv、cn,om分別為第n臺儲能設備的固定代價、固定日均投資代價、固定日維護代價；分別為第n臺儲能設備的單位功率、容量代價；pn、en分別為第n臺儲能設備額定功率與容量；r為按年利率計算的投資折現率；tn,es為第n臺儲能設備的投資回收期；cn,om為第n臺儲能設備維護代價。

28、優選的，所述步驟s22具體為：將第n臺儲能設備的容量等分為m段，對動態壽命衰減函數線性化后得到單位壽命衰減因子表示為：

29、

30、式中，cn,m為第n臺儲能設備第m段的單位壽命衰減因子；rn為第n臺儲能設備的更換代價；en為第n臺儲能設備的額定容量；ηn,d為第n臺儲能設備的放電效率；m∈m為儲能設備的第m段容量。

31、優選的，步驟s23具體為：

32、s231：根據不同儲能設備的單位壽命衰減因子計算第n臺儲能設備的動態代價函數表示為：

33、

34、式中，cn,dym為第n臺儲能設備的動態代價；分別為第n臺儲能設備的電能量動態代價、調頻動態代價與慣量支撐動態代價；分別為第n臺儲能設備電能量平衡、頻率響應、慣量支撐在第m段t時刻所對應的放電功率；πn,h、πn,fr分別為調用第n臺儲能設備參與慣量支撐與一次頻率調節的概率。

35、s232：根據固定代價函數與動態代價函數建立第n臺儲能設備的代價量化模型表示為：

36、cn＝cn,fix+cn,dyn

37、式中，cn為第n臺儲能設備的代價量化模型。

38、優選的，所述儲能設備的功率優化模型包括目標函數與約束條件。

39、所述目標函數表示為：

40、

41、

42、

43、

44、式中，f為各儲能設備的總體運行目標函數；rn,e為第n臺儲能設備電能量獎勵指標；rn,h為第n臺儲能設備慣量支撐響應獎勵指標；rn,fr為第n臺儲能設備頻率響應獎勵指標；t為優化總小時數；ce,t為日前市場在t時刻為滿足電能量需求的結算價格；cfe,t、che,t分別為電力市場中t時刻預測的儲能調頻補貼價格、儲能慣量支撐補貼價格；pn,d,t為第n臺儲能設備在t時刻用于滿足電能量需求的充電功率；pn,c,t為第n臺儲能設備在t時刻用于滿足電能量需求的放電功率；δt為調度時長；為第n臺儲能設備在t時刻提供的調頻功率；為第n臺儲能設備在t時刻提供的虛擬慣量。

45、優選的，所述約束條件包括：儲能電站功率平衡約束、儲能設備提供虛擬慣量約束、儲能設備提供調頻功率約束、儲能設備運行約束和分段線性化約束。

46、所述儲能電站功率平衡約束表示為：

47、pen,t＝σn(pn,d,t-pn,c,t)

48、式中，pen,t為t時刻整個儲能電站的電能量需求。

49、所述儲能設備提供虛擬慣量約束表示為：

50、

51、式中，為整個儲能電站在t時刻的虛擬慣量需求；為第n臺儲能設備在t時刻提供虛擬慣量過程中的最大慣量支撐功率；frocof,max為儲能系統允許的最大頻率變化率；f0為儲能系統頻率。

52、所述儲能設備提供調頻功率約束表示為：

53、

54、式中，λes,pfr為儲能調頻功率上限約束；為整個儲能電站在t時刻的調頻功率需求。

55、所述儲能設備運行約束表示為：

56、

57、式中，en,t為t時刻第n臺儲能設備的soc；en,t-1為t-1時刻第n臺儲能設備的soc；ηn,c為第n臺儲能設備的充電效率；ηn,d為第n臺儲能設備的放電效率；δtfr為儲能設備調頻作用時長；t0為初始時刻；δfmax為儲能系統所允許的最大頻率偏差；en,t為t時刻第n臺儲能設備的soc；為初始時刻t0第n臺儲能設備的soc。

58、分段線性化約束表示為：

59、

60、式中，為第n臺儲能設備在第m個動態壽命衰減函數段0時刻所對應的soc；為第n臺儲能設備在第m個動態壽命衰減函數段的soc上限；為第n臺儲能設備在第ζ個動態壽命衰減函數段0時刻所對應的soc；為第n臺儲能設備在第m個動態壽命衰減函數段t-1時刻所對應的soc；為第n臺儲能設備在第m個動態壽命衰減函數段t時刻所對應的soc；為第n臺儲能設備在第m個動態壽命衰減函數段t時刻所對應的用于滿足電能量需求的充放電功率；為第n臺儲能設備在第ζ個動態壽命衰減函數段t時刻所對應的用于滿足電能量需求的充放電功率；為第n臺儲能設備在第m個動態壽命衰減函數段t時刻所對應的用于滿足調頻需求與虛擬慣量需求的放電功率；為第n臺儲能設備在第ζ個動態壽命衰減函數段t時刻所對應的用于滿足調頻需求與虛擬慣量需求的放電功率；為第n臺儲能設備在t時刻用于滿足調頻需求的放電功率。

61、優選的，所述步驟s4具體為：

62、s41：根據所生成的運行場景，結合電力市場預測的電能量獎勵指標、虛擬慣量支撐獎勵指標、頻率響應獎勵指標，求解得到儲能電站內各個儲能設備的功率分配情況。

63、分配用于電能量平衡的儲能設備放電容量表示為：

64、

65、式中，為第n臺儲能設備t時刻分配用于下一時段電能量平衡的放電容量大小；pn,d,t+1為第n臺儲能設備在t+1時刻用于滿足電能量需求的充電功率。

66、分配用于電能量平衡的儲能設備充電容量表示為：

67、

68、式中，為第n臺儲能設備t時刻分配用于下一時段電能量平衡的充電容量大小；pn,c,t+1為第n臺儲能設備在t+1時刻用于滿足電能量需求的放電功率。

69、分配用于調頻的儲能設備放電容量表示為：

70、

71、式中，為第n臺儲能設備t時刻分配用于下一時段調頻的放電容量大小；為第n臺儲能設備在t+1時刻提供的調頻功率。

72、分配用于慣量支撐的儲能設備放電容量表示為：

73、

74、式中，為第n臺儲能設備t時刻分配用于下一時段慣量支撐的放電容量大小；為第n臺儲能設備在t+1時刻提供的虛擬慣量；f0為儲能系統頻率。

75、分配用于平抑下一時段新能源出力驟降與負荷激增的備用放電容量表示為：

76、

77、式中，為第n臺儲能設備t時刻分配用于平抑下一時段新能源出力驟降與負荷激增的備用放電容量大小；為表征第n臺儲能設備t時刻是否放電的0-1變量。

78、分配用于平抑下一時段新能源出力激增與負荷驟降的備用放電容量表示為：

79、

80、式中，為第n臺儲能設備t時刻分配用于平抑下一時段新能源出力下降與負荷激增的備用充電容量大小；為表征第n臺儲能設備t時刻是否充電的0-1變量。

81、s42：綜合各時刻的容量分配結果，形成儲能容量跨時段分配方案。

82、另一方面，本發明還提供計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配設備，所述設備包括：存儲器、處理器以及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器執行所述計算機程序時實現如本發明任一實施例所述的計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法。

83、再一方面，本發明還提供一種計算機可讀存儲介質，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時實現如本發明任一實施例所述的計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法。

84、與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：

85、1.本發明提供的計及動態壽命特性的儲能容量跨時段分配方法，根據系統日前的調度計劃與預測數據，能夠較好地避免新能源與負荷波動對于容量分配方案的大幅度影響，不僅能夠考慮系統各時刻的瞬時功率需求，還能將跨時段的電能轉移也納入考慮之中，并為系統頻率響應預留出足夠的容量，有利于保障新型電力系統安全穩定運行。

86、2.在進行容量分配過程中考慮了不同儲能設備在各自容量、功率、壽命特性方面的差異，能夠最大化整個儲能電站的總體收益，有效避免平均分配容量導致的設備壽命分化嚴重、部分設備更換頻繁的現象，進一步延長了儲能電站整體的使用壽命，有利于指導電網側儲能聚合商及儲能電站的合理運行與決策。同時預留了一部分容量以應對實時的新能源與負荷波動，相關運營主體可以利用該部分容量在現貨市場與輔助服務市場中進一步獲取相關收益，有利于進一步擴大儲能電站整體收益，達到引導儲能合理投資、推動新型電力系統高質量發展的效果。

87、3.使用線性化的方法，降低了計算不同儲能設備動態壽命影響過程中的計算資源負擔，能夠較好地展示電能量平衡、快速頻率調節與虛擬慣量支撐等不同充放電行為對于不同儲能設備使用壽命的影響，更符合未來新型電力系統發展過程中的儲能多元定位，為引導儲能設備合理投資、有效運行提供理論上的指導，有利于進一步擴大并明確電化學儲能的作用維度，保障電力系統安全穩定運行。