学术简报︱市场机制下面向电网的储能系统优化配置

摘要

郑州大学电气工程学院、国网九江供电公司的研究人员姜欣、郑雪媛、胡国宝、陈根永、曾庆山，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文指出，随着我国市场化进程的不断推进以及储能成本的不断下降，储能作为独立的运行商参与电力市场成为可能。本文从面向电网的储能出发，提出一种市场机制下储能系统选址定容优化方法。

首先从直接收益和间接收益两个方面分析储能参与电力市场的成本效益，在此基础上，建立了综合考虑规划和运行的储能优化配置多目标双层决策模型。外层以储能侧综合收益（包括投资成本、高储低放套利以及调峰辅助服务补偿）、常规机组侧运行收益、新能源侧附加并网收益以及电网侧网损收益最大为目标；内层以储能、新能源和常规机组的协调运行成本最小为目标。

此外，考虑充放电策略对储能循环寿命的影响，基于等效寿命损耗将储能规划和运行的相互影响引入模型。最后，在改进的39节点系统中采用改进的粒子群算法仿真分析，结果证明了所提模型和方法的可行性和有效性。

电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）的充放电特性能够对能量进行时空平移，在一定程度上实现削峰填谷。因此，电力系统配置储能，将有效解决新能源并网给系统带来的运行压力。且随着我国市场化进程的不断推进、储能技术的不断革新、成本的不断下降，储能系统作为独立的运行商参与电力市场成为可能。合理的储能系统选址与定容是储能技术在电力系统中推广应用的关键。

已有许多学者在储能容量优化配置方面进行了相关研究。

从规划的角度出发，有学者采用不同的智能算法以节点的电压波动和储能的容量为目标建立储能系统选址定容的多目标优化模型。有学者在系统安全稳定的基础上，提出考虑分时电价的蓄电池储能系统运行策略。

从运行角度出发，有学者在考虑风电、负荷预测误差对机组组合的影响的前提下，基于双层规划和机会约束目标规划，改变储能的接入位置和容量来研究机组组合问题。有学者将储能系统引入含风电的电力系统安全约束机组组合问题中，考虑风电、负荷的预测误差，实现系统运行的经济性。有学者考虑电池储能的实际使用寿命，利用电池储能去补偿风电实际出力与预测值之间的差值，改善风电的可调度性。

储能系统规划问题与运行问题相互影响，鲜有文献从运行与规划这两个角度出发进行研究。有学者提出基于双层模型的风光储联合优化方法，外层考虑系统的经济性，内层考虑系统的稳定性，实现储能容量的优化配置。有学者采用内外双层的决策方法综合考虑储能系统规划与运行，来提高电网对风电的接纳水平，具有很好的启发性。然而现阶段，受制于储能系统的投资成本，电力系统配置储能还面临着在推广过程中经济优势不足的问题。

新电改9号文发布以来，随着市场改革的进一步深化，我国的电力市场已进入深水区，电力辅助服务市场正逐步完善。2017年11月，国家能源局发布了《完善电力辅助服务补偿（市场）机制工作方案》，明确表示鼓励储能参与其中。因此有必要研究储能作为独立的运营商参与市场的规划问题。已有学者在这方面进行了相关研究。

有学者以节能效益最大为目标，将分时电价和储能系统相结合，通过改变负荷分布来提高风电接入水平。有学者在电力市场背景下，将储能引入需求侧，通过发电侧、供电侧、储能和用户响应各个参与方的动态博弈，制定实时电价来确定BESS的配置规模。

上述文献未能从系统侧出发，考虑储能参与后多个利益主体的多目标优化问题，且大多数储能的容量配置都是单点集中式选址，而合理的多点分布式选址可使储能的接入达到事半功倍的效果。

针对上述不足，本文从面向电网的储能配置出发，基于成本效益分析提出一种市场机制下储能系统选址定容优化方法。储能系统参与电力市场，在对各个利益主体进行成本效益分析的基础上，建立了综合考虑规划和运行的储能优化配置多目标双层决策模型。

外层考虑以储能侧综合收益（包括投资成本、高储低放套利以及调峰辅助服务补偿）、常规机组侧运行收益、新能源侧附加并网收益以及电网侧网损收益最大为目标；内层考虑以储能、新能源和常规机组的协调运行成本最小为目标。

为求解提出的综合优化模型，外层采用改进的多目标粒子群法实现储能的选址定容；内层采用改进的二进制粒子群求解机组组合。最后采用改进的39节点系统进行仿真分析，结果验证了所提方法和模型的有效性。

图1  BESS参与市场的效益分析

图2  双层规划模型架构

图4  BESS优化配置求解流程

结论

本文从面向电网的储能出发，提出一种市场机制下储能系统选址定容优化方法，结论如下：

1）储能作为独立的运行商参与系统运行，给自身带来经济性的同时也带来了较好的社会效益。可有效减小弃风电量，减小常规机组起停以提高机组运行经济性，同时在一定程度上改善了电网潮流分布。虽然储能投资成本与带来的社会效益正相关，但是市场机制的作用仍能保证储能系统正收益，实现了共赢。

2）随着配置位置的增多，储能总配置容量呈现先增大后减小的趋势，且除电网侧收益外，其他利益主体的收益都呈现出先增再减的趋势，且三位置时效果最差。因此，对于本文采用的改进39节点系统，权衡各场景下不同利益主体的运行指标后，选择两位置配置储能系统更具合理性和优越性。

3）基于双层决策的储能选址与定容方法把规划与运行结合在一起，且计及储能的充放电策略对循环寿命的影响，让运行指导规划，为储能应用于电力系统提供了新的思路。

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