储能系统峰谷套利运行策略最优化方法研究

葛兴凯

（上海电气分布式能源科技有限公司，上海 201100）

0 引言

储能系统（energy storage system，ESS）凭借其快速功率调节以及兼具供蓄能力的特征，在平滑间歇式能源功率波动[1-2]、削峰填谷、改善电压质量[3-5]以及提供备用电源[6]方面都发挥出了巨大的作用[7-8]，因而得到越来越广泛的应用。

储能系统可通过参与电网调峰[9-10]、调频[11]、调压和可再生能源平抑波动[12]等辅助服务，能够给用户带来相应的经济效益[13-16]。“峰谷套利”运行模式适用场景多、应用范围广，是现阶段储能系统的主流运行和盈利模式[17]。影响储能系统峰谷套利收益的主要因素为电价和运行模式[18-19]。

合理的储能系统运行策略，能够保证系统根据日内运行模式，长时间、可靠、稳定地循环运行。本文提出一种储能系统峰谷套利运行策略的最优化方法，可提高储能系统的运行经济性。

1 现有运行策略的问题

在制定储能系统峰谷套利运行方案时，目前主要根据储能系统容量、电价政策制定运行策略并估算项目经济性。

该类方法首先根据电价峰时时段划分，决定充放电循环次数和时段，一个电价峰时段对应一个充放电循环；再根据峰时段和非峰时段时长决定储能系统的充放电状态和功率，进而结合电价估算峰谷套利的收益。

现有技术方案主要有以下问题：

（1）缺乏全局把控，无法保证收益最大化：在“多充多放”策略中，需要合理规划充放电时段及功率，才能保证在循环内峰时段有电可放、谷时段有电可充。这要求对整个循环内储能系统状态进行整体把控、整体优化。

（2）无法保证储能系统可持续运行：现有技术手段在制定方案时未考虑系统长时间、连续、循环运行等条件。

（3）缺少电网运行价值判断：储能系统运行在电网系统中，会对电网负荷、需量等造成影响，而需量是基础电费的组成部分，不合理的储能系统充放电策略会增加需量费用，进而造成用电成本上升。

（4）系统寿命及项目经济性评估不准确：储能系统寿命多有“循环充放电次数”评估，这里充放电次数是指在DOD允许范围内从充满到放空的循环次数。实际运行情况中，部分循环并没有满充满放，因此对储能系统寿命估算存在误差，导致项目经济性评估失准。

2 峰谷套利运行策略优化方法

为解决现有技术方案中存在的问题，需要对储能系统峰谷套利模型进行更细致的建模，增加必要考量因素[20]。本文优化策略有如下特点：

（1）全局优化，保证系统运行方案有效性及收益最大化；

（2）考虑储能系统循环初末状态相同约束，实现储能系统全时间尺度可持续循环运行；

（3）增加电力系统运行判断，考虑需量管理，完善储能系统收益组成；

（4）准确评估循环充放电次数和系统寿命，合理评估项目经济性。

2.1 储能系统峰谷套利收益

储能系统谷时从电网购电，增加了用电量，提高了用电成本；峰时则放电减少用电量、降低用电成本。储能系统峰谷套利收益等于放电降低的用电成本扣除充电增加的成本：

夏季收益如式（2）所示：

非夏季收益如式（3）所示：

式中，Ph为已知的电力价格，Xdch，h表示第h小时储能系统的放电功率，Edch为放电效率，Xch，h表示第h小时储能系统的充电功率，Ech为充电效率，T为时间区间。

2.2 储能系统峰谷套利策略优化模型

（1）目标函数。通过合理规划储能系统各时段充放电功率Xdch,h和Xch,h，可以使储能系统收益最大化。因此，储能系统峰谷套利策略优化模型目标函数为：

（2）约束条件。电量约束：储能系统不能过充或过放，单循环放电量不能超过放电深度，而充电量则不能超过储能容量，因此任意时刻储能系统电量均应介于（1-DoD，1）之间；

第h小时储能系统电量SOCh：

式中，SOCinit为储能系统初始电量，C为储能系统容量。因此：

可持续运行约束：为保证优化策略能够保证储能系统持续运行，单个运行周期内储能系统初始电量应等于终止电量：

电力系统运行约束：储能系统的运行对电力系统的影响主要体现在两个方面：（a）电力负荷；（b）最大需量。如前文所述，储能系统充电会增加电力负荷，反之放电会减少电力负荷，进而对系统最大需量产生影响。若充电造成最大需量增加，则会产生额外的需量罚款成本；若放电策略控制的合理，则会降低最大需量从而降低需量成本。

首先，储能系统放电时，放电功率不能超过负荷功率，否则会造成倒送：

其次，储能系统充电时应尽量不增加电力系统最大需量，否则会增加需量费用：

单循环内满充放电次数约束：系统支持设置“N充N放”模式，即单循环内满充放电次数不超过N次。这种考虑的出发点主要是保证系统运行寿命。本技术方案中，为了尽可能使储能系统收益最大化，在满充放电次数不超过N次的前提下，增加“同时满充放电次数不低于（N-1）次”约束，相应约束如下：

2.3 考虑需量后的目标函数

考虑储能充放电对最大需量的影响后，系统收益应包括最大需量下降后减少的基本电费，如下式所示：

式中，如果f大于0，说明储能系统运行后，电力系统实际最大需量比原最大需量小，将降低的最大需量基本电费视作储能系统收益；反之，如果f小于0，说明储能系统加大了电力系统的最大需量，增加的基本电费被视作储能系统成本。

2.4 求解算法

由于求解变量储能系统逐时充放电量为时序变量，用序列二次规划算法（SQP，Sequential Quadratic Programming）可以快速、精确地求解该问题。

3 案例分析

以某地区某50kW/200kWh储能项目为例，对该优化方法进行测试分析。

3.1 系统基本参数

在本案例中，算例的基本参数设置如表1所示。

表1 基本参数表

3.2 优化结果

本案例优化步长为1h，总时长为168小时（7天：5天工作日，2天非工作日）；

工作日和非工作日负荷如图1所示：

图1 工作日、非工作日负荷曲线

该地区夏季电价如图2所示：

图2 逐时电价曲线

由于优化区间为168小时（7天），将负荷曲线和电价曲线扩展到168小时维度，得到周负荷曲线和电价曲线，如图3所示：

图3 负荷、电价曲线

从图3可知，该负荷呈现出典型的负荷波动特征，工作时段内（9-17点）负荷远高于非工作时段，工作日负荷显然大于非工作日负荷；在晚间用电高峰19-21点间，电负荷和峰时电价高度重合。因此，在未建设储能系统前，峰时用电将产生高额的用电费用。

建设储能系统后，利用储能系统“低充高放”的运行策略，实现峰谷套利。采用本技术方案中所提方法，可以实现储能系统峰谷套利最大化。基于该项目储能系统技术特征、负荷及电价情况，可以优化得到如下运行结果：

（1）“一充一放”运行模式

图5 “一充一放”模式储能系统SOC

（2）“两充两放”运行模式：

图7 “两充两放”模式充放电功率

图8 “两充两放”模式储能系统SOC

（3）运行结果分析。从图4可以看出，“一充一放”优化运行模式下，储能系统在电价谷时段进行大量充电，并在峰时集中放电赚取峰谷电价差。

图4 “一充一放”模式充放电功率

与“一充一放”优化运行策略相比，“两充两放”优化运行策略存在显著不同。在“两充两放”策略下，系统充放电量更大，因此，平时段储能系统充电更集中、功率更大。这样的策略更深地挖掘了峰谷套利策略下该地区电价下的峰谷价差和峰平价差。

结合图6与图9储能系统充放电前后负荷曲线可以看出，两种优化充放电策略均大大减小了系统最大需量，降低系统基本电费的同时、平滑了负荷曲线。

图6 “一充一放”模式负荷曲线

图9 “两充两放”模式负荷曲线

3.3 项目收益

表2即为本案例不同运行模式的收益情况统计。

表2 储能系统收益统计表

从表2可知，在“一充一放”优化运行策略下，储能系统在工作日于非工作日的满充满放次数均为1次；在“两充两放”优化运行策略下，工作日与非工作日的满充满放次数分别为1.34次、1.08次。综合来看，“两充两放”策略的充放电量约为“一充一放”模式的1.27倍。

从月总收益来看，“一充一放”优化策略的月总收益为5264元，“两充两放”的月总收益为5479元，收益比为1.04。

虽然“两充两放”总收益更高，但是其收益增加比例远低于满充满放次数增加的比例。考虑到储能系统的寿命，“一充一放”优化策略在本案例中是更具性价比的运行方案。

4 小结

本技术方案提出一种储能系统峰谷套利策略优化方法，并通过案例进行了分析，确定了储能系统运行策略的最优化方法。本方法以峰谷套利收益最大化为目标，从多角度完善了储能套利系统模型，使策略可行性和有效性得到大幅提升，对于工程应用具有较高的实用价值。