一种混合储能参与调频辅助服务市场的容量投标方法

1.本发明属于电力系统市场研究领域，具体涉及一种混合储能参与调频辅助服务市场的容量投标方法。


背景技术：

2.为了实现“碳达峰
·
碳中和”的战略目标，海量低压分布式可再生能源系统并入电网的比率不断攀升；但是，随着大量的非旋转发电单元的投入，电力系统的整体转动惯量呈下降趋势，给电力系统的频率安全稳定带来新的挑战。
3.随着电力系统辅助服务市场的不断推广，储能作为一种性能优越的灵活调节资源，逐步被允许作为独立的个体参与调频辅助服务市场；超级电容作为一种典型的功率型储能器件，具有响应频率快、可循环寿命长，但价格偏高导致无法大规模装备的特点；相比之下，锂电池作为一种能量型储能器件，具有功率密度高、充放电容量大、价格相对低廉的特点；因此，由超级电容-锂电池组成的混合储能系统实现两种类型储能的运行性能以及经济性优势互补。
4.考虑混合储能运营商参与调频辅助服务市场时，由于运营商容量相比于传统机组较小以至于不足以影响市场价格，只作为价格接受者申报次日调频容量；然而，调频预测曲线与次日实时调频曲线相比存在一定的不确定性偏差，因此，如何结合超级电容-锂电池混合储能的性能优势，决策最优容量投标方法成为一个研究要点。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混合储能参与调频辅助服务市场的容量投标方法，降低了储能运营商参与日前投标市场的风险系数。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种混合储能参与调频辅助服务市场的容量投标方法，包括以下步骤：
8.s1、混合储能运营商获取电网调度中心下发的次日调频指令预测信号s；
9.s2、通过引入vmd-st-qf分频算法，将原始信号s解耦为高频分量s
hf
与低频分量s
lf
两部分；
10.s3、将高频分量s
hf
配置给功率型储能超级电容，并将低频分量s
lf
配置给容量型储能锂电池；
11.s4、建立超级电容-锂电池混合储能日前容量最优投标的目标函数以及约束条件模型；
12.s5、在s4的基础上，进一步考虑调频预测信号的不确定性波动，引入条件风险价值改进优化模型的目标函数。
13.进一步地，调频信号s为归一化后的指令，即s(i)∈[-1,1]，其中，s(i)表示第i个时刻的调频指令：-1表示要求调频组件以最大功率吸收电网能量，1表示要求调频组件以最大功率注入电网能量。
[0014]
进一步地，解耦后的调频信号配置给超级电容-锂电池混合储能系统后，超级电容与锂电池分别进行独立优化配置，并对优化得出的调频容量申报结果联合上报。
[0015]
进一步地，所述s4中的目标函数包括调频容量收益调频里程收益以及储能元件的老化成本折算并且
[0016]
进一步地，调频收益计算过程为：
[0017][0018][0019]
其中，表示储能的调频容量性能指标；表示储能调频里程性能指标；c
es
表示储能调频容量；m
es
表示储能调频里程；pc表示储能单位调频容量价格；pm表示储能单位调频里程价格；
[0020][0021][0022][0023][0024]
其中，表示相关性分析指标，用以衡量在性能考核时间段内储能响应曲线r
es
与指令曲线s
es
之间的相关性；表示延时指标，用以衡量在性能考核时间段t
access
内，储能出力达到指令要求的延时比率，δ
es
表示延时时长；表示精确度指标，用以衡量在性能考核时间段内储能响应的精确度，n表示考核时间段内的调频指令点数，v
es
表示储能一个调度周期内的调频指令绝对值的平均值；k1、k2、k3为各个指标的加权系数。
[0025]
进一步地，将混合储能的老化成本做线性化处理，折算至每一次充放电过程，所述老化成本折算的计算过程为：
[0026][0027]
其中，为老化成本损失系数记，为决策全周期过程中的老化损失记；为储能充放电效率；δti为决策周期间隔时长；为固定老化成本系数，其计算方法如下：
[0028]
[0029][0030][0031][0032][0033]
其中，表示经贴现率折算后储能固定投资成本；表示储能全寿命周期运行维护成本；表示储能达到使用寿命年限后的可回收利用成本；为储能系统额定容量；l
es
表示储能可运行年限；为储能全寿命周期内的总放电量；表示储能系统额定功率；表示储能单位容量成本系数；表示储能单位功率成本系数；表示储能运行维护系数；ir表示贴现率；id表示通货膨胀率；k
rec
表示储能可回收利用系数；为储能设备所允许的最大荷电状态；为储能设备所允许的最小荷电状态；为储能系统充放电介于区间内的总循环次数。
[0034]
进一步地，所述约束条件包括：储能充放电约束、储能设备荷电状态约束、锂电池倍率性能约束、调频服务性能约束以及最大投标容量约束；
[0035]
其中，储能的充放电约束为：
[0036][0037]
其中，es为超级电容或者锂电池，为0-1变量，表示储能设备在第i个决策时段是充电还是放电；
[0038]
储能设备荷电状态(soc)约束为：
[0039][0040]
其中，soc
es
(i)为储能的实时荷电状态，为最小放电极限，和为最大充电极限；
[0041]
锂电池倍率性能约束为：
[0042][0043]
cb表示锂电池倍率性能；ib表示锂电池的额定充放电电流；cn表示锂电池的电池安时容量。
[0044]
调频服务性能约束为：
[0045][0046]
其中，以及分别表示参与调频辅助服务市场的储能运营商需在第j个考核周期内的响应时间、响应可持续时间以及可调用频率指标；
[0047]
最大投标容量约束为：
[0048][0049]
此处假设参与调频辅助市场服务的混合储能运营商在整个调频市场中容量很小，不足以影响市场出清价格，将混合储能运营商视为价格接受者；因此，引入投标调频容量的最大限值约束。
[0050]
进一步地，在所述s5中，条件风险价值表示在一定置信水平β下的损失值，因此，将条件风险价值中的损失函数定义为负的调频净收益-fr(p
t
,ξ)，则改进后的基于条件风险价值的混合储能参与调频辅助服务市场的容量申报优化目标为：
[0051][0052]
其中，α表示某一预先设定的损失水平，β表示置信水平，ξ表示调频信号的n个采样，pn为依据历史调频信号统计输出得出的密度函数，p
t
为决策变量。
[0053]
本发明的有益效果：1)考虑到作为功率型储能元件的超级电容器更适合响应调频信号中的高频波形分量，而作为容量型储能元件的锂电池则在响应调频信号低频波动时展现优越性能。因此，将vmd-st-qf分频算法引入到调频指令预测信号解耦为高低频分量的过程中，并将分解所得的高频分量与低频分量分别配置给超级电容与锂电池系统，以此充分发挥超级电容-锂电池混合储能系统的本身性能，有助于最大化储能运营商的经济收益。
[0054]
2)构建以储能运营商经济效益最大化为导向的优化目标函数，充分考虑储能参与调频辅助服务市场的调频容量收益、里程收益以及老化成本。综合储能本身物理性能约束以及参与调频市场的性能指标约束，构建优化模型的约束条件集合。
[0055]
3)考虑到日内实时调频指令相比于日前调频指令预测曲线会做一定的调整导致
了调频指令的不确定性，引入条件风险价值(conditional value at risk，cvar)改进优化模型目标函数，降低了储能运营商参与日前投标市场的风险系数。
附图说明
[0056]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0057]
图1是本发明提供的一种混合储能参与调频辅助服务市场的容量投标方法流程图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
如图1所示，一种混合储能参与调频辅助服务市场的容量投标方法包括以下步骤：
[0060]
s1、混合储能运营商获取电网调度中心下发的次日调频指令预测信号s；
[0061]
其中，信号采样时间间隔为t0，总周期为t0，总采样点数为n＝t0/t0；调频信号s为归一化后的指令，即s(i)∈[-1,1]，其中，s(i)表示第i个时刻的调频指令：-1表示要求调频组件以最大功率吸收电网能量，1表示要求调频组件以最大功率注入电网能量。
[0062]
s2、将所获取的调频指令预测信号s，通过引入vmd-st-qf分频算法
[1]
，将原始信号s解耦为高频分量s
hf
与低频分量s
lf
两部分。
[0063]
s3、将高频分量s
hf
配置给功率型储能超级电容，并将低频分量s
lf
配置给容量型储能锂电池。
[0064]
s4、根据s3完成的预测调频信号s的解耦分配结果，建立超级电容-锂电池混合储能日前容量最优投标的目标函数以及约束条件模型；解耦后的调频信号配置给超级电容-锂电池混合储能系统后，超级电容与锂电池分别进行独立优化配置，并对优化得出的调频容量申报结果联合上报；
[0065]
目标函数主要包括调频容量收益调频里程收益以及储能元件的老化成本折算并且
[0066]
说明：由于调频曲线高低频分量解耦，超级电容与锂电池可以分别独立优化，因此，采用下标es表示超级电容或者锂电池参数。
[0067]
其中，调频收益计算过程为：
[0068][0069][0070]
其中，表示储能的调频容量性能指标；表示储能调频里程性能指标；c
es
表示储能调频容量；m
es
表示储能调频里程；pc表示储能单位调频容量价格；pm表示储能单位调频里程价格。
[0071]
性能指标的计算过程为：
[0072][0073][0074][0075][0076]
其中，表示相关性分析指标，用以衡量在性能考核时间段内储能响应曲线r
es
与指令曲线s
es
之间的相关性；表示延时指标，用以衡量在性能考核时间段t
access
内，储能出力达到指令要求的延时比率，δ
es
表示延时时长；表示精确度指标，用以衡量在性能考核时间段内储能响应的精确度，n表示考核时间段内的调频指令点数，v
es
表示储能一个调度周期内的调频指令绝对值的平均值；k1、k2、k3为各个指标的加权系数。
[0077]
老化成本折算的计算过程为：
[0078]
综合混合储能参与调频市场的充放电量以及循环次数，将混合储能的老化成本做线性化处理，折算至每一次充放电过程，老化成本损失系数记为决策全周期过程中的老化损失记为
[0079][0080]
其中，为储能充放电效率；δti为决策周期间隔时长；为固定老化成本系数，其计算方法如下：
[0081][0082][0083][0084][0085]
[0086]
其中，表示经贴现率折算后储能固定投资成本；表示储能全寿命周期运行维护成本；表示储能达到使用寿命年限后的可回收利用成本；为储能系统额定容量；l
es
表示储能可运行年限；为储能全寿命周期内的总放电量；表示储能系统额定功率；表示储能单位容量成本系数；表示储能单位功率成本系数；表示储能运行维护系数；ir表示贴现率；id表示通货膨胀率；k
rec
表示储能可回收利用系数；为储能设备所允许的最大荷电状态；为储能设备所允许的最小荷电状态；为储能系统充放电介于区间内的总循环次数。
[0087]
约束条件综合考虑超级电容-锂电池混合储能系统的物理约束，包括：储能充放电约束、储能设备荷电状态约束、锂电池倍率性能约束、调频服务性能约束以及最大投标容量约束；(说明：与目标函数构建过程一致，由于超级电容与锂电池独立优化，下标es表示超级电容和锂电池的公共约束)；
[0088]
1)储能的充放电约束条件：
[0089]
储能设备在运行过程中，其充放电功率幅值不得超过设备的预设额定值；这样可以避免因过大的充放电流造成的设备损坏和寿命折损；构建储能的充放电约束条件如下：
[0090][0091]
其中，es为超级电容或者锂电池，为0-1变量，表示储能设备在第i个决策时段是充电还是放电。
[0092]
2)储能设备荷电状态约束：
[0093]
在每个调度周期始末储能系统的荷电状态(soc)应保持一致，以此保证设备长期连续运行；同时，还需要保证储能的soc在任何时刻都必须控制在最小放电极限和最大充电极限之间；构建的soc约束表达式如下：
[0094][0095]
其中，soc
es
(i)为储能的实时荷电状态。
[0096]
3)锂电池倍率性能约束：
[0097]
由于充放电在电池的两极发生反应，电池的循环寿命直接受到充放电频次影响；
相比之下，超级电容的充放电过程不涉及化学反应，所以充放电的频次对超级电容的循环寿命影响很小；构建锂电池的倍率性能约束如下：
[0098][0099]
cb表示锂电池倍率性能；ib表示锂电池的额定充放电电流；cn表示锂电池的电池安时容量。
[0100]
4)频服务性能约束：
[0101]
调频辅助服务市场会周期性考核储能系统参与调频辅助服务市场行为的性能指标；因此，参与调频辅助服务市场的储能运营商需在第j个考核周期内的响应时间响应可持续时间以及可调用频率指标满足指标要求；同时，储能的调频容量和调频里程也要达到一定的考核要求，以保证可以继续参与市场行为；
[0102][0103]
5)最大投标容量约束：
[0104]
此处假设参与调频辅助市场服务的混合储能运营商在整个调频市场中容量很小，不足以影响市场出清价格，将混合储能运营商视为价格接受者；因此，引入投标调频容量的最大限值约束；
[0105][0106]
s5、根据s4所建立的混合储能参与调频辅助服务市场的容量最优投标优化模型，进一步考虑调频预测信号的不确定性波动，引入条件风险价值(cvar)改进优化模型的目标函数；
[0107]
调频辅助服务市场中，混合储能容量投标决策的主要数据基础是日前调频信号的预测数据s，考虑到日前预测数据相比于次日实时市场存在一定偏差，引入条件风险价值(conditional value at risk，cvar)保证储能运营商参与调频市场时的不确定性导致的风险损失，可以在保障一定水平收益的前提下具备一定的风险规避能力；
[0108]
条件风险价值(cvar)表示在一定置信水平β下的损失值，因此，将cvar中的损失函数定义为负的调频净收益-fr(p
t
,ξ)，则改进后的基于cvar的混合储能参与调频辅助服务市场的容量申报优化目标为：
[0109][0110]
其中，α表示某一预先设定的损失水平，β表示置信水平，ξ表示调频信号的n个采
样，pn为依据历史调频信号统计输出得出的密度函数，p
t
为决策变量。
[0111]
注：[1]rongchuan tang,qingshan xu,jicheng fang,et cl.optimal configuration strategy of hybrid energy storage system on industrial load side based on frequency division algorithm.journal ofenergy storage.vol:50,2022.
[0112]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0113]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。