[發明專利]一種考慮儲能電池循環壽命的電化學儲能電站規劃方法

有效

• 申請號: 202011004679.3
• 申請日: 2020-09-22
• 公開（公告）號: CN112163700B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 劉鋒;張云帆;陳來軍;蘇一帆;高東學;張景超;李程昊
• 申請（專利權）人: 清華大學;國網河南省電力公司電力科學研究院
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/06;G06Q50/06;G01R31/367;G01R31/382
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種考慮儲能電池循環壽命的電化學儲能電站規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)構建電化學儲能電站初始規劃的典型場景集，設置電化學儲能電站的電池初始預期服役壽命，獲取全年風功率曲線和年負荷曲線；具體步驟如下：

1-1)構建電化學儲能電站初始隨機規劃的典型場景集；

依據風電歷史數據，分別選取春、夏、秋、冬四個季節的逆調峰特性最顯著的風功率曲線作為典型風電場景；根據負荷歷史數據，分別選取日負荷總量最大的日負荷曲線和最小的日負荷曲線作為典型負荷場景，其中，日負荷總量最大的日負荷曲線對應大負荷日，日負荷總量最小的日負荷曲線對應小負荷日；則典型場景集D由8個典型日構成，分別是：春季大負荷日、春季小負荷日、夏季大負荷日、夏季小負荷日、秋季大負荷日、秋季小負荷日、冬季大負荷日和冬季小負荷日，D中元素的個數為|D|＝8；

1-2)設置電化學儲能電站的電池初始預期服役壽命為{Y_i}_i∈S，Y_i是以年為計的電化學儲能電站i的儲能電池預期服役壽命，S為待規劃電化學儲能電站的集合；

1-3)獲取全年風功率曲線和全年負荷曲線；

2)構建電化學儲能電站隨機規劃模型并求解；具體步驟如下：

2-1)確定隨機規劃模型的目標函數；

該模型以最小化儲能投資與系統運行的綜合成本為目標函數，其中綜合成本具體包括：儲能投資成本等年值π^BESS，全年棄風調峰懲罰成本π^{WindCurtailment}，全年切負荷調峰懲罰成本π^LoadShedding，以及常規發電機組全年發電成本π^Generation；目標函數表達式如下：

min(π^BESS+π^{WindCurtailment}+π^LoadShedding+π^Generation) (1)

其中，

其中，P_i^BESS和E_i^BESS分別為電化學儲能電站i的功率配置和容量配置；和分別為電化學儲能電站i的電池單位功率造價和單位容量的造價；A_r(Y_i)是電化學儲能電站i的投資成本的等年值折現率，計算表達式如下：

其中I為年折現率；

典型場景下，系統全年棄風調峰成本為：

其中，C^wc為單位棄風對應的懲罰損失；和分別為第d個典型場景下、第t時段的風電場i的實際有功出力和最大有功出力；T為典型場景下總時段集合，D為典型場景集，W為所有風電場的集合；

典型場景下，系統全年切負荷調峰成本為：

其中，為負荷節點i的單位切負荷損失，為負荷節點i在第d個典型場景下、第t時段的切負荷功率，其中為負荷節點i在第d個典型場景下、第t時段的有功負荷需求，為負荷節點i在第d個典型場景下、第t時段的實際有功消耗，N為系統所有母線的集合；

典型場景下，常規發電機組全年發電成本為：

其中，分別為常規發電機i發電成本的二次項系數、一次項系數和常數項系數，為常規發電機i在第d個典型場景下、第t時段的有功出力，G為所有常規發電機組集合；

2-2)確定隨機規劃模型的約束條件，具體如下：

2-2-1)常規發電機組出力上下限約束：

其中分別為常規發電機i的出力下限和上限；

2-2-2)常規發電機組爬坡率約束：

其中，為常規發電機i的爬坡限制；

2-2-3)風電機組出力上限約束：

2-2-4)實際節點負荷的上限約束：

2-2-5)輸電線路功率上限約束：

其中，為支路line∈L有功潮流與常規發電機組i∈G輸出功率之間的傳輸分布因子；為支路line∈L有功潮流與風電場i∈W注入功率之間的傳輸分布因子；為支路line∈L有功潮流與節點i∈N注入功率之間的傳輸分布因子；為支路line∈L有功潮流與電化學儲能電站i∈S輸出功率之間的傳輸分布因子；分別為電化學儲能電站i在第d個典型場景下、第t時段的放電功率和充電功率；為節點i在第d個典型場景下、第t時段的有功負荷；為支路line∈L的有功功率傳輸上限；L為系統中所有線路的集合；

2-2-6)系統有功平衡約束：

2-2-7)電化學儲能電站的額定功率和額定容量約束：

其中，分別為電化學儲能電站i在第d個典型場景下、第t時段的放電功率和充電功率；布爾變量分別為電化學儲能電站i在第d個典型場景下、第t時段的充放電狀態變量；E_i,d(t)為電化學儲能電站i在第d個典型場景下、第t時段的所存能量；μ分別為儲能電池能量上、下限約束因子；

2-2-8)避免電化學儲能電站在同一時段同時充放電約束：

2-2-9)約束式(13)和式(14)中分別含有連續變量與布爾變量相乘的非線性項和按照式(17)和(18)引入連續附輔助變量和對非線性項進行線性化：

則非線性約束式(13)等價于線性約束式(19)-(21)：

其中是電化學儲能電站i的功率配置P_i^BESS的取值范圍；

非線性約束式(14)等價于線性約束式(22)-(24)：

2-2-10)電化學儲能電站多時段間能量耦合約束：

其中，分別為電化學儲能電站i的充、放電效率；

2-2-11)電池能量平衡約束：

其中|T|為典型場景下時段集合T中元素的個數，在式(26)中表示在第d個典型場景下的最后一個時段；

2-3)對如式(1)-(26)所示的隨機規劃模型求解，分別得到P_i^BESS和的最優解并作為對應電化學儲能電站的初始規劃結果；

然后令初始迭代次數k＝1，將P_i^BESS和的最優解構成第k次迭代后電化學儲能電站i的規劃結果其中，P_i^BESS,k為電化學儲能電站i第k次迭代后的功率配置，為電化學儲能電站i第k次迭代后的容量配置；

3)利用步驟2)的結果，對電力系統進行全年日運行模擬，構建電化學儲能電站的能量時序曲線，并計算電化學儲能電站的實際循環壽命；具體步驟如下：

3-1)初始化m＝1，m代表全年運行模擬中的第m日；

3-2)構建第m日的系統實時再調度模型并求解；具體步驟如下：

3-2-1)從步驟1-3)的全年風功率曲線和年負荷曲線中選取出第m日的日風功率曲線和日負荷曲線確定常規發電機組在第m日的每個時段的啟停狀態{uc_i(t)}_i∈G,t∈T∈{0,1}^T，其中uc_i(t)代表常規發電機組i在該日第t時段的開/停機狀態；

3-2-2)構建第m日的系統實時再調度模型并求解；具體步驟如下：

3-2-2-1)構建再調度模型的目標函數，表達式如下：

其中，為風電場i∈W在該日第t時段的實際出力；為節點i∈N在該日第t時段的實際負荷；為常規發電機i∈G在該日第t時段的實際出力；和E_i(t)分別電化學儲能電站i∈S在該日第t時段的充、放電功率和電池能量；

3-2-2-2)確定再調度模型的約束條件，具體如下：

E_i(1)＝E_i(|T|) (38)

其中，為式(34)中右端項約束的拉格朗日乘子，為式(35)中右端項約束的拉格朗日乘子，則為再調度模型對參數P_i^BESS,k的靈敏度；λ_i(t),為約束式(37)的拉格朗日乘子，則為再調度模型對參數的靈敏度3-2-2-3)對如式(27)-(38)所示的再調度模型求解，將拉格朗日乘子λ_i(t)、的最優解分別記為根據的最優解構建電化學儲能電站i在第m日的能量時序曲線，并記為其中代表電化學儲能電站i在第m日第t時段的電池荷電狀態；

3-3)建立儲能循環壽命模型，計算電化學儲能電站電池等效循環壽命；具體步驟如下：

3-3-1)利用雨流計數法將電化學儲能電站i在第m日的能量時序曲線轉化為若干放電深度為的完整循環和若干放電深度為的半循環，其中為時序曲線折合成的完整循環的集合，代表電化學儲能電站i在第m日的第j個完整循環的深度，為時序曲線折合成的半循環的集合，代表電化學儲能電站i在第m日的第j個半循環的深度；

3-3-2)計算電化學儲能電站電池等效循環壽命；

將循環和半循環一同折算為電化學儲能電站i第m日的等效100％循環次數

其中kp_i是電化學儲能電站i的電池循環壽命指數系數；

3-4)令m＝m+1；判定：若m大于365，則得到電化學儲能電站i的實際循環壽命然后進入步驟4)；否則重新返回步驟3-2)；

4)利用電力系統對電化學儲能電站的參數靈敏度判定規劃是否結束；具體步驟如下：

4-1)計算電化學儲能電站的實際服役壽命；

對每一個電化學儲能電站i∈S，基于該電站實際的循環壽命計算該電化學儲能電站以年為計的實際服役壽命：

其中為電化學儲能電站i的電池100％深度總循環次數；

4-2)計算電力系統對電化學儲能電站的參數靈敏度；

基于電化學儲能電站i的實際服役壽命Y_i^rl，計算電力系統對電化學儲能電站i的功率參數P_i^BESS,k的靈敏度

并對進行歸一化處理：

的值在-1到1之間；

基于電化學儲能電站i的實際服役壽命Y_i^rl，計算系統對電化學儲能電站i的容量參數的靈敏度

對進行歸一化處理：

的值在-1到1之間；

4-3)判斷是否對于所有的i∈S，和是否都小于預設誤差容忍度ε：

如果是，則規劃結束，將作為對應待規劃電化學儲能電站最終規劃結果；否則進入步驟5)；

5)對每個待規劃電化學儲能電站第k次迭代后的規劃結果進行調整：

其中α∈(0,1)為調整的步長；

令k＝k+1，然后重新返回步驟3)。