本发明涉及储能调频领域，是一种面向电网agc调频的储能收益计算方法。
背景技术
当今世界能源消耗日益增加，环境污染问题愈发突出，制约着世界经济与社会可持续发展。新能源具有开发成本较低、环保性的优势，近年来，我国大力发展新能源发电项目，与此同时，新能源功率的随机性和波动性，使其大规模接入增加了电网功率平衡的难度，进而影响电网的频率稳定。随着电网中新能源渗透率的需求增加，给电网带来的频率调节问题愈加严重。
储能系统在电力系统调频方面较传统调频机组可快速、精确响应电网调度指令，具有良好的调频响应特性，被认为是减小频率稳定性问题的有效手段。研究表明电池储能系统(batteryenergystoragesystem，bess)能够快速地调节有功功率，补偿功率不平衡量，具有充放电的转换效率高、建设所需时间短、建设地址受限约束少的特点。为鼓励电储能辅助服务的发展，我国政府出台了一些指导性文件，国家能源局针对“三北”地区高弃风率等问题于2016年6月出台了电储能辅助服务补偿的试点文件，促进发电侧和用电侧储能参与调峰调频的积极性。山西能源监管办也在2017年11月发布了《关于鼓励电储能参与山西省调峰调频辅助服务有关事项的通知》(晋监能市场〔2017〕156号)，鼓励电储能参与电网辅助服务。但由于现阶段的调频辅助服务的奖惩机制中未能对储能调频响应的快速和精确性给予合理的奖励，导致储能调频收益较低，缺乏投资储能的积极性，因此，研究制定合理的储能调频收益计算方法具有很大的意义。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，从储能调频经济性角度出发，提出了一种面向电力系统agc调频的储能收益计算方法。该方法综合考虑电力系统及储能系统整体利益，建立电池储能系统参与电力系统agc调频的经济模型，提高了电池储能系统辅助电网调频的经济效益。
解决其技术问题采用的技术方案是，一种电池储能响应电网agc调频收益的计算方法，其特征是，它包括建立电池储能系统参与电网辅助调频的经济模型，综合考虑电力系统及储能系统整体利益，研究计算各种常用的调频储能应用于辅助电网调频的经济效益，并对储能的功率/容量配置与经济性的关系进行分析，具体步骤是：
1)参与agc调频电池储能类型的选取
电力系统的频率调节主要是由一次调频和二次调频来保证电网频率的稳定，其中一次调频为机组调速器及负荷特性吸收电网高频低幅的负荷波动以减少频率波动，调节时间为秒级至分钟级且为有差调节；二次调频为agc控制调频机组响应调频指令以平抑区域控制偏差，主要应对波动幅度较大的负荷波动，调节的时间为分钟级且为无差调节；电网一、二次调频指令中充电和放电的时间较短，二者之间转换较为频繁，因此需要根据电网调频的特性选择能够满足调频要求的电池储能类型；
应用于辅助电网频率调节的电池储能系统应具有较大的功率输出且能快速、精确的跟踪电网调频指令充放电动作，此外电池的成本、转换效率、循环使用寿命及安全性也是选择电池储能类型的重要因素，目前常用的储能系统包括：磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、钠硫电池、全钒液流电池，大规模应用于电力系统中时各有优缺点，其中磷酸铁锂电池充放电效率高、技术成熟，是目前应用较广的调频电池储能系统，但其较低的循环寿命及高额的成本成为现阶段限制磷酸铁锂电池大规模应用的主要瓶颈；钛酸锂电池不易燃不易爆，具有极高的安全性但其建造成本高昂，高额的投资成本限制了它的大规模发展；钠硫电池充放电过程中需要高温溶解钠硫，控制不当可能会造成电池自燃自爆，安全性较低；全钒液流电池工作在5℃～45℃之间，循环寿命长但其能量密度低、占地面积大；不同类型的电池储能适用不同的应用场景，因此需要建立储能系统参与电网辅助调频的经济模型，计算对比分析各种常用的调频储能应用于辅助电网调频的综合效益，选取经济效益较好的储能类型；
2)电池储能参与agc调频的经济模型建立
对于电池储能响应电网agc调频综合收益包括储能系统调频的辅助电量收益、环境回收收益及投资建设成本、运行维护成本、惩罚成本，则储能系统的综合收益由(1)式计算：
s(e)＝eene(e)+b0(e)-cinv-cope-mai-cpun(1)
式中，s(e)为储能系统的综合收益，元；e为储能系统的容量配置，mw·h；cinv为储能系统的投资建设成本，元；cope-mai为储能系统的运行维护成本，元；cpun为储能系统的惩罚成本，元；
储能系统应对电网调频需求的电量效益eene由(2)式计算：
eene＝ce_c×efre_c+ce_d×efre_d+cr_d×er_d(2)
式中，ce_c为储能调频单位充电电量补偿费用，元/(mwh)；efre_c为储能调频的充电电量，mwh；ce_d为储能调频的单位放电电量补偿费用，元/mwh；efre_d为储能调频的放电电量，mwh；er_d为储能荷电状态远离返回区的放电电量，mwh；cr_d为储能荷电状态远离返回区单位放电电量补偿费用，元/mwh；
利用储能系统响应电网调频指令的环境回收收益包括环境效益benv和回收效益bre；环境回收收益b0(e)由(3)式计算：
b0(e)＝bre+benv(3)
环境效益是指储能系统替代其他化石能源发电的节能减排效益和储能系统寿命终止的回收收益，电池储能系统响应电网调频指令的环境效益benv由(4)式计算：
benv＝cf×eenv(4)
式中，cf为火电机组生产单位电能的排放成本，元/mwh；eenv为储能替代火电机组调频电量，mwh；
回收效益主要指对储能系统中的金属材料进行回收的收益，响应电网调频指令的储能系统回收效益bre由(5)式计算：
式中，ρ为电池储能的能重比，t/mwh；nb_cycle为电池循环充放电次数；ei为第i次调频的电量，mwh；erated为储能系统额定容量，mwh；crec为单位质量电池的回收收益，元/t；
电池储能系统的投资建设成本与其所能吞吐的最大功率和容量有关，投资建设成本cinv由(6)式计算：
式中，cinv为电池储能的容量成本，元；erated为电池储能的容量配置，mwh；prated为电池储能系统的额定功率，mw；ce为电池储能的容量价格，元/mwh；cp为电池储能的功率价格，元/mw，ei为第i次调频的电量，nb_cycle为电池循环充放电次数，ti为第i次调频的运行时间，tpcs_life为变流器寿命；
电池储能系统运行维护成本包括运行成本和维护成本；电池的荷电状态处于较低水平时为保证储能系统能够在下个时刻响应调频需求，需对储能系统进行充电，充电费用构成系统的运行成本；另一方面，在运行过程中，为了保证储能系统优良的特性，需要对储能系统进行维护，即储能系统的维护成本，其维护成本主要与储能电池的额定功率有关，可用初始投资的百分比计算；
电池储能系统运行维护成本cope-mai由(7)式计算：
式中，cr_c为电池储能单位充电价格，元/mwh；er_c为储能荷电状态远离返回区的充电电量，mwh；β为维护费用折算为初期功率成本的折算系数；
在储能系统荷电状态处于危险区或返回区时，考虑系统安全约束，无法精确响应电网的agc调频指令，应对其进行一定的惩罚；其中荷电状态处于危险区时的惩罚功率为缺额功率，处于返回区的惩罚功率为调频指令功率；
惩罚成本cpun与响应的缺额功率有关，由(8)式计算：
式中，cdanger为危险区的惩罚价格，元/(mw)；pdanger(i)为第i次调频时荷电状态在危险区的缺额功率，mw；creturn为返回区的惩罚价格，元/mw；preturn(i)为第i次调频时荷电状态在返回区的调频缺额功率，mw。
本发明的一种面向电网agc调频的储能收益计算方法，由于采用参与agc调频储能电池类型的选取和电池储能参与agc调频的经济模型建立，从储能调频经济性角度出发，建立电池储能系统参与电网辅助调频的经济模型，综合考虑电力系统及储能系统整体利益，研究计算各种常用的调频储能应用于辅助电网调频的经济效益，并对储能的功率/容量配置与经济性的关系进行分析等步骤，具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。有助于提升电池储能系统辅助电网调频的经济效益。
附图说明
图1为容量配置与储能调频收益关系示意图；
图2为单位调频电量补偿与容量配置关系示意图。
具体实施方式
下面利用附图和实施例对本发明的一种面向电网agc调频的储能收益计算方法作进一步说明。
本发明的一种电池储能响应电网agc调频收益的计算方法，包括建立电池储能系统参与电网辅助调频的经济模型，综合考虑电力系统及储能系统整体利益，研究计算各种常用的调频储能应用于辅助电网调频的经济效益，并对储能的功率/容量配置与经济性的关系进行分析，具体步骤是：
1)参与agc调频电池储能类型的选取
电力系统的频率调节主要是由一次调频和二次调频来保证电网频率的稳定，其中一次调频为机组调速器及负荷特性吸收电网高频低幅的负荷波动以减少频率波动，调节时间为秒级至分钟级且为有差调节；二次调频为agc控制调频机组响应调频指令以平抑区域控制偏差，主要应对波动幅度较大的负荷波动，调节的时间为分钟级且为无差调节；电网一、二次调频指令中充电和放电的时间较短，二者之间转换较为频繁，因此需要根据电网调频的特性选择能够满足调频要求的电池储能类型；
应用于辅助电网频率调节的电池储能系统应具有较大的功率输出且能快速、精确的跟踪电网调频指令充放电动作，此外电池的成本、转换效率、循环使用寿命及安全性也是选择电池储能类型的重要因素，目前常用的储能系统包括：磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、钠硫电池、全钒液流电池，大规模应用于电力系统中时各有优缺点，其中磷酸铁锂电池充放电效率高、技术成熟，是目前应用较广的调频电池储能系统，但其较低的循环寿命及高额的成本成为现阶段限制磷酸铁锂电池大规模应用的主要瓶颈；钛酸锂电池不易燃不易爆，具有极高的安全性但其建造成本高昂，高额的投资成本限制了它的大规模发展；钠硫电池充放电过程中需要高温溶解钠硫，控制不当可能会造成电池自燃自爆，安全性较低；全钒液流电池工作在5℃～45℃之间，循环寿命长但其能量密度低、占地面积大；不同类型的电池储能适用不同的应用场景，因此需要建立储能系统参与电网辅助调频的经济模型，计算对比分析各种常用的调频储能应用于辅助电网调频的综合效益，选取经济效益较好的储能类型；
2)电池储能参与agc调频的经济模型建立
对于电池储能响应电网agc调频综合收益包括储能系统调频的辅助电量收益、环境回收收益及投资建设成本、运行维护成本、惩罚成本，则储能系统的综合收益由(1)式计算：
s(e)＝eene(e)+b0(e)-cinv-cope-mai-cpun(1)
式中，s(e)为储能系统的综合收益，元；e为储能系统的容量配置，mw·h；cinv为储能系统的投资建设成本，元；cope-mai为储能系统的运行维护成本，元；cpun为储能系统的惩罚成本，元；
储能系统应对电网调频需求的电量效益eene由(2)式计算：
eene＝ce_c×efre_c+ce_d×efre_d+cr_d×er_d(2)
式中，ce_c为储能调频单位充电电量补偿费用，元/(mwh)；efre_c为储能调频的充电电量，mwh；ce_d为储能调频的单位放电电量补偿费用，元/mwh；efre_d为储能调频的放电电量，mwh；er_d为储能荷电状态远离返回区的放电电量，mwh；cr_d为储能荷电状态远离返回区单位放电电量补偿费用，元/mwh；
利用储能系统响应电网调频指令的环境回收收益包括环境效益benv和回收效益bre；环境回收收益b0(e)由(3)式计算：
b0(e)＝bre+benv(3)
环境效益是指储能系统替代其他化石能源发电的节能减排效益和储能系统寿命终止的回收收益，电池储能系统响应电网调频指令的环境效益benv由(4)式计算：
benv＝cf×eenv(4)
式中，cf为火电机组生产单位电能的排放成本，元/mwh；eenv为储能替代火电机组调频电量，mwh；
回收效益主要指对储能系统中的金属材料进行回收的收益，响应电网调频指令的储能系统回收效益bre由(5)式计算：
式中，ρ为电池储能的能重比，t/mwh；nb_cycle为电池循环充放电次数；ei为第i次调频的电量，mwh；erated为储能系统额定容量，mwh；crec为单位质量电池的回收收益，元/t；
电池储能系统的投资建设成本与其所能吞吐的最大功率和容量有关，投资建设成本cinv由(6)式计算：
式中，cinv为电池储能的容量成本，元；erated为电池储能的容量配置，mwh；prated为电池储能系统的额定功率，mw；ce为电池储能的容量价格，元/mwh；cp为电池储能的功率价格，元/mw，ei为第i次调频的电量，nb_cycle为电池循环充放电次数，ti为第i次调频的运行时间，tpcs_life为变流器寿命；
电池储能系统运行维护成本包括运行成本和维护成本；电池的荷电状态处于较低水平时为保证储能系统能够在下个时刻响应调频需求，需对储能系统进行充电，充电费用构成系统的运行成本；另一方面，在运行过程中，为了保证储能系统优良的特性，需要对储能系统进行维护，即储能系统的维护成本，其维护成本主要与储能电池的额定功率有关，可用初始投资的百分比计算；
电池储能系统运行维护成本cope-mai由(7)式计算：
式中，cr_c为电池储能单位充电价格，元/mwh；er_c为储能荷电状态远离返回区的充电电量，mwh；β为维护费用折算为初期功率成本的折算系数；
在储能系统荷电状态处于危险区或返回区时，考虑系统安全约束，无法精确响应电网的agc调频指令，应对其进行一定的惩罚；其中荷电状态处于危险区时的惩罚功率为缺额功率，处于返回区的惩罚功率为调频指令功率；
惩罚成本cpun与响应的缺额功率有关，由(8)式计算：
式中，cdanger为危险区的惩罚价格，元/(mw)；pdanger(i)为第i次调频时荷电状态在危险区的缺额功率，mw；creturn为返回区的惩罚价格，元/mw；preturn(i)为第i次调频时荷电状态在返回区的调频缺额功率，mw。
本实施例采用东北某电网一个月的agc数据，基于所建立储能系统参与电网辅助调频的经济模型，进行频率仿真计算，并利用表2响应电网agc调频指令仿真参数计算100mw/50wmh不同类型的电池储能系统配置的调频经济性，选取一种经济性较好的电池储能类型，对不同功率/容量配置组合与经济性的关系进行分析。
表2
实施例计算说明如下：
1)储能调频单位充电电量补偿费用ce_c按500元/mw.h计算；
2)储能调频单位放电电量补偿费用ce_d按760元/mw.h计算；
3)储能系统的环境效益cf按230元/mw.h计算；
4)储能荷电状态远离返回区单位放电电量补偿费用cr_d按600元/mw.h计算；
5)电池储能单位充电价格cr_c按500元/mw.h计算；
6)单位质量电池的回收收益crec按3400元/t计算；
7)危险区的惩罚价格cdanger按50元/mw.h计算；
8)维护费用折算为初期功率成本的折算系数β按0.13计算；
9)变流器寿命tpcs_life按5年计算；
10)返回区的惩罚价格creturn按100元/mw计算；
11)假设磷酸铁锂电池、钛酸锂电池、钠硫电池、全钒液流电池储能介质的功率、容量等级都能够满足调频需求，各储能介质的充放电效率、循环寿命、功率成本、容量成本及运行费用见表1。
表1
在上述计算条件下，应用本发明方法对用储能参与调频辅助服务收益计算的结果如下：
1.调频储能的选择
首先由表1中不同储能类型的功率成本、容量成本折算为元/mw·次、元/mw·h·次以及元/mw·h·次及循环寿命按区间平均值计算(各类型的电池储能系统的充放电效率取其上限值)，然后计算出各储能电量效益、其它效益、投资建设成本、运行维护成本以及储能系统惩罚成本，各储能的总收益及投资成本计算的结果如表3所示。
表3
由表3可以看出，磷酸铁锂电池的总收益最高为-91.6万元，全钒液流电池的总收益最小为-2184.9万元，电池储能系统中投资建设成本最高的为全钒液流电池，达到了3036.3万元。在现阶段的价格参数下磷酸铁锂电池储能应用于电网调频应用时经济性较好，故选取磷酸铁锂电池储能，其运行过程中各部分的调频电量及收益情况如表4所示。
表4
由表4可以看出，储能系统参与调频的充电电量与放电电量基本相当，由于调频过程中的单位充电电价参考平时售电价格，单位放电电价参考峰时电价，因此调频放电电量虽小于充电电量，但其收益大于充电收益。容量限制造成的恢复电量约为1.18gwh，占整个调频电量的4.65％，此配置下储能系统的利用率较高，容量限制对调频的影响较小。储能系统成本中投资建设及维护成本为1198.8万元，约占总成本的58.8％，可以看出投资建设成本是影响电池储能调频应用经济性的重要因素。惩罚功率较大，造成惩罚成本处于较高水平，占总成本的39.6％，该储能系统的配置对电网调频性能的提升仍有一定的制约，改变电池储能的配置，可大幅提高电网的调频控制性能。
储能系统应用于电网调频替代了部分调频的火电机组，起到了一定的节能减排的作用。为了鼓励储能系统在电网调频的应用，可适当给予储能系统一定的调频补偿。计算可得，能使磷酸铁锂电池储能调频应用时收支平衡的调频电量补偿为0.036元/kwh。
参照图1，可以看出整体上在图的右下角区域经济性最优。储能系统的配置容量一定时，在功率配置较小时，调频收益随着功率的增加而迅速增大，在达到某一定值时开始收益减小。在满足一定的调频效果约束下，电池储能系统选择大容量小功率配置组合经济性较好。
参照图2，为仿真计算不同容量和功率下储能系统参与电网调频的收支平衡所需的单位调频电量补偿，可以看出随着储能功率的增大，储能响应agc调频所需的单位调频补偿越多；相反随着储能容量的增大，所需的单位调频补偿越少。这是由于储能系统容量的增大，储能调频过程中所受的容量约束越小，从而惩罚成本也随之减少，使的综合收益得到提高。
本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。