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📋📋📋本文目录如下：🎁🎁🎁

💥1 概述

考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法研究

摘要

规模间歇电源并网引起的电网频率问题，导致对引入储能辅助调频的研究越发迫切。提出一种考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法。阐述了储能电池功率和容量设计的通用方法；通过分析储能电池在调频运行过程中的成本和效益，基于全寿命周期理论，运用净现值法结合仿真模型构建储能电池参与一次调频的技术经济模型；设计了一种储能电池参与一次调频的充放电策略，在此基础上，考虑受风电出力波动影响的电网综合负荷，从与之对应的电网频率信号波动特性出发，在确定的电网调频及储能电池运行要求约束下，得出调频效果最优、经济性最优以及两者综合最优目标下的储能电池容量配置方案。仿真结果表明了该方法的合理性及有效性。本研究有助于推动储能电池在辅助调频服务上的示范与工程化应用。

关键词

储能电池；一次调频；成本—效益；容量配置；

引言

随着风电、光伏等间歇式新能源的大规模并网，其出力的随机性、波动性和间歇性特征显著增加了电网频率调节的难度，传统火电等调频电源的调节能力已难以满足电网频率稳定运行的需求，频率偏差超标、调节品质下降等问题日益突出，严重威胁电网安全稳定运行。一次调频作为电网频率稳定的第一道防线，其响应速度和调节精度直接决定了电网频率的稳定性，因此，引入新型调节资源辅助一次调频已成为当前电力系统发展的必然趋势。

储能电池具有响应速度快、充放电调节灵活、能量密度高、循环寿命长等优势，能够快速跟踪电网频率变化，弥补传统调频电源响应滞后的不足，成为辅助电网一次调频的理想选择。然而，储能电池的容量配置直接影响其调频效果和经济性，容量配置过大将导致投资成本过高、资源浪费，容量配置过小则无法满足调频需求，影响电网频率稳定。因此，如何结合储能电池的技术特性和经济成本，构建科学合理的技术经济模型，实现储能电池参与一次调频的最优容量配置，成为当前亟待解决的关键问题。

目前，国内外学者针对储能参与一次调频的容量配置问题开展了大量研究，主要集中在调频策略设计、容量配置模型构建等方面。部分研究仅关注调频技术效果，未充分考虑储能运行的经济性，导致配置方案实用性不足；另有研究侧重经济成本分析，忽视了调频精度、响应速度等技术指标的约束，难以保证电网调频需求。基于此，本文提出一种考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法，兼顾调频技术效果与经济性，通过构建全寿命周期内的技术经济模型，结合充放电策略和电网负荷特性，确定最优容量配置方案，为储能电池在一次调频领域的工程化应用提供理论支撑和技术参考。

储能电池参与一次调频的方法

电网一次调频的核心是当电网负荷或电源出力发生突变时，通过调节电源出力或负荷吸收功率，快速抑制频率波动，使电网频率恢复至额定值附近。传统一次调频主要依靠火电、水电等同步发电机组的功频特性，通过机组自身的调速系统实现出力自动调节，但存在响应速度慢、调节精度有限、爬坡能力不足等问题，难以适应间歇式新能源并网后电网频率的快速波动需求。

储能电池参与一次调频的核心思路是模拟传统同步发电机组的下垂特性，建立频率增量与储能电池出力之间的对应关系，实现对电网频率波动的快速响应和精准调节。在图1中，当负荷突然增加时，负荷频率特性曲线将由L1(Δf)移至L2(Δf)，由传统电源的功频曲线G(Δf)可知其会自动增加出力，以阻止频率进一步下降，电网运行点将由稳定运行点a移至b点，对应的频率偏差从0下降至Δf1(其为负值)。此时，利用储能电池模拟传统电源的下垂特性以实现参与一次调频，通过设置储能电池的虚拟单位调节功率KE，对应储能电池的出力为如图1所示的PE值。

电网中的传统电源功率或负荷发生变化时，必然会引起电网频率的变化。当电网供电大于负荷需求时，电网频率会上升，依图1可知此时应控制储能电池从电网吸收功率，将多余的电能储存起来，减少电网功率盈余，抑制频率进一步上升；当电网供电小于负荷需求时，电网频率会下降，此时应控制储能电池释放功率至电网，补充电网功率缺口，阻止频率持续下降。通过这种充放电调节，储能电池能够快速响应电网频率波动，配合传统调频电源，提升电网一次调频的整体性能。

在储能参与一次调频的方法确定的基础上，通过模拟传统电源的下垂特性，即建立起频率增量与储能出力的内在联系，实现储能参与一次调频；然后结合仿真模型(其中的阻容元件体现了储能在运行过程中的能量损耗)，并计及功率转换系统PCS(包括DC-DC和DC-AC变换器)，进而形成储能参与电网调频的物理特性模型。该模型能够准确反映储能电池在调频过程中的出力特性、能量损耗以及PCS的转换效率，为后续技术经济模型构建和容量配置提供可靠的技术基础。

储能电池功率与容量设计的通用方法

储能电池参与一次调频的容量配置主要包括功率容量和能量容量两个核心参数，功率容量决定了储能电池的最大调节能力，能量容量决定了储能电池持续调节的时间，两者的合理设计是保证调频效果和经济性的前提。本文结合一次调频的运行需求，提出储能电池功率和容量设计的通用方法，兼顾技术可行性和经济合理性。

功率容量的设计主要基于电网一次调频的最大功率需求。电网一次调频的功率需求主要取决于负荷突变幅度、传统电源的调节能力以及新能源出力波动幅度。首先，通过分析电网历史运行数据，统计负荷突变的最大幅值、新能源出力的最大波动量，确定电网一次调频所需的最大调节功率；其次，考虑储能电池的响应速度和调节精度，预留一定的功率冗余，以应对突发的频率波动；最后，结合功率转换系统PCS的转换效率，确定储能电池的功率容量。一般而言，储能电池的功率容量应不小于电网一次调频最大调节功率与PCS转换效率的比值，同时需满足储能电池自身的充放电功率限制。

能量容量的设计主要基于储能电池持续参与一次调频的时间需求。一次调频的持续时间取决于负荷突变后的恢复时间、传统电源的爬坡速度以及新能源出力波动的持续时间。首先，根据电网运行经验，确定一次调频的最长持续时间，通常为几分钟至十几分钟；其次，结合储能电池的功率容量和充放电深度，计算所需的能量容量，能量容量等于功率容量与持续调节时间的乘积，同时需考虑储能电池的能量损耗；最后，结合储能电池的循环寿命和充放电特性，合理确定充放电深度，避免过度充放电影响储能电池的使用寿命，进而优化能量容量设计。

此外，在功率和容量设计过程中，还需考虑储能电池的运行环境、温度适应性、安全性等技术约束，以及投资成本、运维成本等经济因素，确保设计方案既能够满足电网一次调频的技术需求，又具有良好的经济性。

储能电池参与一次调频的技术经济模型构建

2.1 模型构建基础

本文基于全寿命周期理论构建储能电池参与一次调频的技术经济模型，全寿命周期理论能够全面考虑储能电池从投资建设、运行维护到报废回收的整个生命周期内的成本和效益，避免仅考虑初始投资而忽视运行维护成本和收益的局限性，确保模型的科学性和合理性。

技术经济模型的构建以净现值法为核心，净现值法能够将全寿命周期内的现金流入和现金流出折算到同一时间点，直观反映储能电池参与一次调频的经济可行性，通过计算净现值的大小，判断容量配置方案的经济性。同时，结合前文构建的储能参与电网调频的物理特性模型，将技术约束融入经济模型中，实现技术效果与经济性的有机结合。

2.2 全寿命周期成本分析

储能电池参与一次调频的全寿命周期成本主要包括初始投资成本、运行维护成本、能量损耗成本和报废回收成本四部分，各成本构成如下：

初始投资成本是储能电池投入运行前的一次性成本，主要包括储能电池本体成本、功率转换系统PCS成本、安装调试成本以及配套设施成本。其中，储能电池本体成本占初始投资成本的比例最大，与储能电池的功率容量、能量容量以及电池类型密切相关；PCS成本与储能电池的功率容量成正比，主要取决于PCS的转换效率和制造工艺；安装调试成本和配套设施成本根据工程实际情况确定，包括场地建设、电缆铺设、监控系统安装等费用。

运行维护成本是储能电池在全寿命周期内正常运行所需的持续性成本，主要包括日常巡检成本、电池维护成本、PCS维护成本以及人工成本。日常巡检成本主要用于定期检查储能电池的运行状态、监控系统的工作情况，及时发现和处理潜在故障；电池维护成本包括电池均衡维护、容量校准、故障维修等费用，随着储能电池运行年限的增加，维护成本会逐渐上升；PCS维护成本主要包括元器件更换、性能检测等费用；人工成本主要用于运维人员的薪酬、培训等。

能量损耗成本是储能电池在充放电运行过程中因能量损耗产生的成本，主要包括电池自身的充放电损耗、PCS的转换损耗以及线路损耗。电池充放电损耗与电池类型、充放电深度、充放电速率密切相关，不同类型的储能电池损耗特性存在差异；PCS转换损耗与转换效率成反比，转换效率越高，损耗越小；线路损耗主要取决于输电线路的电阻和传输功率，损耗量相对较小。

报废回收成本是储能电池达到使用寿命后，进行报废处理和资源回收所需的成本，主要包括拆卸成本、运输成本、回收处理成本等。同时，储能电池报废后可回收部分资源，如电池材料、元器件等，其回收价值可抵扣部分报废回收成本，在成本计算中需予以考虑。

2.3 全寿命周期效益分析

储能电池参与一次调频的全寿命周期效益主要包括调频收益、节煤效益、延缓电网投资效益以及环境效益四部分，各效益构成如下：

调频收益是储能电池参与一次调频获得的直接经济收益，主要来源于电网调频辅助服务市场。目前，电网调频辅助服务采用“两部制”补偿机制，即容量补偿和电量补偿，容量补偿根据储能电池的可用容量支付，电量补偿根据储能电池实际提供的调频电量支付。调频收益的计算与储能电池的容量配置、调频效果、市场价格密切相关，调频效果越好、市场价格越高，调频收益越高。

节煤效益是储能电池参与一次调频后，减少传统火电调频机组的出力调节，从而降低煤炭消耗产生的效益。传统火电机组在调频过程中，为了快速响应频率波动，往往处于低效运行状态，煤炭消耗较高；储能电池快速响应调频需求，能够减少火电机组的调节幅度，使火电机组维持在高效运行区间，降低煤炭消耗，进而产生节煤效益。节煤效益的计算基于火电机组的煤耗率、煤炭价格以及储能电池替代的火电调节电量。

延缓电网投资效益是储能电池通过辅助一次调频，提升电网频率调节能力，减少电网扩容、新增调频电源等投资产生的效益。随着间歇式新能源的大规模并网，电网频率调节压力增大，若不引入储能辅助调频，需新增火电机组或对现有电网进行扩容，投资成本较高；储能电池的投入能够有效缓解电网调频压力，延缓电网投资，降低电网建设成本，产生显著的投资节约效益。

环境效益是储能电池参与一次调频后，减少火电机组煤炭消耗，从而降低污染物排放产生的效益。火电机组燃烧煤炭会产生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等污染物，对环境造成污染；储能电池替代部分火电调频出力，能够减少煤炭消耗，降低污染物排放，改善环境质量，其环境效益可通过污染物减排量和环境治理成本进行量化。

2.4 技术经济模型建立

基于全寿命周期成本和效益分析，结合净现值法，构建储能电池参与一次调频的技术经济模型。净现值(NPV)的计算公式以现金流入与现金流出的现值差额为核心，现金流入主要包括调频收益、节煤效益、延缓电网投资效益、环境效益以及报废回收价值；现金流出主要包括初始投资成本、运行维护成本、能量损耗成本以及报废回收成本。

在模型构建过程中，需融入技术约束条件，主要包括：储能电池的充放电功率约束，即储能电池的实际充放电功率不得超过其额定功率；储能电池的容量约束，即储能电池的剩余电量不得超过额定容量，也不得低于最小允许电量；调频响应速度约束，即储能电池的响应时间需满足电网一次调频的要求；频率调节精度约束，即储能电池参与调频后，电网频率偏差需控制在允许范围内。通过融入这些技术约束，确保容量配置方案既满足经济性要求，又能够达到预期的调频技术效果。

储能电池参与一次调频的充放电策略设计

充放电策略是储能电池参与一次调频的核心，直接影响调频效果和储能电池的使用寿命、经济性。本文结合电网频率波动特性和储能电池的运行特性，设计一种基于频率偏差和电池剩余电量的自适应充放电策略，实现调频效果与储能寿命的协同优化。

充放电策略的设计原则主要包括：快速响应电网频率波动，确保调频精度；合理控制充放电深度，避免过度充放电，延长储能电池使用寿命；优化充放电时机，降低能量损耗，提升经济性；兼顾传统调频电源的调节特性，实现协同调频。

具体充放电策略如下：首先，实时采集电网频率信号，计算频率偏差Δf，判断电网频率的运行状态。当频率偏差Δf≥Δfmax(最大允许频率偏差)时，说明电网供电大于负荷需求，频率偏高，此时控制储能电池进入充电状态，吸收电网多余功率，充电功率根据频率偏差的大小自适应调整，频率偏差越大，充电功率越大，但不超过储能电池的额定充电功率；当频率偏差Δf≤-Δfmax时，说明电网供电小于负荷需求，频率偏低，此时控制储能电池进入放电状态，向电网释放功率，放电功率同样根据频率偏差的大小自适应调整，频率偏差绝对值越大，放电功率越大，但不超过储能电池的额定放电功率；当频率偏差在[-Δfmax, Δfmax]范围内时，储能电池处于待机状态，维持剩余电量在合理区间，随时准备响应频率波动。

同时，充放电策略需考虑储能电池的剩余电量(SOC)约束。当储能电池剩余电量达到额定容量的90%以上时，即使电网频率偏高，也需降低充电功率或停止充电，避免过度充电；当剩余电量低于额定容量的10%以下时，即使电网频率偏低，也需降低放电功率或停止放电，避免过度放电。此外，结合储能电池的循环寿命特性，合理控制充放电速率，避免高频次、大速率的充放电，减少电池损耗，延长使用寿命。

该自适应充放电策略能够根据电网频率波动的实时情况和储能电池的运行状态，灵活调整充放电功率和时机，既能够快速响应一次调频需求，保证调频精度，又能够有效保护储能电池，降低运行成本，为后续容量配置提供可靠的策略支撑。

储能电池容量配置方案研究

4.1 容量配置约束条件

储能电池参与一次调频的容量配置需满足技术约束和经济约束两大条件，确保配置方案的可行性和最优性。

技术约束主要包括：一是频率调节约束，储能电池参与调频后，电网频率偏差需控制在国家规定的允许范围内，确保电网频率稳定；二是响应速度约束，储能电池的响应时间需不超过一次调频的要求，通常要求响应时间在毫秒级至秒级；三是充放电功率约束，储能电池的充放电功率需匹配电网调频的功率需求，同时不超过自身额定功率；四是剩余电量约束，储能电池的剩余电量需维持在合理区间，避免过度充放电；五是使用寿命约束，容量配置方案需保证储能电池在全寿命周期内能够满足调频需求，避免因容量不足导致频繁更换电池。

经济约束主要包括：一是净现值约束，容量配置方案的净现值需大于等于零，确保方案具有经济可行性；二是投资回报约束，投资回报率需达到行业基准投资回报率，满足投资者的收益需求；三是成本约束，全寿命周期成本需控制在预算范围内，避免投资过高。

4.2 容量配置目标函数

本文设定三个容量配置目标，分别为调频效果最优、经济性最优以及两者综合最优，通过构建目标函数，求解不同目标下的最优容量配置方案。

调频效果最优目标函数以电网频率调节精度最高为核心，通过最小化频率偏差的最大值和平均值，实现调频效果最优。频率调节精度越高，说明储能电池的调频能力越强，电网频率越稳定。该目标函数主要考虑频率偏差、响应速度等技术指标，不重点考虑经济性因素。

经济性最优目标函数以全寿命周期净现值最大为核心，通过最大化净现值，实现经济性最优。净现值越大，说明储能电池参与一次调频的经济收益越高，投资回报率越高。该目标函数主要考虑全寿命周期成本和效益，在满足基本技术约束的前提下，追求经济效益最大化。

综合最优目标函数兼顾调频效果和经济性，通过设置权重系数，将调频效果目标和经济性目标进行加权求和，实现两者的协同优化。权重系数可根据电网的实际需求确定，若电网对频率稳定性要求较高，可提高调频效果目标的权重；若更注重经济性，可提高经济性目标的权重。综合最优目标函数能够平衡调频效果和经济性，得到更具实用性的容量配置方案。

4.3 容量配置方案求解

在确定约束条件和目标函数的基础上，结合考虑风电出力波动影响的电网综合负荷，从电网频率信号波动特性出发，求解不同目标下的储能电池容量配置方案。

首先，采集电网历史运行数据，包括负荷数据、风电出力数据、频率数据等，分析风电出力波动对电网综合负荷和频率信号的影响，确定电网一次调频的功率需求和持续时间；其次，结合前文构建的技术经济模型和充放电策略，建立容量配置的优化模型；最后，采用优化算法求解优化模型，得到调频效果最优、经济性最优以及综合最优目标下的储能电池功率容量和能量容量配置方案。

在求解过程中，需充分考虑风电出力的随机性和波动性，通过多次仿真模拟，确保配置方案的鲁棒性，能够适应不同的电网运行场景。同时，对不同目标下的配置方案进行对比分析，明确各方案的优缺点，为实际工程应用提供参考。

仿真分析

5.1 仿真场景设置

为验证本文提出的容量配置方法的合理性和有效性，搭建仿真模型进行仿真分析。仿真场景基于某实际电网区域，该区域接入大规模风电，风电出力波动较大，传统调频电源调节能力不足，存在频率波动超标问题。

仿真参数设置如下：电网额定频率为50Hz，最大允许频率偏差为±0.2Hz；储能电池采用锂电池，额定电压为1000V，循环寿命为3000次，充放电效率为90%；PCS转换效率为95%；全寿命周期为20年，基准折现率为8%；风电出力波动范围为额定出力的±30%；电网综合负荷包括工业负荷、居民负荷和商业负荷，负荷突变最大幅度为10%。

仿真过程中，分别采用本文提出的容量配置方法和传统容量配置方法，求解不同目标下的储能电池容量配置方案，对比分析两种方法的调频效果和经济性，验证本文方法的优越性。

5.2 仿真结果分析

仿真结果表明，本文提出的考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法，能够有效提升电网一次调频效果，同时保证良好的经济性。

在调频效果方面，采用本文方法配置的储能电池，能够快速响应电网频率波动，频率偏差能够稳定控制在±0.2Hz的允许范围内，频率偏差的最大值和平均值均小于传统容量配置方法，调频响应速度更快，调节精度更高。这是因为本文方法结合了电网频率波动特性和储能充放电策略，合理配置了储能容量，能够充分发挥储能电池的快速调节优势，有效抑制频率波动。

在经济性方面，本文方法得到的综合最优容量配置方案，其全寿命周期净现值高于传统容量配置方法，投资回报率达到12%，满足行业基准投资回报率要求。同时，该方案的全寿命周期成本低于调频效果最优方案，且调频效果能够满足电网需求，实现了调频效果与经济性的协同优化。相比之下，传统容量配置方法要么过于注重调频效果，导致投资成本过高，经济性较差；要么过于注重经济性，导致容量不足，调频效果不佳。

此外，仿真结果还表明，本文提出的充放电策略能够有效延长储能电池的使用寿命，减少能量损耗，进一步提升了方案的经济性。同时，该容量配置方法具有良好的鲁棒性，在不同风电出力波动场景下，均能够保证较好的调频效果和经济性，适用于大规模间歇式新能源并网后的电网一次调频场景。

结论与展望

6.1 结论

本文针对规模间歇电源并网引起的电网频率调节问题，提出了一种考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法，通过理论分析和仿真验证，得出以下结论：

1. 储能电池通过模拟传统电源的下垂特性，结合功率转换系统和仿真模型，能够有效参与电网一次调频，快速响应频率波动，弥补传统调频电源的不足，提升电网频率稳定性。

2. 基于全寿命周期理论和净现值法构建的技术经济模型，能够全面考虑储能电池的成本和效益，结合技术约束条件，实现了技术效果与经济性的有机结合，为容量配置提供了科学的理论依据。

3. 设计的基于频率偏差和电池剩余电量的自适应充放电策略，能够灵活调整储能电池的充放电状态，既保证了调频精度，又有效保护了储能电池，延长了使用寿命，降低了运行成本。

4. 仿真结果表明，本文提出的容量配置方法能够得到调频效果最优、经济性最优以及综合最优的储能电池容量配置方案，相比传统方法，具有更好的调频效果和经济性，验证了方法的合理性和有效性。

6.2 展望

本文的研究为储能电池参与一次调频的容量配置提供了一种可行的方法，但仍存在一些不足，未来可从以下几个方面进一步研究：

1. 本文主要考虑了风电出力波动的影响，未来可结合光伏等其他间歇式新能源的出力特性，进一步优化容量配置模型，提高方案的适用性。

2. 本文采用的优化算法较为基础，未来可引入更先进的智能优化算法，提高容量配置方案的求解效率和优化精度。

3. 未来可考虑储能电池与其他调频资源（如虚拟电厂、需求响应）的协同调频，构建多资源协同的容量配置模型，进一步提升电网频率调节能力和经济性。

4. 可结合实际工程案例，对本文提出的容量配置方法进行验证和优化，完善模型参数，推动其在工程化应用中的落地实施。

📚2 运行结果

2.1 数据

2.2 文献结果

然后：基于储能参与一次调频的充放电策略，分别以一次调频效果最优、经济性最优和两者综合最优为目标，对控制变量 QSOC，high、QSOC，low、Pbuy ( 即 σb 、Prated ) 和 Psell ( 即 σs、Prated ) 进行寻优。 

 2.3 复现结果

 

本文基于粒子群算法求解，迭代图如下： 

 

 

输出结果
J1  Qsoc,high  Qsoc,low   P,buy  P,sell  P,rated  Qsoc,rms   E,rated

J1 =

    0.0093


Qsoc_high =

    0.7021


Qsoc_low =

    0.6986


P_buy =

     0


P_sell =

    5.2465


P_rated =

     7


Qsoc_rms =

    0.1149


E_rated =

    2.2400

🎉3 参考文献

部分理论来源于网络，如有侵权请联系删除。

[1]黄际元,李欣然,常敏,黎淑娟,刘卫健.考虑储能电池参与一次调频技术经济模型的容量配置方法[J].电工技术学报,2017,32(21):112-121.DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.l70704.

🌈4 Matlab代码、数据、文章讲解