👨‍🎓个人主页

💥💥💞💞欢迎来到本博客❤️❤️💥💥

🏆博主优势：🌞🌞🌞博客内容尽量做到思维缜密，逻辑清晰，为了方便读者。

⛳️座右铭：行百里者，半于九十。

 🎁完整资源、论文复现、期刊合作、论文辅导及科研仿真定制事宜点击：

👉👉👉本文完整资源下载

💥1 概述

1.1 文献来源

                            

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;

1 引言

在“碳达峰、碳中和”目标引领下，风电等间歇式可再生能源的并网规模持续扩大，其出力的随机性、波动性和间歇性特征，导致新型电力系统的惯性显著降低，电网频率波动问题日益突出，严重威胁电力系统的安全稳定运行。一次调频作为维持电网频率稳定的第一道防线，主要依靠常规火电机组响应，但火电机组存在响应速度慢、调节精度有限、爬坡能力不足等固有缺陷，已难以满足高比例新能源并网后电网对调频服务的高质量需求。

储能电池具有响应速度快、调节精度高、可双向充放电、灵活可控等技术优势，能够快速平抑电网功率波动、抑制频率偏差，成为辅助电网一次调频的理想技术手段。然而，储能电池的容量配置直接决定其调频效果和经济可行性，容量配置过大将导致投资成本激增、设备利用率低下，造成资源浪费；容量配置过小则无法满足电网调频需求，难以发挥其辅助调频的作用。因此，如何兼顾调频技术性能与经济合理性，构建科学的容量配置方法，成为推动储能电池在一次调频领域规模化应用的关键问题。

目前，国内外学者针对储能参与一次调频的容量配置开展了大量研究，主要集中在调频控制策略优化、成本效益分析等方面。部分研究侧重技术层面，通过设计自适应调频控制策略提升储能响应性能，但未充分考虑经济成本约束；另有研究聚焦经济层面，通过分析储能全寿命周期成本与收益构建经济模型，但忽视了电网频率波动特性对容量配置的影响，导致配置方案难以实现技术与经济的协同最优。此外，现有研究多未充分考虑风电出力波动对电网综合负荷及频率信号的影响，使得容量配置方案的适用性和针对性不足。

针对上述问题，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。首先阐述储能电池功率与容量的通用设计思路；其次基于全寿命周期理论，结合净现值法构建技术经济模型，全面分析储能调频的成本与效益；然后设计适配一次调频场景的充放电策略，结合风电出力波动下的电网频率特性，在调频约束与运行约束下，求解不同优化目标的容量配置方案；最后通过仿真验证方法的合理性与有效性，为储能电池参与一次调频的工程化应用提供理论支撑和技术参考。

2 储能电池参与一次调频的基础理论与设计方法

2.1 一次调频的核心需求与储能作用机理

一次调频是指当电网频率出现偏差时，并网机组或储能设备自动响应频率变化，调整有功出力，将频率恢复至额定范围的调节过程，其核心需求是快速响应、精准调节，抑制频率偏差扩大，维持电网频率稳定。电网频率偏差主要源于有功功率供需失衡，当风电等间歇电源出力骤降或负荷突然增加时，电网有功功率不足，频率下降；当风电出力骤升或负荷突然减少时，电网有功功率过剩，频率上升。

储能电池参与一次调频的核心作用机理的是利用其快速充放电能力，实时平抑有功功率缺口或盈余：当电网频率低于额定值时，储能电池快速放电，补充有功功率，抑制频率进一步下降；当电网频率高于额定值时，储能电池快速充电，吸收多余有功功率，抑制频率进一步上升。与传统火电机组相比，储能电池无需启动延迟，响应时间可达到毫秒级，能够快速跟踪频率变化，填补火电机组响应滞后的空白，同时可实现精准的功率调节，提升一次调频的整体效果。

需要注意的是，储能电池参与一次调频时，需与火电机组协同工作，避免单一储能设备承担全部调频任务，既保证调频响应速度，又延长储能电池使用寿命。同时，电网频率信号的波动特性与风电出力波动密切相关，风电出力的随机性会导致电网综合负荷出现频繁波动，进而引发频率偏差，这也对储能电池的容量配置提出了更高要求。

2.2 储能电池功率与容量的通用设计方法

储能电池的容量配置主要包括功率配置和能量容量配置两部分，二者相互关联、相互约束，共同决定储能系统的调频性能和运行效率。功率配置主要取决于电网一次调频的最大功率需求，能量容量配置则取决于调频过程中所需的持续调节时间和充放电循环特性。

在功率设计方面，需结合电网调频的功率缺口特性，考虑风电出力波动引发的最大有功功率偏差，同时兼顾储能电池的充放电效率、变换器效率等因素，确保储能电池能够快速提供足够的调节功率，满足一次调频的瞬时响应需求。具体而言，储能电池的额定功率需能够覆盖电网可能出现的最大有功功率缺口，同时预留一定的冗余量，应对极端工况下的频率波动，避免因功率不足导致调频失败。

在能量容量设计方面，需基于一次调频的持续调节需求，结合储能电池的荷电状态约束，计算储能电池所需的最小能量容量。荷电状态是表征储能电池电能存储和释放能力的关键指标，其取值范围需控制在合理区间，避免过充过放导致电池寿命衰减。同时，需考虑储能电池在调频运行中的充放电循环次数，结合电池寿命特性，确保储能系统在全寿命周期内能够稳定发挥调频作用。

此外，储能电池的类型选择也会影响功率与容量的设计，目前磷酸铁锂电池因具有循环寿命长、安全性高、充放电性能优异等特点，成为参与一次调频的主流储能电池类型。在实际设计过程中，需结合电网调频需求、场地条件、成本预算等因素，综合确定储能电池的功率等级和能量容量。

3 储能电池参与一次调频的技术经济模型构建

3.1 技术经济模型的构建原则

储能电池参与一次调频的技术经济模型以全寿命周期理论为基础，兼顾技术性能与经济合理性，核心原则是在满足电网一次调频要求的前提下，实现储能系统全寿命周期内的净收益最大化。构建过程中需重点考虑以下两点：一是技术约束，确保储能系统的容量配置能够满足电网调频的响应速度、调节精度等要求，保障调频效果；二是经济约束，全面核算储能系统的全寿命周期成本与收益，避免因成本过高导致项目不具备可行性。

同时，模型需充分考虑风电出力波动对电网频率及储能运行的影响，结合电网综合负荷特性，使容量配置方案更具针对性和适用性。此外，需采用科学的经济评价方法，量化储能参与一次调频的经济价值，为容量配置优化提供可靠的经济依据。

3.2 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是指储能系统从规划建设、运行维护到报废处置全过程中产生的所有成本，主要包括初始投资成本、运行维护成本、电池更换成本和损耗相关成本四部分，各部分成本的具体构成如下：

初始投资成本是储能系统建设阶段的核心成本，主要包括储能电池本体成本、储能变换器成本、控制系统成本以及场地建设、安装调试等相关费用。其中，储能电池本体成本占初始投资成本的比例最高，其价格波动直接影响整体投资规模；储能变换器作为储能电池与电网连接的关键设备，其成本与功率等级正相关，功率越大，变换器成本越高。

运行维护成本是储能系统在运行过程中产生的持续性成本，主要包括设备日常巡检、故障维修、软件升级、人工管理等费用，同时还包括储能电池充放电过程中的电能损耗成本。需要注意的是，损耗电量引起的输配电价、政府性基金及附加成本不可忽视，此类成本最高可占储能运行成本的20%以上，具体金额需结合当地电力市场政策确定。

电池更换成本是由于储能电池在长期充放电循环过程中性能衰减，达到使用寿命后需要更换电池所产生的成本。储能电池的使用寿命主要取决于充放电循环次数和运行环境，一次调频场景下，储能电池充放电频繁，循环次数较多，需结合电池寿命特性，合理估算全寿命周期内的电池更换次数和更换成本。

损耗相关成本主要包括储能电池充放电过程中的电能损耗、变换器损耗等，此类损耗不仅会增加运行成本，还会影响储能系统的调节效率，需在成本分析中予以量化。

3.3 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直接经济效益和间接经济效益两部分，其中直接经济效益可量化计算，间接经济效益主要体现为对电网安全稳定运行的支撑作用，难以直接量化，但具有重要的现实意义。

直接经济效益主要来自三个方面：一是一次调频辅助服务收益，随着电力市场改革的推进，一次调频已逐渐成为补偿性辅助服务，储能电池作为独立市场主体参与一次调频，可根据中标价格获得相应的调频补偿收益，收益金额与调频响应速度、调节精度、可用容量等因素相关；二是现货电能量市场收益，储能电池可在现货电能量市场中通过充放电套利获取收益，充电时作为市场用户从电网购电，放电时作为发电企业向电网售电，利用峰谷电价差实现收益最大化；三是节煤效益，储能电池辅助火电机组参与一次调频，可减少火电机组的启停次数和负荷调节幅度，降低火电机组的煤耗，进而产生节煤收益。

间接经济效益主要包括：一是提升电网频率稳定性，减少因频率波动导致的电网故障和停电损失，保障电力用户的用电可靠性；二是促进风电等间歇式新能源的消纳，缓解新能源并网对电网的冲击，推动新能源产业的可持续发展；三是延缓电网升级改造的投资，通过储能电池的辅助调节作用，减少电网输变电设备的扩容需求，降低电网建设成本。

3.4 基于净现值法的技术经济模型

本文采用净现值法作为经济评价指标，构建储能电池参与一次调频的技术经济模型，净现值能够全面反映储能系统全寿命周期内的收益与成本差值，直观体现项目的经济可行性。净现值为正，表明项目具有经济可行性；净现值越大，项目的经济效益越好。

在模型构建过程中，首先明确储能系统的全寿命周期，结合储能电池的使用寿命、电网调频需求等因素，确定计算周期；其次，将全寿命周期内的各项成本和收益折算至基准年，计算净现值；最后，结合仿真模型，将技术约束（如调频响应速度、频率偏差控制范围等）与经济约束（如净现值大于等于零）相结合，形成完整的技术经济模型，为后续容量配置优化提供依据。

该模型充分考虑了电力市场规则对储能收益的影响，结合当前独立储能参与现货市场和一次调频市场的政策导向，兼顾了充放电损耗、输配电价等关键因素，能够更准确地反映储能参与一次调频的经济价值，为容量配置提供科学的经济支撑。

4 储能电池参与一次调频的充放电策略与容量配置优化

4.1 储能电池充放电策略设计

充放电策略是影响储能电池调频效果和使用寿命的关键因素，合理的充放电策略能够在保证调频性能的前提下，减少电池损耗，延长电池寿命，提升经济收益。本文设计的储能电池参与一次调频的充放电策略，以电网频率信号波动特性和储能电池荷电状态为核心，结合风电出力波动影响，实现充放电行为的自适应调节。

该充放电策略采用惯性、下垂与趋势相结合的控制思路，根据电网频率偏差、频率变化率和频率加速度，自适应调整储能电池的充放电功率。当电网频率出现偏差时，首先根据频率变化率和频率加速度判断频率波动趋势，确定储能电池的响应方向和初始出力；随后结合下垂控制，根据频率偏差大小调整充放电功率，确保频率快速恢复至额定范围；同时，实时监测储能电池的荷电状态，当荷电状态接近上限时，减少充电功率或停止充电，避免过充；当荷电状态接近下限时，减少放电功率或停止放电，避免过放。

此外，策略中考虑了储能电池的健康状态差异，通过对不同健康状态的电池单元进行分组，合理分配充放电出力，减小健康状态较差单元的动作深度，提高各电池单元健康状态的一致性，延长储能系统的整体使用寿命。同时，结合风电出力波动规律，提前预判功率缺口，优化充放电时机，提升调频响应的及时性和准确性。

4.2 容量配置的约束条件

储能电池的容量配置需满足电网一次调频要求和储能系统自身运行要求，主要包括技术约束和经济约束两大类，具体如下：

技术约束主要包括：一是频率调节约束，储能电池的容量配置需确保电网频率偏差控制在允许范围内，满足一次调频的调节精度要求，抑制频率越限；二是响应速度约束，储能电池的功率配置需满足一次调频的瞬时响应需求，确保在频率波动时能够快速提供调节功率；三是荷电状态约束，储能电池的荷电状态需维持在合理区间，避免过充过放，保障电池安全稳定运行；四是功率约束，储能电池的充放电功率不得超过其额定功率，避免设备损坏。

经济约束主要包括：一是净现值约束，储能系统全寿命周期内的净现值需大于等于零，确保项目具有经济可行性；二是成本约束，初始投资成本、运行维护成本等需控制在合理范围内，避免因成本过高导致项目难以落地；三是收益约束，通过合理配置容量，确保储能系统能够获得稳定的调频收益和现货市场收益，实现收益最大化。

此外，还需考虑风电出力波动的约束，结合风电出力的随机性和波动性，确保储能电池的容量配置能够应对不同工况下的功率波动，保障调频效果的稳定性。

4.3 多目标容量配置方案求解

本文以调频效果最优、经济性最优以及两者综合最优为三个优化目标，在上述约束条件下，求解储能电池的容量配置方案。三个优化目标的具体定义如下：

调频效果最优目标：以电网频率偏差的最大值最小化为核心指标，同时考虑频率恢复时间、调节精度等辅助指标，确保储能电池能够有效抑制频率波动，提升一次调频效果，保障电网频率稳定。该目标主要关注技术性能，不考虑经济成本因素，旨在获得能够满足调频需求的最小容量配置。

经济性最优目标：以储能系统全寿命周期内的净现值最大化为核心指标，同时考虑投资回报率、成本回收周期等辅助指标，确保储能项目具有良好的经济效益。该目标主要关注经济可行性，在满足基本调频要求的前提下，获得能够实现收益最大化的容量配置。

综合最优目标：结合调频效果和经济性，采用加权求和的方式，将两个目标转化为单一目标函数，兼顾技术性能和经济合理性，获得既能满足电网调频需求，又具有良好经济效益的容量配置方案。权重系数可根据电网的实际需求和项目定位进行调整，体现不同场景下的优化侧重点。

在求解过程中，结合风电出力波动数据和电网综合负荷数据，通过仿真模型模拟不同容量配置下的储能运行状态和调频效果，计算各容量配置方案的净现值，最终筛选出三个优化目标下的最优容量配置方案，为实际工程应用提供选择依据。

5 仿真验证与结果分析

5.1 仿真场景与参数设置

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，结合实际电网参数和风电出力数据，开展仿真实验。仿真场景基于含高比例风电的电网系统，选取典型时段的风电出力数据和电网综合负荷数据，模拟风电出力波动引发的电网频率波动，分析储能电池在不同容量配置下的调频效果和经济效益。

仿真参数设置如下：电网额定频率为50Hz，频率允许偏差范围为±0.2Hz；储能电池选用磷酸铁锂电池，充放电效率、循环寿命等参数参考实际工程数据；风电出力数据采用实际风电场的监测数据，通过希尔伯特-黄变换方法提取风电出力波动特征，模拟不同工况下的功率波动；技术经济模型中的成本参数参考当前储能行业市场价格和政策标准，收益参数结合现货电能量市场和一次调频市场的结算规则确定；充放电策略采用本文设计的自适应策略，荷电状态控制在合理区间。

同时，设置对比组，采用传统容量配置方法（仅考虑技术约束或仅考虑经济约束）进行仿真，与本文提出的方法进行对比，验证本文方法的优越性。

5.2 仿真结果分析

仿真结果主要从调频效果和经济性两个方面进行分析，具体如下：

在调频效果方面，本文提出的容量配置方法在不同优化目标下均能有效抑制电网频率波动。调频效果最优目标下的容量配置方案，能够将电网频率偏差控制在允许范围内，频率恢复时间短，调节精度高，有效应对了风电出力波动引发的频率波动，相比传统方法，调频效果提升显著；综合最优目标下的容量配置方案，调频效果接近最优目标，能够满足电网一次调频的核心需求；经济性最优目标下的容量配置方案，在满足基本调频要求的前提下，频率偏差控制在允许范围内，确保了电网的基本稳定。

在经济性方面，经济性最优目标下的容量配置方案净现值最大，投资回报率最高，成本回收周期最短，具有良好的经济可行性；综合最优目标下的容量配置方案，净现值处于合理水平，兼顾了调频效果和经济效益，适合大多数工程场景；调频效果最优目标下的容量配置方案，由于容量较大，初始投资成本和运行维护成本较高，净现值相对较低，但能够满足对调频效果要求较高的场景需求。

对比实验结果表明，本文提出的容量配置方法相比传统方法，能够更好地兼顾调频效果和经济性，无论是单一目标还是综合目标，都能获得更优的配置方案。同时，仿真结果验证了本文构建的技术经济模型的合理性和充放电策略的有效性，证明了该容量配置方法能够适应风电出力波动下的电网调频需求，为储能电池参与一次调频的工程化应用提供了可靠的技术支撑。

5.3 结果讨论

从仿真结果可以看出，储能电池的容量配置与电网调频需求、风电出力波动特性、经济成本等因素密切相关。在实际工程应用中，需根据电网的具体情况，合理选择优化目标：对于频率稳定性要求较高的电网，可优先选择调频效果最优目标下的容量配置方案；对于注重经济效益的储能项目，可选择经济性最优目标下的容量配置方案；对于大多数常规场景，综合最优目标下的容量配置方案是最优选择，能够实现技术与经济的协同发展。

此外，电力市场政策对储能的经济效益影响较大，不同地区的现货市场价格、一次调频补偿标准、输配电价政策等存在差异，会导致容量配置方案的经济效益发生变化。因此，在实际容量配置过程中，需结合当地电力市场政策，动态调整技术经济模型的参数，确保配置方案的适用性和经济性。

6 结论与展望

6.1 结论

本文围绕储能电池参与一次调频的容量配置问题，结合技术性能与经济合理性，提出了一种考虑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. 基于全寿命周期理论，结合净现值法构建的技术经济模型，能够全面核算储能电池参与一次调频的成本与收益，充分考虑了电力市场政策和充放电损耗的影响，为容量配置提供了科学的经济依据。

2. 本文设计的自适应充放电策略，结合惯性、下垂与趋势控制，能够根据电网频率波动特性和储能电池状态，实现充放电行为的精准调节，既保证了调频效果，又延长了电池使用寿命，提升了储能系统的运行效率。

3. 考虑风电出力波动影响，在多约束条件下求解的三个优化目标（调频效果最优、经济性最优、综合最优）下的容量配置方案，能够满足不同场景的需求，仿真结果表明，该方法能够有效提升调频效果，兼顾经济性，具有良好的合理性和有效性。

4. 储能电池参与一次调频的容量配置需结合电网调频需求、风电出力波动特性和电力市场政策，动态调整优化目标和参数，才能实现技术与经济的协同最优，推动储能电池的工程化应用。

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，但仍存在一些可进一步深入研究的方向：

1. 可考虑多类型储能（如储能电池与飞轮储能、抽水蓄能）协同参与一次调频的容量配置，充分发挥不同类型储能的技术优势，进一步提升调频效果和经济性。

2. 可结合电力市场的动态变化，引入不确定性因素（如电价波动、风电出力预测误差等），优化技术经济模型，使容量配置方案更具鲁棒性。

3. 可深入研究储能电池的老化机理，结合充放电策略优化，进一步延长电池寿命，降低全寿命周期成本，提升储能项目的经济可行性。

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，使其更贴合工程实际，为储能电池参与一次调频的规模化应用提供更有力的支撑。

📚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

 🎁完整资源、论文复现、期刊合作、论文辅导及科研仿真定制事宜点击：

👉👉👉本文完整资源下载