一种用于本地灵活性市场中HAWKER蓄电池储能系统主动灵活性管理的数学启发式方法

跟着微电网可再生动力发电, 分布式动力资源, 以及储能等议题的展开，活络性已日益受到注重。诸如本地活络性商场（LFMs）等提案标明，业界对既有需求侧活络性的注重度持续进步，相关资源开发方法也正不断演进。本研讨提出一种数学启发式方法用于处理电池储能系统通过虚拟控制参数独立控制功率和能量的活络性贮藏，完结电池储能系统(BESS)的优化处理。该系统在日前规划和实时工作中实行活络性贮藏、开释和运用的流程，以满足本地活络性商场(LFMs)中需求增减的活络性动作。通过运用事例展示了该处理系统处理不同活络性水平的才干。咱们分析了活络性处理对工作盈利才干的影响，发现功率(千瓦)容量分配导致的盈利丢失较低，而能量(千瓦时)活络性贮藏构成的盈利丢失较高。通过提出一套活络性衡量政策来验证方法的有用性，这些政策能够根据参数化需求照应动作的功率、能量和持续时间来表征可用活络性。

引言

可变可再生动力（VRE）在电力系统中的动力占比持续增长，这一趋势在未来数年仍将持续[1]。跟着这些动力在总供电量中的占比进步，电力系统坚持发电与需求平衡的应战也相应加剧。为促进VRE更广泛参与电网工作，整合具有动力消费或供应活络特性的要素是可行方案之一，例如电池储能系统（BESS）与电动汽车（EV）。
跟着可再生动力发电、分布式动力资源、储能系统和电动汽车等议题的展开，活络性概念已取得广泛注重。欧洲电力传输系统运营商联盟（ENTSO-E）路线图将动力系统活络性确定为2017至2026年研讨与立异范畴五大应战轴线之一[2]。就分布式动力资源（DER）的活络性而言，它是完结智能电网和微电网的要害要素，对推动需求照应方案、促进可再生动力发电平衡、处理拥堵问题以及降卑微电网运营本钱具有重要作用[3,4]。
分布式动力资源（DER）中存在的活络性一般被用于满足某些工作Objective，其处理方法可分为隐式（直接）和Explicit（直接）：前者根据对电价信号的照应，后者则通过照应需求束缚信号或在适当商场中生意活络性产品来完结[5]。选用旨在根据电网工作条件鼓动或束缚消费的电价方式，是一种获取活络性的简便易行模型，一同用户可选择是否照应所施加的电价信号[6]。但是，该方法对工作规划而言不可靠，因为无法确保用户参与度，且参与水平或许存在极大动摇。另一个需求考虑的方面是，在此条件下，具有更凌乱特性的活络资源（如电池）未能以容许的完整处理程度被战略性地运用。
相反，束缚级战略通过完结对活络资产的精细化探索，不仅有助于实时工作，还能服务于工作规划。这些战略确保资源（如备用动力）在未来时段参与电网的有用工作。文献[7]指出存在两种显式获取活络性的方法：一种是通过配电系统运营商（DSO）直接控制单元或配备的集成式方法；另一种是通过商场途径，即购买活络性动作（FA）。
根据文献[8]所述，商场机制仍处于展开阶段，其想象是建立一个本地活络性商场(LFM)。在该商场中，配电网运营商(DSO)将通过途径发布其需求，以便与居民、商业及工业范畴的活络性供应商进行匹配。文献[7]的作者提出了一种迭代流程想象：DSO首要发布或恳求其需求，随后具有活络性的商场参与者通过申报可用容量进行照应。LFM方式要求进步生意各方之间的处理与通讯容量，一同建立了一套实时工作机制，使DSO能够接入网络中的可用DSF资源，然后让用户自在参与并充分运用其可用资源。此外，所提及的活络性不能仅理解为技术条件，它还通过确保可再生动力的持续展开与节能方法，推动了动力可持续性。
本地活络性商场是配电系统运营商用于收购本地可用活络性资源的途径，旨在缓解电网堵塞并进步系统功率。该机制根据分布式发电、可控负荷及储能资源，其酬劳取决于商场参与者的报价，并具有容许用户自愿参与的利益[9,10]。
在本地活络性商场中，供应活络性的参与者实质上出售的是对原定工作方案的误差操作。这种误差包含发电量或用电量高于或低于初始方案值。一般，活络性动作的持续时间为15至60分钟，补偿可根据电能（千瓦时）或需求（千瓦）进行计量。补偿金的核算根据可来源于输送到电网的实践能量、活络性资源的可用性，或两者的组合[9]。
本地活络性商场正处于展开阶段。在德国SINTEG Enera项目中，电网运营商划定了若干区域，每个区域在生意途径上构本钱地订单簿[9]。政策是通过处理配电网中的拥塞问题，防止可再生动力发电的减少[11]。该项目阶段称为"再调度2.0"。文献[12]提出的方案为生意功率逾越100千瓦的发电活络性与储能系统供应了途径，柔性资产所有者将因其方案工作曲线与商场要求产生的误差取得补偿。该提案根据一种混合方法，结合了Re-dispatch 2.0模型，但其政策在于接入功率低于100 kW的非管制资源。在此情况下，系统将创立本地订单簿，录入小型资源的报价——当这些资源供应的运营本钱低于选用管制方式的方案时，即可被激活。
EMPOWER项目展示了一种本地活络性商场（LFM）的运作方式，该方式开发了专门用于本地层级动力与活络性收购出售的环境。在此模型中，动力供应商负责处理途径并担任聚合商角色，能够照应配电系统运营商（DSO）宣布的恳求，然后参与其他更大规划的动力商场[13]。文献[9]的作者列举了一系列示范性项目，这些项目通过LFM展示并评价了多种运用活络性的商业方式。部分项目具有开释小规划资源活络性的特定政策，包含：Altdorfer Flexmarkt、Enedis' marketplace、InterFlex、IREMEL以及WindNode。由此可见，其时正在建立获取需求侧现有活络性的机制，而LFM正是完结这一政策的有用途径。
不同研讨方法均展示出对束缚级处理需求侧活络性（DSF）的注重。如文献[14]所示，很多针对住所环境的研讨聚集于住所热能资源处理，包含空调与热水贮存系统。本研讨提出的方规律专门针对根据电池技术的活络性处理，鉴于该技术要素在未来几年内将被归入配电系统，并具有参与动力生意和微电网工作的潜力。
电池储能系统的活络性根据其工作情境进行量化。文献[15]通过评价活络性的量化政策来确保修建工作的可持续性，关键注重储能系统本钱效益联络。文献[16]的作者量化了微电网中电动汽车电池的活络性潜力，其间活络性由电动汽车电池构成的虚拟储能的能量容量和功率容量标明。文献[17]对配备电池储能系统(BESS)的电动汽车充电站(EVCS)的最大活络性潜力进行量化，以满足需求减少活络性动作。活络性被表述为可用最大能量与可用最大/最小功率的函数，用于在预期持续时间内满足活络性要求(AF)。文献[18]提出了五个表征修建活络性的政策，这些政策根据受控元件(负荷与储能元件)的功率(kW)和能量(kWh)容量。作为现有方法的替代方案，本方法提出一组衡量政策来表征电池储能系统（BESS）工作中可调用的活络性潜力，以满足参数化活络性动作需求。其立异性体现在以能量和功率两层维度表征活络性潜力，并通过储能系统额定功率容量、需求照应动作持续时长及有必要满足的供电条件（可变功率或安稳功率）对两者进行加权组成。这些政策亦可作为BESS活络性工作的辅导准则，其处理政策旨在满足参数化需求照应动作要求。
电池活络性处理在不同场景下以不同政策施行。针对住所环境的电池储能系统（BESS）处理，文献[19]提出一种家庭动力处理系统（HEMS），通过调控BESS活络性来照应工作调度阶段所设定的动力价值。文献[20]提出的HEMS在日前阶段实行电池调度，并运用BESS活络性进行实时工作调整以坚持预定工作曲线。文献[21]提出另一种BESS活络性处理方法，选用混合整数线性规划（MILP）建模以进步光伏发电的自消纳率并最小化日工作本钱。这些方案对具有BESS的产消者或许具有适用性，但会束缚电网工作所需的活络性供应，并将存储活络性锁定于为产消者创造额定收益的单一用途。
[17,22]提出了选用混合整数线性规划（MILP）建模并完结实时工作的光伏发电（PV）与电池储能系统（BESS）协同下的电动汽车充电站能量处理系统。文献[17]核算了可用活络性，但未考虑运用活络性满足需求照应动作。文献[22]作者则以最小化工作本钱为政策处理活络性。文献[23]还提出了一种自动处理电动汽车充电活络潜力的充电站处理系统，该系统通过引入与聚合商生意的旋转备用补偿机制，旨在完结工作本钱最小化与活络性最大化。该方案中，为需求增加和需求减少预留的活络性起伏坚持平等。[24]中相同能够观察到对称活络性潜力的处理战略，作者假设坚持对称活络性潜力更有利于满足配电网运营商(DSO)未来的活络性需求。本文提出的方法可对电池储能系统(BESS)工作中预留的潜在活络性进行独立控制，以完结需求增减调理。
产消者与电网运营主体间的协同方案可参考[25]，该研讨通过部分活络性商场(LFM)构建了消费单元与配电网运营商的联合处理结构。根据电池储能系统优化处理与电动汽车调度流程，该结构供应两种活络性产品——通过违背资源最优工作情况取得的正向与负向活络性。可用活络性以功率、持续时间和活络性Action类型为维度，在日前本地动力商场中进行报价。文献[26]的作者提出了一种产消者与聚合商之间的集成方法，在其模型中融入了DSF满足需求照应Action或参与活络性商场的才干，Objective是将动力活络性分配至日前动力商场。文献[27]中，日前阶段包含两个工作进程：首要向电网通报其时工作中可用的活络性，随后在电网运营商注重的时间进行活络性分配。在集成化运营中，产消者活络性的调度运用与网络优化同步进行，这或许束缚不肯丧失资产控制权的产消者的参与志愿。
文献[28]论述了电池储能系统(BESS)的自主处理方法，该方法包括满足需求照应动作或参与活络性商场的平行国际。根据工作备用服务报价本钱，可在工作规划阶段将活络性降需分配至实践工作中。文献[29]还提出了BESS能量备用方案，该备用能量可在工作中被预留或开释，以优化规划阶段与实时工作阶段的本钱，但无法完结预留功率容量的实践交付。在文献[28,29]提出的方法中，电池储能系统(BESS)能量活络性贮藏的配备仅用于满足需求减少动作，这与本研讨提出的容许为需求增减双向预留能量活络性的方案有所不同。另一个需注意的要害点在于：因为未对功率(kW)活络性贮藏进行调度，文献[28,29]中BESS的预留能量仅当存在可向电网注入存储能量的功率容量时方可运用。
电池储能系统（BESS）的活络性备用途理相同体现在电网级储能方案中，这类系统能够通过供应更大容量接入备用商场。文献[30]提出的处理模型展示了BESS工作中的备用容量配备，通过调度功率和能量备用以满足需求减少动作。文献[31]作者提出了一种在平行国际（LFM）结构下处理BESS的方法，选用鲁棒随机优化以应对动力商场的不确定性。该方法将电池储能系统（BESS）的部分活络性资源分配至日前与日内商场，剩下活络性则配备至能量平衡商场。文献[32]提出了一种根据随机规划与混合整数线性规划（MILP）的算法，用于处理BESS参与能量与备用商场的战略。该研讨指出，通过将BESS工作方式从充电切换至放电可开释更大活络性潜力，如文献[11]所述，此类景象在某些事例中可视为一种增减博弈问题。文献[33]提出另一种电网级处理方案，研讨了电池储能系统(BESS)在套利操作与备用商场中的功能。在[[30], [31], [32], [33]]系列研讨中，功率与能量备用调度根据日前阶段服务估值进行联合自动规划，该方案可视为BESS的运用方案——在实时工作阶段或许实行也或许不实行，具体取决于电网需求。
本文提出的方法与[[30], [31], [32], [33]]中所述方法的不同之处在于，它对能量和功率容量别离独立分配活络性备用。因为备用容量可在电网工作期间战略性运用，并或许用于不同用途或闲置不用，这种与功率活络性备用解耦的能量活络性独立备用机制能为产品供应更强的动态调理才干，通过储能系统完结活络调度。该方法可构建一种备用机制，理论上能为电网供应更大的活络性潜力——因为特定数量的有限能量在工作期间可供运用的时间，比在工作优化进程中与功率容量调度绑定的情况更为耐久。除可实时进行的活络性预留外，该算法还能猜想解锁和运用预留活络性的施行进程。
文献中提出了多种方法来处理分布式动力资源的活络性，这些方法考虑了不同的政策和战略。但是，能够观察到现有方法在战略性地处理分布式系统活络性（DSF）以及以凌乱方法保存电池储能系统（BESS）活络性潜力方面存在不足，特别缺乏对功率（kW）和能量（kWh）活络性进行独立处理的战略。通过这种方法，能够运用参数化的活络性动作与电网运营商进行小型储能系统的活络性生意，然后为电网的可持续工作做出贡献。
为促进这一范畴的研讨，本文提出一种数学启发式方法用于控制电池储能系统(BESS)的活络性潜力(FP)，然后为后续需求照应动作中的备用分配供应支撑。该BESS处理方案可实时实行，通过外部信号按需控制备用分配、开释及预留活络性运用的各环节。该方法适用于多种场景下的活络性处理，其专项规划旨在通过参数化需求照应动作完结LFM商场中BESS活络性潜力的生意。此外，未预留的活络性仍可自在用于实时操作：在每次新优化进程实行时，处理算法可运用这部分未预留活络性来更新读档参数、电价参数及电动汽车调度参数。
本研讨的首要贡献在于：

• 1-
  Development of a matheuristic for reserve capacity allocating of parameterized flexibility potential to guide the operation of battery energy storage systems through the use of virtual control parameters (VCP), actively acting on the power and energy capacities of BESS independently of each other;
• 2-
  Developing a system to manage the flexibility of distributed energy resources in real-time for trading potential through parameter-defined FA. This allows the system to reserve, unlock, and utilize flexibilities for transacting a parameterized product;
• 3-
  Presents a set of metrics to represent the flexibility potential available in the operation of a battery storage system to meet parameterized demand response actions;
• 4-
  Analyzes the cost of power and energy flexibility reserves, revealing the loss of profitability due to flexibility reserve allocation and the marginal cost necessary to access the DSF available on the BESS operation.

所提方法的施行与检验标明，该方法可有用控制电池储能系统（BESS）的活络性贮藏潜力，使其成为能够为电网供应活络性产品的战略资产。通过这种方法，该方案可为储能资产所有者创造更多价值，并支撑配电网工作，然后促进在日内规划与工作阶段接入分布式活络性资源（DSF）。