基于BESS的电力系统CO2排放时移控制策略与两阶段SCED模型研究

《Journal of Energy Storage》：First-principles study of Y 2CO 2, an O-functionalized two-dimensional electrode material for metal-ion batteries

为解决电力系统经济调度与CO2减排目标间的矛盾，研究人员开展了BESS辅助的SCED研究。该研究提出两种BESS运行策略，并构建了两阶段SCED模型。结果表明，BESS不仅能实现CO2排放控制，还能降低系统运行成本与节点边际电价，为电网绿色经济运行提供了有效工具。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少温室气体排放已成为国际社会的共同目标。电力行业作为碳排放的主要来源之一，面临着巨大的减排压力。传统的电力系统经济调度（Economic Dispatch, ED）主要关注发电成本的最小化，往往优先调度成本较低的化石燃料发电机组，这导致系统在追求经济效益的同时，可能产生较高的CO₂排放。如何在保障电力供应安全、经济的同时，有效控制CO₂排放，是当前电网运行面临的重大挑战。

为了应对这一挑战，电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）作为一种灵活调节资源，展现出巨大潜力。BESS能够通过“削峰填谷”的方式，在负荷低谷时充电，在负荷高峰时放电，从而改变传统发电机组的出力曲线。然而，如何将BESS的灵活性与CO₂减排目标相结合，设计出既能降低排放又能保证经济性的运行策略，并建立相应的优化模型，是当前研究的重点和难点。

针对上述问题，Luis M. Castro和D. Guillen在《Journal of Energy Storage》上发表了一项研究。该研究提出了一种利用BESS进行CO₂排放时移控制的新方法，并构建了一个两阶段安全约束经济调度（Security-Constrained Economic Dispatch, SCED）模型，旨在实现电力系统运行的经济性与环境友好性的协同优化。

为了开展这项研究，作者主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   BESS建模与运行策略设计：建立了BESS的线性成本模型，并提出了两种CO₂排放控制策略。策略1针对特定发电机，通过BESS与发电机协同运行，实现机组层面的CO₂减排；策略2针对整个系统，通过BESS的充放电来满足系统整体的CO₂排放限额。
2. 2.
   两阶段SCED模型构建：开发了一个两阶段的SCED优化模型。第一阶段通过传统的经济调度确定系统运行的基准CO₂排放水平；第二阶段则是一个双目标优化问题，在满足安全约束（如爬坡率、旋转备用、线路容量等）的前提下，同时最小化发电成本、BESS运行成本和CO₂排放成本。
3. 3.
   注入转移因子（Injection Shift Factors, ISF）应用：利用注入转移因子矩阵来线性化表示电网潮流，从而简化了包含网络约束的优化问题，提高了计算效率，使其适用于实时调度分析。
4. 4.
   案例验证：研究采用了IEEE 5节点和IEEE 39节点两个标准测试系统进行仿真分析，验证了所提方法的有效性和适用性。

研究结果

1. BESS对CO₂排放的影响机制

研究首先从理论上分析了BESS如何影响电力系统的CO₂排放。由于CO₂排放量与发电机组的出力直接相关，BESS通过改变发电机组的出力曲线，可以实现CO₂排放的“时移”。在负荷低谷时，BESS充电，此时系统通常由成本较低但排放较高的机组（如燃煤机组）供电，BESS的充电负荷增加了这些机组的出力，但此时系统边际成本较低，BESS的充电成本也较低。在负荷高峰时，BESS放电，替代了部分高排放机组的出力，从而降低了系统的总CO₂排放。这种“低储高发”的模式，使得BESS能够在不显著增加系统总成本的情况下，有效降低CO₂排放。

2. 两阶段SCED模型的有效性验证

为了验证所提出的两阶段SCED模型的有效性，研究首先在IEEE 5节点系统上进行了对比分析。将所提方法（Proposed Method, PM）与参考方法（Reference Method, RM）进行对比，结果显示两种方法在发电机出力、系统成本、CO₂排放等关键指标上均表现出高度一致性，差异均小于1%。这表明所提出的SCED模型能够准确求解经济-排放联合优化问题，为后续分析奠定了基础。

3. BESS运行策略的对比分析

研究在IEEE 5节点系统上设置了三种运行场景进行对比分析：

• •
  场景1（Case 1）：仅考虑经济性目标，不包含BESS。此时系统优先调度成本较低的G2机组，导致系统CO₂排放较高。
• •
  场景2（Case 2）：同时考虑经济性和CO₂排放目标，但不包含BESS。此时系统优先调度排放较低的G1机组，虽然CO₂排放显著降低，但系统运行成本和节点边际电价（Locational Marginal Price, LMP）大幅上升。
• •
  场景3（Case 3）：在场景1的基础上，引入BESS并采用所提出的运行策略。

对比结果显示，与场景1相比，场景3在引入BESS后，系统CO₂排放降低了10%，同时系统运行成本降低了7.6%，节点边际电价降低了43%。这表明BESS的参与不仅实现了CO₂减排目标，还通过优化机组组合和潮流分布，降低了系统总成本，实现了经济与环境的双赢。

4. 大规模系统（IEEE 39节点）的扩展验证

为了验证所提方法在大规模系统中的适用性，研究在IEEE 39节点系统中集成了6个BESS，并进行了1小时、5分钟步长的SCED分析。其中，2个BESS采用策略1（机组级减排），4个BESS采用策略2（系统级减排）。仿真结果表明：

• •
  CO₂减排效果：BESS的参与使得系统CO₂排放降低了6%，达到了预期的减排目标。
• •
  经济性分析：虽然BESS的引入增加了其自身的运行成本，但通过优化发电计划，系统总的发电成本降低了约5.63%，节点边际电价降低了约51%。
• •
  机组出力变化：BESS的充放电行为改变了发电机组的出力曲线，使得部分高成本、高排放的机组降低了出力，而低成本、低排放的机组增加了出力，从而在降低排放的同时优化了系统运行的经济性。

结论与讨论

本研究成功开发并验证了一种利用BESS进行电力系统CO₂排放时移控制的新方法。通过构建一个包含BESS运行策略的两阶段SCED模型，研究证明了BESS在电力系统运行中具有双重价值：一方面，BESS能够有效控制CO₂排放，帮助电力系统实现环境目标；另一方面，BESS通过优化机组组合和潮流分布，能够降低系统运行成本和节点边际电价，为电力用户带来经济效益。

该研究提出的方法为电网调度机构（Transmission System Operator, TSO）提供了一种有效的工具，使其能够在实时市场环境下，同时兼顾经济性和环境友好性，实现电网的绿色、经济运行。未来，随着可再生能源渗透率的不断提高，BESS在平抑波动、提供备用、以及协同实现CO₂减排等方面的作用将更加凸显。