双层源-储协调规划方法协调低碳经济安全目标与储能市场驱动

《Processes》：Two-Layer Source–Storage Coordinated Planning Method Coordinating Low-Carbon Economic Security Objectives and Energy Storage Market Driving

　　

在新一代电力系统中，传统发电规划范式已转变为源-储协同规划的新范式。然而，源-储协调规划面临多目标协调不平衡和市场机制适应性不足的深层结构性挑战。本文首先设计了一个具有规划决策与运行验证双层结构的源-储协调规划框架，该框架综合考虑了低碳、经济和安全等多重规划目标，并考虑了储能参与有功和无功调节的双市场驱动。其次，构建了一个双层优化规划模型：上层以新源-储投资成本最小化和年碳排放最小化为目标，下层以综合运行成本最小化和储能市场收益最大化为目标。该模型的特点在于能够同时考虑有功市场和无功市场的耦合效应。第三，基于非支配排序遗传算法II（NSGA-II）采用双层闭环迭代求解方法，生成源-储协调规划方案。最后，在改进的New England 39节点系统上进行仿真计算。结果表明，当考虑储能参与有功和无功调节的双市场驱动时，新能源装机容量达到465 MW，比无市场情景高出55%，同时可再生能源弃电率仅为1.7%。验证了本文所提双层源-储协调规划方法的正确性和有效性。

**论文解读：双层源-储协调规划方法协调低碳经济安全目标与储能市场驱动**

**研究背景与问题**
在能源与电力供应结构深刻变革的背景下，常规电源与新能源装机容量呈跷跷板式变化，导致电力系统有功和无功调节能力严重不足（参考文献[1,2,3]）。亟需在新增新能源机组的同时部署储能，以增强系统安全性。然而，源-储协调规划面临以下挑战：首先，低碳转型的刚性约束、综合成本的经济导向以及安全供电的底线要求之间存在冲突关系，需要多目标协调以实现优化规划。其次，储能作为关键灵活性调节资源，其规划方案直接受投资回报率影响（参考文献[4,5]）。根本原因在于传统规划未纳入市场机制，导致储能投资收益低、运行成本高，出现“为达标而建储能，建成后闲置”的现象。因此，必须协调低碳发展、经济性和安全性等多重目标，并考虑储能参与系统调节的市场驱动效应，研究适用于新型电力系统的源-储协调规划与配置方法，推动新能源储能部署从政策驱动向市场驱动转变，发挥储能在新型电力系统低碳转型和安全供电中的支撑作用。

**研究方法与结论**
针对现有研究未能全面协调低碳、经济、安全目标，且未充分考虑有功与无功市场耦合效应的不足，本文提出了一种双层源-储协调规划模型（基于NSGA-II求解），并通过改进的New England 39节点系统进行仿真验证。主要结论包括：在考虑储能参与有功和无功调节双市场驱动时，新能源装机容量可提升至465 MW，比无市场情景提高55%，弃电率仅为1.7%；所提方法能有效激发储能参与调节的意愿，提升系统调节能力和新能源消纳水平。论文发表在《Processes》。

**关键技术方法概述**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）设计规划决策-运行验证的双层结构框架，上层以投资成本最小化和碳排放最小化为目标，下层以综合运行成本最小化和储能市场收益最大化为目标；（2）构建双层优化规划模型，耦合有功市场与无功市场，考虑储能视在功率约束下的功能复用；（3）采用基于非支配排序遗传算法II（NSGA-II）的双层闭环迭代求解方法，上层配置方案作为下层边界，下层最优运行策略反馈至上层修正规划方案；（4）在改进的New England 39节点系统上进行仿真，设置不同新能源渗透率（18%、35%、45%）和市场驱动情景（仅考虑有功市场、不考虑市场）进行对比分析。

**研究结果**
**4.2.1 源-储协调规划过程与折中解分析**
以Scenario 1（新能源占比18%）为例，采用所提双层迭代模型，下层优化目标为F3与F4等权重求和，上层目标F1与F2采用多目标折中解法。经过迭代优化得到23个Pareto前沿解，选取三个典型折中解（经济目标权重分别为0.7、0.5、0.3）。结果表明，当经济目标与低碳目标各占约50%时，新能源配置容量最大，以此作为基础情景。详细规划结果见表5：新增储能1和储能2分别位于节点9和12，典型日有功与无功调度曲线如图6所示，新能源弃电率控制在1.7%，满足规划要求。

**4.2.2 不同初始电源结构下的规划结果比较**
在Scenario 1、2、3中，保持现有电源总装机不变，仅调整新能源比例（分别为18%、35%、45%），其他条件一致。规划结果见表6：三种场景下电源总新增装机容量接近（中值2710.8 MW，最大相对偏差仅3.3%），验证了规划合理性。在Scenario 3中，新能源比例较高，新增储能配置最大，以满足系统调节需求并确保安全供电。

**4.2.3 不同市场驱动下的源-储协调规划结果分析**
对比Scenario 1（考虑双市场）、Scenario 4（仅考虑有功市场）和Scenario 5（不考虑市场），结果见表7：三种场景下储能配置容量相近，但市场驱动影响显著。不考虑市场时，新增新能源容量为300.2 MW；仅考虑有功市场时，新增容量为418.3 MW；考虑双市场时，新增容量达465.0 MW。表明所提方法可有效提升新能源机组规划容量。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本文研究采用改进测试系统、确定性预测和典型日近似，未考虑电池退化、不确定性建模，且缺乏真实系统验证，存在局限性。未来需进一步研究多品种市场交互（如容量市场、调频市场）对源-储协调规划的影响，优化下层目标权重，探索模型求解方法以提高效率。研究结论翻译如下：针对新型电力系统中源-储协调规划面临的多目标协调困难及储能市场引导不足的问题，本文提出了一种集成低碳、经济、安全等多目标，并考虑储能有功和无功调节市场驱动的双层源-储协调规划模型。采用NSGA-II求解得到源-储规划方案。结论如下：在双层迭代规划中，下层实现规划方案的安全性验证，并将运行成本与市场收益传递至上层；上层通过设置Pareto折中原则可获得不同规划目标偏好的源-荷联合规划方案。当考虑储能市场驱动效应时，可有效激发储能参与有功和无功调节的意愿，从而提升系统调节能力和新能源消纳能力。在Section 4的Scenario 1典型仿真算例中，新增投资成本为202.9亿元，年碳排放量为777.4万吨，弃电率为1.7%，新增新能源容量为465.0 MW。相比不考虑市场驱动的情景，新能源机组规划容量可提升55%。基于所提方法，可根据实际工况增加或调整边界条件（如资源约束、碳排放约束、配置容量与位置约束、安全约束），制定不同场景下的规划方案。