探究電池儲能系統(tǒng)恒功率削峰填谷策略

摘要:以南方電網(wǎng)MW級電池儲能示范工程為背景，以求解采用恒功率充放電策略運行的電池儲能系統(tǒng)削峰填谷策略為目的，提出了電池儲能系統(tǒng)恒功率削峰填谷優(yōu)化模型及求解該模型的實用簡化算法。該算法令電池以*大功率充放電，可以快速求解電池1d充電1次、放電多次情況下的電池儲能系統(tǒng)充放電策略，給出了削峰填谷實時控制策略。

關(guān)鍵詞:電池儲能系統(tǒng)；削峰填谷；恒功率

0.引言

電力系統(tǒng)削峰填谷是負(fù)荷管理的重要方面。對電網(wǎng)運營者來說，負(fù)荷峰值降低有利于推遲設(shè)備容量升級，提高設(shè)備利用率，節(jié)省設(shè)備更新的費用，降低供電成本,對電力用戶來說，可以利用峰谷電價差獲得經(jīng)濟效益。大規(guī)模電池儲能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem，BESS)以其優(yōu)勢在削峰填谷方面能夠發(fā)揮巨大作用。在國外已有許多大規(guī)模BESS在運行；在國內(nèi)，南方電網(wǎng)開展了MW級電池儲能系統(tǒng)示范項目，建成了深圳寶清電池儲能站(接入深圳碧嶺變電站)。本文的研究基于南方電網(wǎng)MW級電池儲能項目，并應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)的*級應(yīng)用控制部分。

電池儲能系統(tǒng)的削峰填谷功能可以分為兩步來完成。*一步是日前優(yōu)化，在新的一天開始前，根據(jù)預(yù)測出的日負(fù)荷曲線，優(yōu)化出24h的BESS*優(yōu)充放電策略，即每個時刻電池是否充放電，充放電的功率大小為多少。*二步是實時控制，根據(jù)日前優(yōu)化給出的充放電策略，以及當(dāng)前時刻的負(fù)荷值、電池狀態(tài)等數(shù)據(jù)，計算出充放電功率指令并下發(fā)給每組電力電子變流器

求解電池儲能系統(tǒng)削峰填谷策略的算法主要包括梯度類算法、智能算法、動態(tài)規(guī)劃算法。文獻(xiàn)提出用序列二次規(guī)劃方法求解BESS的運行策略，使其在實時電價系統(tǒng)中獲得*大的利潤。梯度類算法要求模型連續(xù)。文獻(xiàn)中提出用智能算法來求解含儲能裝置的系統(tǒng)*優(yōu)策略問題，包括遺傳算法、模擬退火法、粒子群算法。智能算法的缺點是無法保證收斂到全局*優(yōu)解。提出用動態(tài)規(guī)劃方法求解BESS削峰填谷日前優(yōu)化問題，以電池剩余電量或荷電狀態(tài)(stateofcharge，SOC)為狀態(tài)變量。采用動態(tài)規(guī)劃算法的好處包括：可以在模型中考慮電池的物理約束，如充放電功率限制，電池中與充放電過程有關(guān)的非線性內(nèi)部損耗約束，電池電壓波動約束等；動態(tài)規(guī)劃算法不需要連續(xù)函數(shù)，且方便使用計算機求解。為了提高計算速度，文獻(xiàn)提出了多進(jìn)程動態(tài)規(guī)劃算法。文獻(xiàn)針對微網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)，提出了基于短期負(fù)荷預(yù)測的主動控制策略。

電池儲能系統(tǒng)采用恒功率的充放電策略，既方便對電池控制，又有利于削峰填谷實時控制。尤其是當(dāng)負(fù)荷高峰提前到來時，若采用恒功率充放電策略，在實時控制時可以根據(jù)實際負(fù)荷值靈活地控制起始放電時間。本文針對采用恒功率充放電策略運行的電池儲能系統(tǒng)，提出恒功率充放電優(yōu)化模型。為便于實際應(yīng)用，提出求解該模型的實用簡化算法。通過對深圳碧嶺站的2組預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，得到電池的充放電策略，驗證該實用簡化算法的實用性，并與序列二次規(guī)劃算法的求解結(jié)果進(jìn)行比較。

1.電池儲能系統(tǒng)恒功率充放電優(yōu)化模型

1.1模型假設(shè)

本文提出2點假設(shè)：

1. 忽略電池的爬坡速率約束；

2. 忽略電池組的內(nèi)部損耗。

1.2優(yōu)化變量

模型中的優(yōu)化變量為電池每次充放電的功率p(j)以及電池每次充放電的起始時間Tstart(j)和結(jié)束時間Tstop(j)，j=1,2,…,n，其中n為1d中電池充放電次數(shù)，根據(jù)負(fù)荷曲線及電池使用狀況來確定。考慮到充放電次數(shù)過多會影響電池使用壽命，可使電池每天充放電各1次。如負(fù)荷曲線在上午和下午有2個高峰，可令電池在1d中充放電各2次。如考慮到晚間民用負(fù)荷高峰，可讓電池充放電各3次。通過改變參數(shù)可靈活控制電池的充放電次數(shù)，利于延長電池的使用壽命。定義電池的充電功率為正，放電功率為負(fù)。

1.3目標(biāo)函數(shù)

儲能系統(tǒng)可在套利模式和負(fù)荷轉(zhuǎn)移模式2種模式下工作。在套利模式下，目標(biāo)函數(shù)f(b)是使套利*大化。根據(jù)給定的分時電價曲線，模型可給出電池充放電策略，帶來經(jīng)濟效益。一般來說，負(fù)荷高峰期電價高，負(fù)荷低谷期電價低。電池在電價高時放電，在電價低時充電，起到了削峰填谷的作用。在負(fù)荷轉(zhuǎn)移模式下工作時，目標(biāo)函數(shù)f(b)為*小化負(fù)荷的方差，因為在數(shù)學(xué)上，方差可反映隨機變量偏離其均值的程度。本文中采用*2種目標(biāo)函數(shù)。將1d劃分成np個相等的時間段，目標(biāo)函數(shù)為

minf(b)=D1(i)−D1(j)2(1)

式中：D1(i)為經(jīng)過電池削峰填谷后*i個時間段上的負(fù)荷值，i=1,2,…,np。

1.3約束條件

1）負(fù)荷值約束為

D1(i)=D0(i)−[(sign(i−Tstart(j))−1)],

i=1,2,…,np(2)

式中：D0(i)(i=1,2,…,np)為已知的*i個時間段上的預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)；sign(x)為符號函數(shù)，當(dāng)x≥0時sign(x)=1，當(dāng)x<0時sign(x)=−1。當(dāng)i在Tstart(j)和Tstop(j)(j=1,2,…,n)之間時，D1是D0與p(j)之和；當(dāng)i取其他值時，D1與D0相等。

2）時序約束為

1≤Tstart(1)(3)

Tstart(j)<Tstop(j),j=1,2, n(4)

Tstop(i)<Tstart(i+1),i=1,2, n−1(5)

Tstop(n)≤np(6)

3）功率約束為

−Pmax≤p(i)≤Pmax,i=1,2, ,n(7)

式中Pmax為已知的*大充放電功率限值。

4）容量約束為

Slow<Sinitial+[(Tstop(i)−Tstart(i))p(i)]<Shigh,

k=1,2,…,n−1(8)

Sinitial+[(Tstop(i)−Tstart(i))p(i)]=Sfinal(9)

式中：Slow和Shigh分別為已知的電池電量的下限和上限；Sinitial和Sfinal分別為已知的電池電量的初值和希望的終值。

另外，還可以考慮電池物理約束等其他非線性約束。在上述模型中，目標(biāo)函數(shù)、容量約束是非線性的，負(fù)荷值約束中包含的符號函數(shù)sign(x)是不連續(xù)的。因此模型求解非常困難，可以通過選取大量不同的初始點來尋找近似*優(yōu)解，但這會增加計算量及計算時間。為方便實際應(yīng)用，本文提出針對恒功率充放電模型的實用簡化求解算法。

2.電池儲能系統(tǒng)恒功率充放電模型的實用簡化求解算法

由于上述優(yōu)化模型求解困難，不利于實際應(yīng)用，可以根據(jù)所要優(yōu)化的負(fù)荷特性，采用簡化求解算法。以深圳碧嶺站為例，1d的典型負(fù)荷曲線如下圖所示：

在上午、下午和晚上各有1個負(fù)荷高峰時段；在凌晨、中午和傍晚各有1個負(fù)荷低谷時段。為了延長電池的使用壽命，讓電池在凌晨充電1次，在上午和下午的負(fù)荷高峰時段各放電1次。由于電池總功率與負(fù)荷功率相比非常小，可以讓電池以*大功率充放電。總放電時間和總充電時間都為T=S/Pmax。

放電時段的起始時刻和終止時刻的選擇方法如下：將一條水平線從上到下以很小的步長ΔP移動，水平線會與負(fù)荷曲線上午和下午的2個高峰相交。若相交的2個時段的時間之和為T，則找到了電池的2個放電區(qū)間；若相交的2個時段的時間之和小于T，將水平線以ΔP向下移動再進(jìn)行比較，直到相交的2個時段的時間之和等于T為止。

同樣，將水平線從下到上以一個很小的步長ΔP移動，求出凌晨的充電時段。目前，實用簡化算法已經(jīng)應(yīng)用于深圳寶清電池儲能站中。

3.電池儲能系統(tǒng)削峰填谷實時控制

在削峰填谷實時控制階段，需綜合考慮削峰填谷日前優(yōu)化結(jié)果、實時負(fù)荷曲線、電池SOC等信息，計算出充放電起止時間和充放電功率來進(jìn)行控制。

1）充放電起止時間的確定。實際負(fù)荷曲線與預(yù)測負(fù)荷曲線之間不可避免地存在誤差。研究表明，若實際負(fù)荷曲線與預(yù)測負(fù)荷曲線形狀相同，只是在垂直方向進(jìn)行移動，則*優(yōu)的電池充放電策略相同。若實際負(fù)荷曲線與預(yù)測負(fù)荷曲線的峰谷起止時刻相同，峰谷的高低有所變化，當(dāng)儲能系統(tǒng)的功率遠(yuǎn)小于負(fù)荷功率時，2者的*優(yōu)充放電策略幾乎相同。因此，如果能夠保證預(yù)測負(fù)荷曲線的峰谷起止時間準(zhǔn)確，則直接采用日前優(yōu)化出的充放電起止時間作為實際的充放電起止時間。若無法保證預(yù)測負(fù)荷曲線的峰谷起止時刻的準(zhǔn)確性，也就是說，實時負(fù)荷曲線的峰谷可能提前或推遲到來，此時采用負(fù)荷閾值來確定充放電開始時刻，當(dāng)實時負(fù)荷達(dá)到閾值時開始充電或放電。充放電結(jié)束時刻采用日前優(yōu)化的結(jié)果。

2）充放電功率的確定。若充放電起始時刻根據(jù)負(fù)荷閾值判斷，不同于日前優(yōu)化出的起始時刻，此時的充放電功率需重新計算，用日前優(yōu)化得到的充放電能量除以充放電時間，且保證滿足式(7)中的功率限制。另外，電池儲能系統(tǒng)除了執(zhí)行削峰填谷功能外，還可能響應(yīng)調(diào)峰調(diào)頻等其他功能，使電池SOC突然發(fā)生變化，在實時控制中，計算充放電功率時還需考慮電池的剩余電量。

4.測試結(jié)果

4.1序列二次規(guī)劃方法求解結(jié)果

假設(shè)電池容量S=20MW·h，*大充放電功率Pmax=5MW，Slow=0，Shig=S。零點時電池電量Sinitial=0，經(jīng)1個周期后電量Sfinal=0。1d有np=288個時間段，每個時間段為5min。為便于控制，設(shè)定約束使電池在早上06:00處于充滿狀態(tài)，因此充電階段被限制在06:00以前。下面通過2組不同的預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)來驗證該算法的有效性。

首先隨機選取大量初始點，從每個初始點出發(fā)采用序列二次規(guī)劃方法(successivequadraticprogramming，SQP)來求解電池儲能系統(tǒng)恒功率充放電策略優(yōu)化模型，再比較所有求解結(jié)果，從中選出使目標(biāo)函數(shù)*優(yōu)的解。序列二次規(guī)劃方法是一類求解含非線性不等式約束優(yōu)化問題的很重要、很有效的方法。算法中采用變尺度方法構(gòu)造海森矩陣，所以該方法又稱為約束變尺度法。這種方法不僅利用了目標(biāo)函數(shù)和約束條件的1階導(dǎo)數(shù)信息，而且利用了目標(biāo)函數(shù)的2階導(dǎo)數(shù)信息，收斂速度快。

在測試中，用于顯示優(yōu)化結(jié)果的圖形包含2部分，上圖的虛線為原始負(fù)荷曲線，實線為經(jīng)過儲能削峰填谷后的負(fù)荷曲線，下圖為儲能系統(tǒng)出力曲線。

針對2組不同的預(yù)測負(fù)荷曲線，采用1d充電1次、放電2次的策略，優(yōu)化出的電池出力曲線如圖2和圖3所示。

針對2組不同的預(yù)測負(fù)荷曲線，采用1d充電2次、放電2次的策略，優(yōu)化出的電池出力曲線如圖4和圖5所示。針對兩組不同的預(yù)測負(fù)荷曲線，采用1d充電1次、放電3次的策略，優(yōu)化出的電池出力曲線如圖6和圖7所示。

由于求解時隨機選取了大量初始點，再將各初始點的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，因此解的穩(wěn)定性差，無法保證每次優(yōu)化的計算結(jié)果都相同，且增加了計算時間。優(yōu)點是可以用來求解任意次數(shù)充放電的優(yōu)化模型。

4.2實用簡化算法求解結(jié)果

采用實用簡化算法，通過水平線與負(fù)荷曲線相交的位置確定出充電區(qū)間和放電區(qū)間。針對2組不同的曲線，優(yōu)化出的結(jié)果為電池在1d中充電1次，放電2次，優(yōu)化結(jié)果如圖8和圖9所示。簡化算法求出的結(jié)果與采用序列二次規(guī)劃法求出的結(jié)果類似。簡化算法的計算速度快，優(yōu)化結(jié)果穩(wěn)定，適于實際應(yīng)用，但不適用于兩充兩放的情況。實用簡化算法已經(jīng)應(yīng)用于深圳寶清電池儲能站中。圖10為儲能站的監(jiān)控系統(tǒng)顯示的削峰填谷優(yōu)化結(jié)果。圖中：曲線1為碧嶺站預(yù)測負(fù)荷曲線；曲線2為經(jīng)過削峰填谷后的負(fù)荷曲線。

5.Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)概述

5.1概述

Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，是我司根據(jù)新型電力系統(tǒng)下微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的要求，總結(jié)國內(nèi)外的研究和生產(chǎn)的經(jīng)驗，專門研制出的企業(yè)微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)滿足光伏系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電、儲能系統(tǒng)以及充電樁的接入，全天候進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，直接監(jiān)視光伏、風(fēng)能、儲能系統(tǒng)、充電樁運行狀態(tài)及健康狀況，是一個集監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理為一體的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上以經(jīng)濟優(yōu)化運行為目標(biāo)，促進(jìn)可再生能源應(yīng)用，提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、補償負(fù)荷波動；有效實現(xiàn)用戶側(cè)的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負(fù)荷，提高電力設(shè)備運行效率、降低供電成本。為企業(yè)微電網(wǎng)能量管理提供安全、可靠、經(jīng)濟運行提供了全新的解決方案。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)應(yīng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，整個能量管理系統(tǒng)在物理上分為三個層：設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層和站控層。站級通信網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)及TCP/IP通信協(xié)議，物理媒介可以為光纖、網(wǎng)線、屏蔽雙絞線等。系統(tǒng)支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規(guī)約。

5.2技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本方案遵循的標(biāo)準(zhǔn)有：

本技術(shù)規(guī)范書提供的設(shè)備應(yīng)滿足以下規(guī)定、法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

GB/T26802.1-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)工業(yè)控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范*5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業(yè)控制計算機系統(tǒng)通用規(guī)范*6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規(guī)范

GB/T20270-2006信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)安全技術(shù)要求

GB50174-2018電子信息系統(tǒng)機房設(shè)計規(guī)范

DL/T634.5101遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)*5-101部分:傳輸規(guī)約基本遠(yuǎn)動任務(wù)配套標(biāo)準(zhǔn)

DL/T634.5104遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)*5-104部分:傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議子集的IEC60870-5-網(wǎng)絡(luò)訪問101

GB/T33589-2017微電網(wǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定

GB/T36274-2018微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

GB/T51341-2018微電網(wǎng)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

GB/T36270-2018微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

DL/T1864-2018獨立型微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范

T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運行規(guī)范

T/CEC150-2018低壓微電網(wǎng)并網(wǎng)一體化裝置技術(shù)規(guī)范

T/CEC151-2018并網(wǎng)型交直流混合微電網(wǎng)運行與控制技術(shù)規(guī)范

T/CEC152-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)需求響應(yīng)技術(shù)要求

T/CEC153-2018并網(wǎng)型微電網(wǎng)負(fù)荷管理技術(shù)導(dǎo)則

T/CEC182-2018微電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)度運行規(guī)范

T/CEC5005-2018微電網(wǎng)工程設(shè)計規(guī)范

NB/T10148-2019微電網(wǎng)*1部分：微電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則

NB/T10149-2019微電網(wǎng)*2部分：微電網(wǎng)運行導(dǎo)則

5.3適用場合

系統(tǒng)可應(yīng)用于城市、高速公路、工業(yè)園區(qū)、工商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、智能建筑、海島、無電地區(qū)可再生能源系統(tǒng)監(jiān)控和能量管理需求。

5.4型號說明

Acrel-2000

Acrel-2000系列監(jiān)控系統(tǒng)

MG

MG—微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。

5.5系統(tǒng)配置

5.5.1系統(tǒng)架構(gòu)

本平臺采用分層分布式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，即站控層、網(wǎng)絡(luò)層和設(shè)備層，詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下：

圖1典型微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)組網(wǎng)方式

5.6系統(tǒng)功能

（1）實時監(jiān)測

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)人機界面友好，應(yīng)能夠以系統(tǒng)一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各回路斷路器、隔離開關(guān)等合、分閘狀態(tài)及有關(guān)故障、告警等信號。其中，各子系統(tǒng)回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數(shù)、頻率和正向有功電能累計值；狀態(tài)參數(shù)主要有：開關(guān)狀態(tài)、斷路器故障脫扣告警等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對分布式電源、儲能系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電管理，使管理人員實時掌握發(fā)電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態(tài)及發(fā)電單元與儲能單元運行功率設(shè)置等。

系統(tǒng)應(yīng)可以對儲能系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)管理，能夠根據(jù)儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)進(jìn)行及時告警，并支持定期的電池維護(hù)。

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)界面包括系統(tǒng)主界面，包含微電網(wǎng)光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及總體負(fù)荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節(jié)能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據(jù)不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統(tǒng)信息進(jìn)行顯示。

圖2系統(tǒng)主界面

子界面主要包括系統(tǒng)主接線圖、光伏信息、風(fēng)電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統(tǒng)計列表等。

（2）光伏界面

圖3光伏系統(tǒng)界面

本界面用來展示對光伏系統(tǒng)信息，主要包括逆變器直流側(cè)、交流側(cè)運行狀態(tài)監(jiān)測及報警、逆變器及電站發(fā)電量統(tǒng)計及分析、并網(wǎng)柜電力監(jiān)測及發(fā)電量統(tǒng)計、電站發(fā)電量年有效利用小時數(shù)統(tǒng)計、發(fā)電收益統(tǒng)計、碳減排統(tǒng)計、輻照度/風(fēng)力/環(huán)境溫濕度監(jiān)測、發(fā)電功率模擬及效率分析；同時對系統(tǒng)的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

（3）儲能界面

圖4儲能系統(tǒng)界面

本界面主要用來展示本系統(tǒng)的儲能裝機容量、儲能當(dāng)前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統(tǒng)PCS參數(shù)設(shè)置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括開關(guān)機、運行模式、功率設(shè)定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統(tǒng)BMS參數(shù)設(shè)置界面

本界面用來展示對BMS的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要包括電芯電壓、溫度保護(hù)限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統(tǒng)PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)界面

本界面用來展示對PCS電網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等。