中國儲能網(wǎng)訊：摘 要 可再生能源規(guī)模化并網(wǎng)發(fā)電量將不斷提高，因其出力間歇性導(dǎo)致的電網(wǎng)波動大、電能質(zhì)量差以及電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力差等問題是電力系統(tǒng)需要應(yīng)對的重要挑戰(zhàn)。移動式儲能技術(shù)因具備靈活性強(qiáng)、響應(yīng)速度快且覆蓋范圍廣等優(yōu)勢而備受關(guān)注。為推動移動式儲能技術(shù)的示范應(yīng)用，本文首先對雙碳目標(biāo)下移動式儲能技術(shù)的相關(guān)政策及示范工程進(jìn)行梳理分析。然后對其應(yīng)急應(yīng)用、容量配置及網(wǎng)儲協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，深入分析了目前其研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用的技術(shù)難點，以期為后續(xù)移動式儲能技術(shù)的多場景應(yīng)用提供借鑒；更進(jìn)一步基于應(yīng)用場景特點和需求分析建立移動式儲能技術(shù)指標(biāo)體系，并遵循移動儲能協(xié)同平臺建設(shè)原則，構(gòu)建基于事件和電力區(qū)域特色的移動儲能系統(tǒng)集群動態(tài)博弈調(diào)整方法。最后，結(jié)合雙碳目標(biāo)以及新型電力系統(tǒng)需求對移動式儲能系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望。
關(guān)鍵詞：移動式儲能系統(tǒng)；示范工程；技術(shù)指標(biāo)；智能分派調(diào)度技術(shù)；場景應(yīng)用
2020年，我國電力行業(yè)碳排放量占全社會排放總量的50%以上，因此在能源、交通、工業(yè)全面低碳化的過程中，電力行業(yè)將建設(shè)以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)作為推動我國雙碳戰(zhàn)略的重點舉措。但新能源大規(guī)模發(fā)電并網(wǎng)所帶來的強(qiáng)波動性、隨機(jī)性與間歇性，造成電能實時平衡難度進(jìn)一步增大。為了滿足調(diào)峰、調(diào)頻等不同電力場景需求以及應(yīng)對電力服務(wù)時空約束的新挑戰(zhàn)，兼具電源和負(fù)荷雙重特性，擁有高靈活度、強(qiáng)適應(yīng)性、低成本等優(yōu)點的移動式儲能設(shè)備，將是突破傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃、構(gòu)建新型運營方式、實現(xiàn)電力保障的重要途徑，也將成為未來新型電力系統(tǒng)中電力服務(wù)和保障的重要一環(huán)。
近期，針對新冠疫情與自然災(zāi)害防控過程中出現(xiàn)的大量應(yīng)急電力需求，建設(shè)機(jī)動能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、供電可靠性高的移動儲能系統(tǒng)，形成高度數(shù)字化、智能化的源網(wǎng)荷儲協(xié)同管控，將是保障用電安全可靠的關(guān)鍵。移動儲能系統(tǒng)硬件設(shè)備包含若干電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、信息接收/傳送模塊和信息采集模塊等，軟件方面涵蓋數(shù)據(jù)采樣算法、數(shù)據(jù)挖掘算法、移動儲能規(guī)劃配置方案和調(diào)度控制策略等。移動儲能系統(tǒng)所具備的數(shù)據(jù)分析能力強(qiáng)、調(diào)度控制時間短、覆蓋區(qū)域范圍廣等特點，推動了移動儲能車的快速應(yīng)用，目前，制約移動式儲能系統(tǒng)的兩大關(guān)鍵問題分別是“優(yōu)化配置方案”和“調(diào)度控制策略”，國內(nèi)專家學(xué)者針對這兩項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[7]將移動儲能車應(yīng)用于平抑用電側(cè)負(fù)載波動的場景下，提出基于遺傳算法的移動儲能車調(diào)度優(yōu)化方案，方案以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，驗證了移動儲能設(shè)備在減載方面的突出能力。文獻(xiàn)[8]基于研究移動儲能系統(tǒng)的優(yōu)化配置，旨在提升彈性配電網(wǎng)災(zāi)后供電的快速恢復(fù)能力，同時提高移動儲能系統(tǒng)利用效率。文獻(xiàn)[9]綜合考慮移動儲能周期套利和電網(wǎng)輔助服務(wù)等各項經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，計及配電網(wǎng)調(diào)壓、接入節(jié)點選擇等約束條件，構(gòu)建配電網(wǎng)移動儲能優(yōu)化模型，對移動式儲能車的分配調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化，驗證了移動儲能設(shè)備對配電網(wǎng)的支撐能力，同時證明了移動儲能設(shè)備具備一定的經(jīng)濟(jì)性。
目前，在國家政策和相關(guān)部門的部署推動下，面向電力服務(wù)保障場景的移動式儲能系統(tǒng)已經(jīng)取得了階段性成果。江蘇、貴州等省份相繼探索移動式儲能系統(tǒng)參與電力服務(wù)多場景的實踐應(yīng)用。但是，面對電力服務(wù)場景需求多元化、移動式儲能裝置單機(jī)容量有限、應(yīng)急服務(wù)范圍廣泛等發(fā)展現(xiàn)狀，分布式移動儲能集群難以發(fā)揮出群體匯聚優(yōu)勢。因此，如何分析不同應(yīng)急場景對多種類型儲能性能指標(biāo)的要求、計算移動儲能電氣性能對于應(yīng)急保障程度的邊界的問題對移動式儲能技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。本文整體研究流程見圖1，首先建立移動儲能技術(shù)及其所應(yīng)用多元場景的指標(biāo)邊界體系，基于不同動態(tài)分區(qū)方法對移動儲能集群進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，最終對其調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化控制。針對如何實現(xiàn)移動式儲能系統(tǒng)集群智能分派調(diào)度的問題，主要體現(xiàn)在設(shè)計層、控制層、優(yōu)化層三個方面，本文將從這三個方面展開研究，具體技術(shù)研究路線圖如圖2所示。
圖1 整體研究流程圖
圖2 移動式儲能技術(shù)研究路線圖
本文以雙碳戰(zhàn)略為背景，以新型電力系統(tǒng)建設(shè)方向為指引，首先對雙碳目標(biāo)下移動式儲能技術(shù)的相關(guān)政策及示范工程進(jìn)行梳理分析。然后對其應(yīng)急應(yīng)用、容量配置、網(wǎng)儲協(xié)調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，深入分析了研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用的技術(shù)難點，以期為后續(xù)移動式儲能技術(shù)的多場景應(yīng)用提供借鑒；更進(jìn)一步基于應(yīng)用場景特點和需求分析建立移動式儲能技術(shù)指標(biāo)體系，并遵循移動儲能協(xié)同平臺建設(shè)原則，構(gòu)建基于事件和電力區(qū)域特色的移動儲能系統(tǒng)集群動態(tài)博弈調(diào)整方法。最后結(jié)合雙碳目標(biāo)以及新型電力系統(tǒng)需求對移動式儲能系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)和展望。
1 移動式儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 雙碳目標(biāo)下的儲能技術(shù)相關(guān)政策
當(dāng)前，我國儲能技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用尚處于起步階段，制定合適的相關(guān)政策對儲能產(chǎn)業(yè)今后的發(fā)展至關(guān)重要。因此，儲能相關(guān)政策的制定工作受到國家發(fā)改委、能源局、工信部等部門的普遍重視。2021年3月，國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)電力源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，強(qiáng)調(diào)統(tǒng)籌各類電源開發(fā)利用、適度配備儲能設(shè)施、充分發(fā)揮負(fù)荷側(cè)調(diào)節(jié)能力。同月，十三屆全國人大四次會議通過并發(fā)布《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，明確規(guī)劃指出了我國未來5～15年電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)展路徑，特別強(qiáng)調(diào)在大力發(fā)展可再生能源的同時，要加強(qiáng)源網(wǎng)荷儲協(xié)同能力，持續(xù)提升清潔能源消納和存儲能力，加快推進(jìn)新型儲能技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。由此可見，新型儲能技術(shù)對電能的時序調(diào)節(jié)服務(wù)以及提升電力系統(tǒng)的消納能力等方面具有重要作用，儲能技術(shù)因此成為連接可再生能源發(fā)電和電力系統(tǒng)的重要媒介，也是新能源持續(xù)發(fā)展的核心支撐。
2021年7月，國家發(fā)改委、能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》(以下簡稱《意見》)，明確了我國儲能技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)，即：至2025年，完成新型儲能技術(shù)從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展的轉(zhuǎn)變；至2030年，實現(xiàn)新型儲能技術(shù)全面市場化發(fā)展?！兑庖姟饭膭钔七M(jìn)電源側(cè)儲能項目建設(shè)，充分發(fā)揮大規(guī)模新型儲能的作用，同時支持儲能用戶側(cè)多元化發(fā)展，提升大規(guī)模新能源及大容量直流介入電力系統(tǒng)后的靈活性調(diào)節(jié)能力和安全穩(wěn)定運行水平。《意見》對加快促進(jìn)新型儲能技術(shù)發(fā)展應(yīng)用、推動構(gòu)建新型電力系統(tǒng)具有重要意義。
通過梳理儲能領(lǐng)域相關(guān)政策可知，國家重視儲能技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)延伸，而移動式儲能系統(tǒng)契合新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，且具有靈活性高、靈敏性好、可靠性強(qiáng)、適用范圍廣等特點而備受關(guān)注，這有利于今后移動式儲能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。
1.2 移動式儲能應(yīng)用典型示范工程
近年來，相關(guān)企業(yè)紛紛響應(yīng)國家政策號召，對移動式儲能技術(shù)進(jìn)行了積極部署和有益嘗試，并建設(shè)投運了一批移動式儲能示范工程。例如山西龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司、陜西欣旺達(dá)能源互聯(lián)網(wǎng)研究院等多家單位合作開展的10 MW級鋰電池集裝箱式儲能系統(tǒng)示范工程，該示范工程儲能系統(tǒng)總?cè)萘繛?0 MW/9 MWh，運用大倍率鋰電池成組集成技術(shù)，開展鋰電池集裝箱式儲能系統(tǒng)提高大規(guī)模間歇式能源接入電網(wǎng)的示范應(yīng)用，該示范工程不僅推動了儲能技術(shù)在陜西省的產(chǎn)業(yè)化運用，而且協(xié)調(diào)了右玉當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場參與電網(wǎng)調(diào)度，對移動式儲能在風(fēng)電場的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。此外，中國電力科學(xué)研究院、欣旺達(dá)電子股份有限公司以及各地方電力公司相繼在吉林白城、福建安溪、欣旺達(dá)居民園區(qū)等地部署了適當(dāng)容量的移動式儲能系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。各示范工程詳細(xì)信息如表1所示。
表1 國內(nèi)移動式儲能典型示范工程
目前，移動式儲能電源因供電容量較小以及供電時間較短等因素影響，接入電網(wǎng)后，整體協(xié)調(diào)控制能力有限。因此，針對移動式儲能整體數(shù)量多、分散性強(qiáng)、單一容量小、接入電網(wǎng)位置靈活性高等特點，綜合研究其保障電力系統(tǒng)運行以及經(jīng)濟(jì)性的調(diào)度方法至關(guān)重要。同時，移動式儲能技術(shù)作為應(yīng)急電源，可以大幅提高配電網(wǎng)供電彈性，研究優(yōu)化災(zāi)后移動式儲能與配電網(wǎng)的恢復(fù)策略也是儲能技術(shù)發(fā)展的重要一步。從國內(nèi)這些成功的案例可以看出，移動儲能技術(shù)目前還處于示范性應(yīng)用階段，但移動式儲能技術(shù)在諸如平抑電網(wǎng)波動、提供應(yīng)急服務(wù)等領(lǐng)域已凸顯出一定的應(yīng)用潛力。因此，急需建立不同場景下的移動儲能系統(tǒng)服務(wù)需求與協(xié)同控制策略[19]，高效利用配電網(wǎng)中閑置的儲能資源，提升電力系統(tǒng)的靈活性與可靠性。
2 移動式儲能技術(shù)體系
2.1 基于多元電力事件需求的移動儲能技術(shù)指標(biāo)設(shè)計
移動式儲能技術(shù)應(yīng)用場景多元、分散廣泛化，不同場景下對移動式儲能技術(shù)的服務(wù)需求差異較大，因此，要分別從源—網(wǎng)—荷角度出發(fā)，分析保電—應(yīng)急—備用—移動救援—調(diào)峰—調(diào)頻等不同電力事件需求的特點，挖掘不同電力事件對移動式儲能裝置需求，然后利用層次分析法和熵權(quán)法對移動儲能裝置技術(shù)指標(biāo)的主客觀賦權(quán)，明確移動儲能建設(shè)的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)，建立移動式儲能技術(shù)指標(biāo)。
首先，在應(yīng)急場景下，如電網(wǎng)不堪高負(fù)荷引起的大幅波動，移動式儲能可以作為靈活性電源保障部分負(fù)荷的安全用電，緩解電力系統(tǒng)供電壓力。同時，移動式儲能電源可作為應(yīng)急電源向諸如臨時醫(yī)院等特殊電力用戶提供可靠的電能供應(yīng)，緩解用電危機(jī)并大幅減少電網(wǎng)建造維護(hù)成本。并且信息社會下人們對大數(shù)據(jù)中心、機(jī)場、商業(yè)區(qū)等敏感地區(qū)的供電安全提出更高的要求，移動式儲能電源可作為備用電源以提高電力保障的可靠性。
其次，非應(yīng)急需求是指在保證應(yīng)急場景下移動式儲能系統(tǒng)應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，提高可再生能源接入電網(wǎng)能力，進(jìn)一步解決波動性負(fù)荷問題，完成日常調(diào)峰調(diào)壓，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定，并追求作為應(yīng)急電源之外的經(jīng)濟(jì)效益。
熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重，其流程圖如圖3所示，先由熵權(quán)法完成對各項技術(shù)指標(biāo)的客觀權(quán)重賦值，再通過層次分析法確定不同類型的儲能方案。從技術(shù)水準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)成本、環(huán)境要求和技術(shù)成熟度四個方面出發(fā)，匯總儲能選型決策指標(biāo)，形成儲能選型的決策指標(biāo)集。決策指標(biāo)集中包含目標(biāo)層A、決策層B和方案層C三層，其中目標(biāo)層是儲能選型的追求目標(biāo)——儲能系統(tǒng)的工況適用性；決策層B匯總了儲能選型過程中涉及的所有決策指標(biāo)，其中包含兩方面，第一層為決策指標(biāo)大類，第二層為各大類指標(biāo)下的決策子指標(biāo)；方案層c為儲能系統(tǒng)待選方案，具體決策指標(biāo)內(nèi)容如圖3所示。
圖3 熵權(quán)法客觀賦權(quán)及儲能選型
2.2 基于移動儲能及聯(lián)合移動儲能供給的技術(shù)指標(biāo)體系和支撐邊界
目前，新型儲能技術(shù)種類繁多，不同儲能技術(shù)之間的運行特性相差較大，若要進(jìn)行聯(lián)合網(wǎng)儲供能，首先要梳理不同類型儲能系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)以及聯(lián)合運行機(jī)理，并綜合考慮不同類型儲能技術(shù)的能量密度、響應(yīng)時間等技術(shù)指標(biāo)以及儲能互補(bǔ)運行機(jī)理兩方面因素，基于不同電力事件構(gòu)建仿真模型，最終利用擾動分析方法和蒙特卡洛模擬方法計算技術(shù)指標(biāo)對電力事件的靈敏度和支撐邊界。
本文基于不同電力事件需求分析各類型儲能系統(tǒng)的技術(shù)運行特性，結(jié)合不同電源經(jīng)濟(jì)成本、技術(shù)發(fā)展趨勢、環(huán)境評估等指標(biāo)，建立了考慮不同利益主體的移動式儲能電源綜合效益模型，其中，表2為多種儲能系統(tǒng)詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)對比。目前，電化學(xué)儲能與電磁儲能相比具有規(guī)模容量大、單位成本低等優(yōu)勢，可以顯著增強(qiáng)輸配電網(wǎng)支撐和負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，提升儲能電站運行經(jīng)濟(jì)性；與物理儲能相比具有功率規(guī)模大、充放電效率高等優(yōu)勢。此外，電化學(xué)儲能設(shè)備選址定容靈活性高等特點，因此受到廣泛關(guān)注，裝機(jī)容量也已經(jīng)向100 MWh級別發(fā)展。本文所提出的技術(shù)指標(biāo)體系和支撐邊界綜合考慮了移動式儲能系統(tǒng)對配電網(wǎng)內(nèi)電力事件的響應(yīng)度以及參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的經(jīng)濟(jì)性等因素，基于各類儲能技術(shù)的能量傳遞流程，對比分析各類儲能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，收集各類儲能技術(shù)的主要技術(shù)參數(shù)如能源轉(zhuǎn)換效率、充放能速率、充放能持續(xù)時長等，分析各類儲能技術(shù)對于不同時間尺度的城市電力管理場景的適應(yīng)性，明確不同類型儲能技術(shù)的運行特性，各類儲能技術(shù)的特性參數(shù)以及電能支撐圖見圖4。
表2 不同類型儲能系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)對比
圖4 綜合數(shù)據(jù)分析的移動儲能支撐能力
由圖4可知，鉛酸電池儲能對于輸配電電網(wǎng)支撐與負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力具有較大的優(yōu)勢，同時能夠有效改善電能質(zhì)量；鋰離子電池的響應(yīng)時間具有較大的靈活性，可以根據(jù)使用場景的需求選擇合適的響應(yīng)時間，降低儲能應(yīng)用成本。此外，超導(dǎo)磁儲能系統(tǒng)和大功率超級電容器的響應(yīng)時間極短，能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)需求。結(jié)合表2數(shù)據(jù)可以得出，目前電化學(xué)儲能技術(shù)經(jīng)濟(jì)、效率等綜合優(yōu)勢較高，將廣泛應(yīng)用于各類場景，以提升電力系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力。
2.3 基于不同電力事件需求的移動儲能裝置級—平臺級—系統(tǒng)級設(shè)計原則與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)
移動儲能裝置級作為獨立的儲能單元具備調(diào)度靈活性高、響應(yīng)能力快等優(yōu)勢，可以迅速抵達(dá)電網(wǎng)故障地點，具備在故障情況下保障部分社區(qū)及工商業(yè)應(yīng)急用電的能力；更進(jìn)一步地將各個獨立運行的裝置級儲能單元電能及位置數(shù)據(jù)上傳至公共平臺，通過調(diào)度平臺統(tǒng)一指揮，可以有效提高移動儲能設(shè)備利用率，增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力。最終移動儲能平臺基于電力事件需求特點，利用智能調(diào)度控制策略，搭建移動儲能系統(tǒng)級調(diào)度中心，推動移動儲能參與電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)，增強(qiáng)對新型電力系統(tǒng)的支撐能力。因此，本文提出歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動下不同電力事件影響等級的先驗信息估計方法，根據(jù)城市供電重要性等級與不同電力事件供電需求，通過蒙特卡洛方法仿真模擬儲能系統(tǒng)在裝置級—平臺級—系統(tǒng)級不同指標(biāo)下的后驗信息；然后，基于先/后驗信息的差異度，綜合構(gòu)建不同電力事件需求的“系統(tǒng)—平臺—裝置”三位一體的移動儲能體系設(shè)計原則和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，并以此構(gòu)建針對移動式儲能系統(tǒng)的“可調(diào)度”移動儲能管控平臺。
根據(jù)先驗信息，采用貝葉斯理論可以客觀分析事件發(fā)生概率，即在有限信息驅(qū)動下，做出最好的預(yù)測，并根據(jù)實際信息的變化不斷進(jìn)行修正，整體理論邏輯如圖5所示。電力系統(tǒng)采用貝葉斯理論，在地區(qū)供電重要性等級以及歷史數(shù)據(jù)驅(qū)動下，先對不同電力事件影響等級進(jìn)行先驗估計，然后根據(jù)已有數(shù)據(jù)分析展示出不同電力事件電力供應(yīng)的需求，可以顯著提升電網(wǎng)調(diào)度可靠性和靈敏性。
圖5 先驗信息估計方法邏輯圖
3 移動式儲能系統(tǒng)智能調(diào)度技術(shù)
3.1 基于移動儲能系統(tǒng)集群響應(yīng)多元場景需求能力的動態(tài)分區(qū)方法
移動儲能裝置因其單體容量有限、群體分布范圍廣等因素難以支撐電網(wǎng)的輔助服務(wù)。因此，可以利用移動儲能集群匯聚效應(yīng)來平抑電網(wǎng)波動等影響，即基于不同的電力事件，利用相應(yīng)的調(diào)度策略將有限容量的移動儲能設(shè)備形成規(guī)模化集群，然后采用合適的控制策略將其匯聚集合，選擇最優(yōu)節(jié)點將匯聚的移動儲能裝置投入運行，能夠顯著增強(qiáng)電網(wǎng)靈活性調(diào)節(jié)能力。近年來，國內(nèi)專家對移動式儲能和電網(wǎng)聯(lián)合運行調(diào)度進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[28]提出了基于移動儲能共享模式的網(wǎng)儲協(xié)同經(jīng)濟(jì)策略，并建立了車-儲動態(tài)時空轉(zhuǎn)移模型。文獻(xiàn)[29]提出了配電網(wǎng)動態(tài)重構(gòu)與移動儲能協(xié)同優(yōu)化的方法，采用模糊C均值算法重構(gòu)時段，并建立了電網(wǎng)重構(gòu)策略與移動儲能經(jīng)濟(jì)調(diào)度的兩階段協(xié)同優(yōu)化模型。文獻(xiàn)[30]基于削峰填谷可靠性和經(jīng)濟(jì)性建立了雙層調(diào)度優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[31]提出了根據(jù)儲能不同模塊的輸入/輸出功率及電池荷電狀態(tài)實現(xiàn)網(wǎng)儲協(xié)調(diào)運行的控制策略。文獻(xiàn)[32]提出一種市場電價驅(qū)動的移動儲能車調(diào)度方案。該方案利用主從博弈模型，通過電價進(jìn)行協(xié)調(diào)博弈，提高電網(wǎng)運行靈活性。
以上文獻(xiàn)均未考慮移動式儲能的集群匯聚效應(yīng)。因此，本文提出的動態(tài)分區(qū)策略基于配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的源—網(wǎng)—荷—儲信息，應(yīng)用全景理論分析分布式移動儲能系統(tǒng)集群在應(yīng)急和輔助服務(wù)等多場景應(yīng)用中的匯聚效應(yīng)，建立分布式移動儲能系統(tǒng)集群匯聚效用量化指標(biāo)，結(jié)合各移動儲能系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)、位置信息等參數(shù)形成移動儲能系統(tǒng)相似度分區(qū)指標(biāo)，最終提出改進(jìn)型社團(tuán)分區(qū)理論對各移動儲能(mobile energy storage，MES)進(jìn)行動態(tài)分區(qū)。
本文對比分析各類儲能技術(shù)應(yīng)用場景及傳統(tǒng)儲能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，通過研究MES匯聚的計費辦法，綜合考慮匯聚容量、設(shè)備成本、合理收益率等因素，最終建立儲能報價策略模型，通過經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向引導(dǎo)電能消費行為，評估可匯聚移動儲能的最大潛力。面對突發(fā)緊急事件防控，通過政策約束，最大程度利用分布式儲能設(shè)備，保障重要用電設(shè)備的供電。此外，定義包含容量支撐能力、動態(tài)響應(yīng)能力、經(jīng)濟(jì)性等匯聚性能考核準(zhǔn)則的儲能系統(tǒng)匯聚潛力指數(shù)，建立包含功率支撐能力、有效匯聚時間比、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)可靠性等的考核指標(biāo)集，建立主客觀相結(jié)合的決策權(quán)重集，采用層次分析法對儲能設(shè)備進(jìn)行篩選排序，為移動儲能匯聚應(yīng)用提供理論支撐。
將儲能技術(shù)應(yīng)用于面向電網(wǎng)的需求響應(yīng)等支撐性作用方面，是對傳統(tǒng)技術(shù)手段的替代和優(yōu)化，衡量MES的匯聚效應(yīng)可從技術(shù)性方面展開，通過研究在參與電網(wǎng)需求響應(yīng)的應(yīng)用場景下，以功能價值量化MES的匯聚效應(yīng)，通過實現(xiàn)同樣功能的傳統(tǒng)技術(shù)手段規(guī)模度量分布式儲能技術(shù)的匯聚效應(yīng)。
全景理論聚合方法以系統(tǒng)能量函數(shù)減小為基礎(chǔ)，通過不斷地移動換組，預(yù)測資源聚合的最佳情況。對配電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)分散布局的移動儲能系統(tǒng)開展分區(qū)理論研究，將含有大量移動式儲能系統(tǒng)的局域電網(wǎng)視為一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。移動式儲能系統(tǒng)分區(qū)一般基于常規(guī)聚類理論基礎(chǔ)且沒有最優(yōu)區(qū)域數(shù)目的先決條件，采用全景理論，建立綜合考慮分散式儲能設(shè)備的運行狀態(tài)、運行策略等因素的匹配度模型，將匹配度高的儲能系統(tǒng)聚合劃分為一個子區(qū)，各分區(qū)可獨立調(diào)度調(diào)節(jié)，顯著提升區(qū)域調(diào)度合理性，其調(diào)度控制框架如圖6所示。
圖6 移動式儲能調(diào)度控制框架
3.2 計及電力保障和參與電網(wǎng)輔助服務(wù)經(jīng)濟(jì)性綜合指標(biāo)的移動儲能系統(tǒng)集群動態(tài)調(diào)整方法
上文根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的電力應(yīng)急事件的特點，建立了面向配電區(qū)域和事件的移動儲能系統(tǒng)應(yīng)急服務(wù)技術(shù)指標(biāo)，本節(jié)延續(xù)利用模糊理論推理出當(dāng)前移動儲能應(yīng)急服務(wù)概率與需求容量，基于區(qū)域電網(wǎng)能源的特點，利用場景生成理論建立移動儲能典型應(yīng)用場景及經(jīng)濟(jì)收益模型，最終建立移動儲能輔助服務(wù)經(jīng)濟(jì)性期望與應(yīng)急、保電、救援等服務(wù)容量期望模型，并利用博弈論理論動態(tài)調(diào)整移動儲能集群中應(yīng)急服務(wù)與電網(wǎng)輔助服務(wù)移動儲能單元分配策略。
MES是一種時空靈活性資源，它是將儲能電池組和儲能雙向變流器集成于集裝箱內(nèi)，配備牽引車輛而形成的移動儲能車，賦予了固定儲能電池在空間上的可平移性。為了提高資源利用率，移動儲能的運營策略包括“常規(guī)運營”和“供電保障”兩個模式。“常規(guī)運營”是指配電網(wǎng)無故障發(fā)生正常運行時，移動儲能在“集中站”接收輔助服務(wù)指令隨時接受調(diào)度，通過對儲能充放電功率進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，從而為系統(tǒng)提供可再生能源消納，峰谷套利、輔助調(diào)頻等服務(wù)；“供電保障”是在線路故障等突發(fā)事件和設(shè)備檢修等預(yù)安排停電事件時，系統(tǒng)則由“常規(guī)運營”轉(zhuǎn)為“供電保障”，移動儲能車實時上傳自身位置及電量等信息，并依據(jù)“控制中心”的調(diào)控指令，行駛到目的地進(jìn)行應(yīng)急供電。
利用場景生成理論構(gòu)建的隨機(jī)場景集綜合考慮了負(fù)荷、緊急事件、電網(wǎng)以及熱能供應(yīng)的不確定性，并深入分析每個獨立不確定性因素內(nèi)部的時序自相關(guān)性和不確定性因素之間的互相關(guān)性，且闡明了時序自相關(guān)性和互相關(guān)性的含義，如圖7所示，其中，時序自相關(guān)性描述了同一時間序列不同時刻任意兩元素的關(guān)聯(lián)程度，互相關(guān)性描述了不同時間序列之間的關(guān)聯(lián)程度。
圖7 時序自相關(guān)性與互相關(guān)性的含義
為了使生成的隨機(jī)場景集更貼合實際情況，將配電臺區(qū)的負(fù)荷、緊急事件發(fā)生概率、電網(wǎng)波動、熱能供應(yīng)等因素分別按照過渡季、夏季和冬季處理。首先基于各個不確定性因素所服從的概率分布，利用蒙特卡洛隨機(jī)抽樣得到n個初始隨機(jī)場景；然后賦予真實參考場景的時序自相關(guān)性，得到具有時序自相關(guān)性的因素樣本。此外，通過采用慣性權(quán)重線性遞減的粒子群算法達(dá)到縮減場景規(guī)模、優(yōu)化場景質(zhì)量的目的，最終獲得綜合考慮時序自相關(guān)性和互相關(guān)性的隨機(jī)場景集。
在新興的應(yīng)用場景下，通過采用Nash博弈模型動態(tài)調(diào)整分布式移動儲能集群中應(yīng)急服務(wù)與非應(yīng)急服務(wù)移動儲能單元分配方法。具體步驟如下：
①判斷配電臺區(qū)電力供應(yīng)與用戶電力需求是否匹配；
②基于夸大行為的價格討價還價策略進(jìn)行應(yīng)急服務(wù)與非應(yīng)急服務(wù)移動儲能之間單元分配的博弈；
③判斷分配之后用于應(yīng)急服務(wù)移動式儲能集群是否能夠滿足應(yīng)急地區(qū)的電力應(yīng)急需求；
④若能，則分配正確，本次應(yīng)急調(diào)度結(jié)束；否則，根據(jù)本次實際情況，動態(tài)調(diào)整儲能單元分配方法。
3.3 具有高響應(yīng)度的移動式儲能集群時域滾動優(yōu)化調(diào)度方法
移動儲能調(diào)度方法基于每個儲能裝置的剩余電量以及供電需求點發(fā)送的供電需求指令，按照所述供電需求指令中的需求電量從大到小將所述供電需求點進(jìn)行排序，將排序順序確定為所述供電需求點的供電調(diào)度優(yōu)先級，當(dāng)前最高優(yōu)先級別的供電需求點按照從近到遠(yuǎn)的距離對移動儲能設(shè)備進(jìn)行排序，選取距離所述供電需求點最近的儲能裝置，并按照剩余電量從大到小的順序選取儲能裝置，直至滿足所述供電需求點的能量需求。裝置系統(tǒng)調(diào)度策略流程如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)調(diào)度策略流程圖
此外，開展MES的分區(qū)理論研究以優(yōu)化移動式儲能具備的分散性特點，將含有大量MES的“可調(diào)度”電源管控平臺視為一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，采用社團(tuán)分區(qū)算法，建立考慮MES所在位置、動態(tài)特性、荷電狀態(tài)、控制方式等因素的相似度指標(biāo)，將相似度高的MES聚合劃分為一個子區(qū)域。分區(qū)后，考慮在不同應(yīng)用場景下的MES適用性，并采用分區(qū)模塊度指標(biāo)描述分區(qū)的工況適用性，各分區(qū)可獨立、快速接收區(qū)域內(nèi)“可調(diào)度”電源指令，提高移動式儲能集群響應(yīng)度。
集群控制框架及通信方式見圖9。如圖9所示，構(gòu)建“可調(diào)度”電源管控平臺的集群控制調(diào)度框架，框架分3層，決策層、網(wǎng)絡(luò)層和實施層，基于分區(qū)理論得到MES集群，每個集群可以實時上報設(shè)備的運行狀態(tài)、自身荷電狀態(tài)、匯聚潛力和功能報價，“可調(diào)度”電源管控平臺依據(jù)MES的匯聚潛力評估和篩選排序理論、電網(wǎng)的時序儲能需求和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化目標(biāo)制定調(diào)度計劃，下發(fā)調(diào)度計劃給MES，“可調(diào)度”電源通過對最底層MES的調(diào)度形成對上級電網(wǎng)的有效支撐。研究集群控制系統(tǒng)的通訊方案，支持MES與上級調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行快速通信，各層間通過合作網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行交互，滿足匯聚系統(tǒng)整體及MES的約束和需求，以動態(tài)地響應(yīng)系統(tǒng)需求的變化。
圖9 集群控制框架及通信方式
移動儲能的優(yōu)化調(diào)控是混合整數(shù)的非線性規(guī)劃問題，即在配電網(wǎng)與交通網(wǎng)耦合約束下求解以負(fù)荷損失最小為目標(biāo)的移動儲能車最佳調(diào)控方案，其優(yōu)化調(diào)控指令包括：路徑類指令和功率類指令。
目標(biāo)函數(shù)為時間集合T內(nèi)負(fù)荷削減量最小
式中，圖片、圖片分別為配電網(wǎng)中節(jié)點集合和支路集合；圖片為t時刻節(jié)點i的負(fù)荷削減量；圖片、圖片分別為支路i,j的電阻和t時刻電流的平方；Δt為時間間隔；等式右側(cè)前一項表示配電網(wǎng)負(fù)荷削減量，后一項用于保證二階錐松弛優(yōu)化后模型求解的準(zhǔn)確性，λ為一個較大的正數(shù)。
其中，約束條件包括路徑約束、儲能電池約束、配網(wǎng)潮流約束。
移動儲能的運行調(diào)度具有時空分布廣、耦合約束多、不可預(yù)測性強(qiáng)等特性，例如故障預(yù)期持續(xù)時間等故障信息預(yù)測精度低，道路擁堵、交通事故等路況信息存在偶然性，移動儲能車可能未按計劃到達(dá)預(yù)定位置等，而上述電網(wǎng)、交通和移動儲能的不確定性因素均會給調(diào)控運行帶來較大偏差，若僅依靠在故障發(fā)生初決策的調(diào)控計劃，不能保證達(dá)到最優(yōu)的調(diào)控效果。針對該問題，構(gòu)建調(diào)控策略的滾動優(yōu)化框架，根據(jù)車路網(wǎng)實時信息，每隔Δt對移動儲能調(diào)控策略進(jìn)行更新修正，最大限度地消除因各類不確定性因素導(dǎo)致調(diào)控偏差過大的現(xiàn)象，滾動優(yōu)化框架如圖10所示。在調(diào)控過程中，控制中心每隔Δt時間收取配網(wǎng)故障信息、交通路況信息和移動儲能車的位置與電量信息，優(yōu)化求解并下發(fā)圖片時段的路徑類和功率類調(diào)控指令，各輛移動儲能車依指令調(diào)度。
圖10 滾動優(yōu)化策略示意圖
4 結(jié)語
新型儲能技術(shù)契合新型電力系統(tǒng)發(fā)展方向，有助于推動我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的加速實現(xiàn)，其中，移動式儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)對電力系統(tǒng)平穩(wěn)運行、應(yīng)急情況下緊急供電等應(yīng)用具有重要意義。本文通過分析移動式儲能系統(tǒng)應(yīng)用場景，梳理特定情況下電力系統(tǒng)需求，最終優(yōu)化移動式儲能系統(tǒng)調(diào)度管理，具體表現(xiàn)如下。
（1）梳理雙碳目標(biāo)下與新型儲能技術(shù)相關(guān)的政策部署，基于示范工程功能與特點進(jìn)行分析。然后以典型電力事件為基礎(chǔ)，建立此場景下不同儲能互補(bǔ)運行仿真模型，分析不同類型儲能指標(biāo)在不同電力事件下的靈敏度，最后綜合歷史先驗信息和仿真模擬的后驗信息，提出從“裝置-平臺-系統(tǒng)”三個方面建設(shè)移動儲能體系的方法。
（2）以電力應(yīng)急與儲能指標(biāo)的供需關(guān)系分析為切入點，在系統(tǒng)且充分了解面向電力應(yīng)急的移動儲能規(guī)劃建設(shè)體系的基礎(chǔ)上，從移動儲能單體設(shè)計至移動儲能系統(tǒng)集群，自下而上地論證各層級硬件裝置設(shè)計方案、軟件算法實現(xiàn)方式，形成了移動儲能系統(tǒng)服務(wù)電力應(yīng)急場景的全套方案，為實際工程中移動儲能技術(shù)應(yīng)用提供決策依據(jù)。
（3）針對不同電力事件對移動儲能裝置的需求，不同類型儲能的技術(shù)指標(biāo)以及聯(lián)合運行機(jī)理，分別采用層次分析法、熵權(quán)法、擾動分析方法和蒙特卡洛模擬方法進(jìn)行計算，具有速度快、精度高、適用性強(qiáng)等諸多優(yōu)點，可以精準(zhǔn)辨識移動式儲能狀態(tài)及關(guān)鍵指標(biāo)，為今后技術(shù)指標(biāo)量化評價奠定了基礎(chǔ)。
（4）基于移動儲能系統(tǒng)多場景應(yīng)用能力的辨識和動態(tài)群組分割，解析分布式移動儲能系統(tǒng)在多元電力事件中的匯聚效應(yīng)，并以提高電力保障可靠性和經(jīng)濟(jì)性為目的，建立基于事件和電力區(qū)域特色的移動儲能系統(tǒng)集群動態(tài)博弈調(diào)整方法，兼顧移動儲能系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)和電網(wǎng)輔助服務(wù)等多元場景下的經(jīng)濟(jì)性，使移動式儲能滿足配電區(qū)域內(nèi)不同應(yīng)用場景需求。最后，定義移動儲能集群的電力事件需求響應(yīng)度，并建立基于交通與電網(wǎng)信息的移動儲能集群高電力服務(wù)響應(yīng)度優(yōu)化調(diào)度模型和求解方法。
（5）目前，在電價驅(qū)動下，采用雙層優(yōu)化模型，可以仿真得出移動式儲能車在不同的時機(jī)進(jìn)入電網(wǎng)，根據(jù)電價的變化情況，凈收益率最高達(dá)136.55%，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。
（6）當(dāng)前，儲能系統(tǒng)容量小、供電時間有限等因素制約移動式儲能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，若將電網(wǎng)中的閑置儲能裝備通過匯聚技術(shù)接入到移動儲能平臺，能夠顯著增強(qiáng)其對電力系統(tǒng)的保障能力。本文通過對移動式儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的分析探索，為今后移動式儲能技術(shù)的多元化應(yīng)用及高效率運行提供借鑒參考。
