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本文亮點：1.在儲能系統(tǒng)規(guī)劃階段，針對風(fēng)光協(xié)同消納的不同應(yīng)用場景，提出一種基于運行成本的儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法。以棄風(fēng)、棄光和儲能投資成本之和最小為目標函數(shù)，考慮功率平衡、支路潮流以及火電、風(fēng)電和光伏出力等約束條件，對不同場景下儲能系統(tǒng)容量進行規(guī)劃。2.在儲能系統(tǒng)實際運行階段，針對儲能系統(tǒng)SOC均衡度較差和運行策略實現(xiàn)較難的問題，提出儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略。根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的儲能系統(tǒng)功率指令，在上層基于儲能電池子系統(tǒng)SOC和充放電能力選擇最優(yōu)充放電電池子系統(tǒng)，在下層以電池單元SOC均衡為目標實現(xiàn)功率優(yōu)化分配，并基于AOE控制組態(tài)通過Excel編寫配置文件實現(xiàn)該策略。
摘 要 “雙碳”背景下，綜合考慮儲能系統(tǒng)容量配置方法和運行策略，有助于提高風(fēng)光可再生能源消納率、保障系統(tǒng)經(jīng)濟性和安全運行。在儲能系統(tǒng)規(guī)劃階段，針對風(fēng)光協(xié)同消納的不同應(yīng)用場景，本文提出一種基于運行成本考慮的儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置方法。以棄風(fēng)、棄光和儲能投資成本之和最小為目標函數(shù)，考慮功率平衡、支路潮流以及火電、風(fēng)電和光伏出力等構(gòu)建約束條件，對不同場景下儲能系統(tǒng)容量進行規(guī)劃，從而減少棄風(fēng)棄光，實現(xiàn)對風(fēng)光可再生能源的消納。在儲能系統(tǒng)實際運行階段，針對儲能系統(tǒng)SOC均衡度較差和運行策略實現(xiàn)較難的問題，提出儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略。根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的儲能系統(tǒng)功率指令，在上層基于儲能電池子系統(tǒng)剩余電量(state of charge, SOC)和充放電能力選擇最優(yōu)充放電電池子系統(tǒng)，在下層以電池單元SOC均衡為目標實現(xiàn)功率優(yōu)化分配，并基于AOE(activity on edge)控制組態(tài)通過Excel編寫配置文件實現(xiàn)該策略，具有使用難度低、編寫簡單、控制過程形象直觀、計算與運行效率高等優(yōu)點，對減緩電池老化、降低用戶運行策略實現(xiàn)難度、有效消納風(fēng)光可再生能源具有重要意義。
關(guān)鍵詞 儲能系統(tǒng)；容量優(yōu)化配置；運行策略；剩余電量均衡；AOE
隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電、光伏等可再生能源的接入比例不斷提高，然而其固有的隨機性、不確定性等特點制約了電力系統(tǒng)對可再生能源的消納。單純依靠系統(tǒng)現(xiàn)有調(diào)節(jié)能力難以滿足可再生能源消納需求，靈活調(diào)節(jié)資源可以對風(fēng)電、光伏的隨機波動進行互補，為可再生能源的大規(guī)模并網(wǎng)消納問題提供新的解決方案。作為靈活調(diào)節(jié)資源代表的儲能系統(tǒng)具有快速響應(yīng)的優(yōu)勢和靈活吞吐能量的功能，在應(yīng)對風(fēng)電光伏波動方面發(fā)揮著重要作用。儲能系統(tǒng)的容量對風(fēng)光互補系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性和運行安全性具有重要影響，在儲能系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計階段，容量過小無法有效消納系統(tǒng)可再生能源，從而導(dǎo)致棄風(fēng)棄光，而容量過大則增加投資和維護成本；在儲能系統(tǒng)實際運行階段，進一步制定合理的儲能運行策略可以最大限度地利用儲能系統(tǒng)的容量，保障調(diào)度計劃有效實施，有效消納可再生能源，同時減緩電池老化，保障系統(tǒng)運行安全。因此，在實際應(yīng)用過程中，綜合考慮儲能系統(tǒng)容量配置方法和運行策略，有助于提高可再生能源消納率，確保系統(tǒng)的經(jīng)濟性和安全運行。
在上述背景下，對儲能容量進行合理配置具有重要意義。在風(fēng)光互補系統(tǒng)下儲能容量配置研究中，目前多在目標函數(shù)中考慮成本進行容量優(yōu)化，文獻[9]通過分析歷史數(shù)據(jù)總結(jié)新能源出力規(guī)律，以成本和平抑效果為目標求解儲能配置容量。文獻[10]針對風(fēng)光互補系統(tǒng)，提出考慮成本的壓縮空氣儲能、鋰電池和電容器混合儲能容量配置方法，分析了多種儲能的運行特性求解得到容量配置結(jié)果。但是上述研究儲能成本計算方法較為簡單、考慮因素較少，與實際存在偏差。文獻[11]研究了風(fēng)光儲微網(wǎng)的儲能容量優(yōu)化配置方法，采用了3種方法確定儲能容量，最后通過算例對比方法的異同。文獻[12]建立了風(fēng)光儲聯(lián)合規(guī)劃模型，并提出了基于分解協(xié)調(diào)的分層優(yōu)化算法，兩層相互迭代求解最優(yōu)容量。上述研究對風(fēng)光互補系統(tǒng)下的儲能容量進行了計算，但是對風(fēng)光場景類別考慮尚不充分，有待進一步深入研究。
在儲能系統(tǒng)實際運行階段，制定合理運行策略將儲能系統(tǒng)協(xié)同消納風(fēng)光可再生能源功率指令進行有效分配，對消納可再生能源、保障系統(tǒng)安全運行至關(guān)重要。目前多采用剩余電量(state of charge, SOC)比例功率優(yōu)化分配策略，根據(jù)SOC比例進行功率分配，控制SOC運行在合理區(qū)間，為目標函數(shù)進行功率優(yōu)化分配，滿足功率需求指令。文獻[13]對不同功率運行策略下SOC變化率進行了對比分析，進而提出改進系數(shù)的儲能系統(tǒng)運行策略，并根據(jù)SOC比例分配功率進行了仿真驗證；文獻[14]提出了風(fēng)電場的飛輪儲能矩陣系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法，根據(jù)儲能單元可用電量按照比例分配充放電功率。上述研究采用SOC比例功率優(yōu)化分配策略，改善了系統(tǒng)功率分配精度，但是會使放電過程同調(diào)度時段SOC較低儲能單元SOC仍下降，充電過程同調(diào)度時段SOC較高儲能單元SOC繼續(xù)上升，存在儲能單元因為持續(xù)充放電提前達到SOC上限或下限，提前停止運行的問題，損傷電池壽命，增加危險事故發(fā)生的概率。此外，文獻[15]基于電池組SOC值大小選取最優(yōu)充放電電池組，計算最優(yōu)電池組最大充放電功率，若滿足均分給各優(yōu)先電池組。文獻[16]基于SOC數(shù)值將儲能系統(tǒng)劃分為正常、減少和禁止充放電工作區(qū)間，根據(jù)SOC狀態(tài)利用模糊控制實時調(diào)節(jié)儲能功率，保障SOC運行在安全區(qū)間。上述研究僅考慮SOC邊界，未充分考慮SOC均衡度問題，儲能單元SOC不均衡會導(dǎo)致過充過放、部分單元提前退出停止運行等事件發(fā)生，制約系統(tǒng)的可用容量，因此有必要開展提高儲能SOC均衡度研究，減少充放電循環(huán)的次數(shù)、防止過充過放，保持電池安全穩(wěn)定運行。文獻[19]提出了一種含電/氫復(fù)合儲能的直流微電網(wǎng)模糊功率分配和協(xié)調(diào)控制方法，并基于TMS320F28335 DSP和實時仿真RT-LAB的硬件在環(huán)實驗平臺實現(xiàn)控制策略，但是存在實現(xiàn)過程復(fù)雜繁瑣、學(xué)習(xí)門檻高的問題。文獻[20]設(shè)計了飛輪儲能實驗系統(tǒng)，通過可編程邏輯控制器(PLC)控制飛輪陣列充放電，但是使用過程還存在底層代碼較為復(fù)雜，控制策略實現(xiàn)需要較強編程基礎(chǔ)的問題，因此有必要研究簡單易用、學(xué)習(xí)門檻低的控制策略實現(xiàn)方法，便于工程人員使用。
本文針對儲能系統(tǒng)容量配置和運行策略現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，首先提出了考慮運行成本的儲能系統(tǒng)容量配置方法，在儲能系統(tǒng)規(guī)劃階段考慮棄風(fēng)棄光等成本，提高可再生能源消納率，減少系統(tǒng)運行成本；其次提出了儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略，并基于AOE(activity on edge)控制組態(tài)求解功率分配結(jié)果，實現(xiàn)可再生能源消納，保障儲能系統(tǒng)運行安全，降低實現(xiàn)難度；最后通過仿真實驗驗證所提方法的有效性。
2 考慮運行成本的儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置研究
2.1 考慮運行成本的優(yōu)化配置策略目標函數(shù)構(gòu)建
2.2 考慮運行成本的優(yōu)化配置策略約束條件構(gòu)建
3 儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略
3.1 儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略框架
根據(jù)上述方法得到的容量配置結(jié)果構(gòu)建儲能系統(tǒng)，考慮儲能系統(tǒng)建成后即實際運行階段，各儲能電池單元由于充放電工作不同，荷電狀態(tài)存在較大差異，為了減少充放電循環(huán)的次數(shù)、防止過充過放，保持電池安全穩(wěn)定運行，本文提出儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略。根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的儲能系統(tǒng)功率指令，上層以最優(yōu)工作電池子系統(tǒng)選擇為目標函數(shù)，根據(jù)指令功率和儲能電池子系統(tǒng)實際充放電功率關(guān)系選擇最優(yōu)充放電電池子系統(tǒng)，下層以SOC均衡度為目標函數(shù)，實現(xiàn)電池單元之間的功率分配，其策略流程，如圖1所示。
圖1 功率優(yōu)化分配雙層運行策略流程圖
3.2 上層運行策略——最優(yōu)電池子系統(tǒng)選擇層
3.3 下層運行策略——功率優(yōu)化分配層
根據(jù)上層運行策略得到的最優(yōu)放電電池子系統(tǒng)和每個儲能電池子系統(tǒng)承擔的總功率，在儲能電池子系統(tǒng)內(nèi)部即儲能電池單元之間以SOC均衡度最小為目標函數(shù)，實現(xiàn)功率優(yōu)化分配，可以表示為式(26)。
4 算例分析
本文以改進Garver-6節(jié)點系統(tǒng)為例，拓撲圖如圖2所示，研究不同滲透率和風(fēng)光比例下儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果。
圖2 改進Garver-6節(jié)點網(wǎng)絡(luò)圖
系統(tǒng)輸電線路數(shù)據(jù)、火電廠數(shù)據(jù)、系統(tǒng)最大負荷、儲能系統(tǒng)成本參數(shù)、典型日內(nèi)負荷、風(fēng)電和光伏波動曲線分別如表1~5所示。
表1 Garver-6 節(jié)點系統(tǒng)輸電線路數(shù)據(jù)
表2 Garver-6 節(jié)點系統(tǒng)火電廠數(shù)據(jù)
表3 Garver-6 節(jié)點系統(tǒng)最大負荷
表4 儲能系統(tǒng)成本參數(shù)
表5 典型日內(nèi)負荷和風(fēng)電光伏出力
4.1 儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置結(jié)果分析
4.1.1 不同滲透率優(yōu)化配置結(jié)果分析
新能源滲透率一般是指新能源裝機規(guī)模占電網(wǎng)最大負荷比重。本算例電網(wǎng)最大負荷為640 MW。分析新能源滲透率分別為30%、50%下優(yōu)化配置結(jié)果和棄風(fēng)棄光成本。
（1）新能源滲透率為30%
風(fēng)電場裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場裝機容量為42 MW，儲能最大接入個數(shù)為1，儲能成本系數(shù)1時，求解得到儲能配置在節(jié)點6處，節(jié)點6處的儲能額定功率和額定能量為8.61 MW和23.85 MW·h。此時，年棄風(fēng)成本為35.48萬元，年棄光成本為73.89萬元，儲能年投資成本為297.42萬元，總成本為406.79萬元，其容量配置結(jié)果如圖3所示。
圖3 新能源滲透率為30%儲能系統(tǒng)容量配置結(jié)果
（2）新能源滲透率為50%
風(fēng)電場裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場裝機容量為170 MW，儲能最大接入個數(shù)為1，儲能成本系數(shù)1時，儲能配置在節(jié)點4處，節(jié)點4處的儲能額定功率和額定能量為26.24 MW和116.45 MWh。此時，年棄風(fēng)成本為391.68萬元，年棄光成本為725.15萬元，儲能年投資成本為1304.37萬元，總成本為2421.2萬元，其容量配置結(jié)果，如圖4所示。
圖4 新能源滲透率為50%儲能系統(tǒng)容量配置結(jié)果
綜上所述，隨著新能源滲透率的增高，通過合理配置儲能可以減少棄風(fēng)棄光，但是儲能投資成本相應(yīng)增加，總成本也隨之增加。
4.1.2 不同風(fēng)光比例優(yōu)化配置結(jié)果分析
（1）風(fēng)光比例為3∶2
風(fēng)電場裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場裝機容量為100 MW，儲能最大接入個數(shù)為1，儲能成本系數(shù)1時，儲能配置在節(jié)點1處，節(jié)點1處的儲能額定功率和額定能量為15.91 MW和51.45 MWh。此時，年棄風(fēng)成本為0萬元，年棄光成本為83.05萬元，儲能年投資成本為616.16萬元，總成本為699.21萬元，其容量配置結(jié)果如圖5所示。
圖5 風(fēng)光比例為3∶2儲能系統(tǒng)容量配置結(jié)果
（2）風(fēng)光比例為1：1
風(fēng)電場裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場裝機容量為150 MW，儲能最大接入個數(shù)為1，儲能成本系數(shù)1時，儲能配置在節(jié)點4處，節(jié)點4處的儲能額定功率和額定能量為：25.39 MW和96.54 MWh。此時，年棄風(fēng)成本為0萬元，年棄光成本為4.23萬元，儲能年投資成本為1114.68萬元，總成本為1118.91萬元，其容量配置結(jié)果如圖6所示。
圖6 風(fēng)光比例為1∶1儲能系統(tǒng)容量配置結(jié)果
綜上所述，通過上述對比分析可以得知，風(fēng)光比例為3∶2時，配置一臺儲能系統(tǒng)節(jié)點在1、總成本為699.21萬元。風(fēng)光比例為1∶1時，配置一臺儲能系統(tǒng)節(jié)點在4、總成本為1118.91萬元。由于目標函數(shù)是棄風(fēng)成本、棄光成本和儲能投資成本之和，那么在不同風(fēng)光比例下，系統(tǒng)會嘗試在不同節(jié)點配置儲能以最小化系統(tǒng)成本。本文風(fēng)光比例為1∶1時相比風(fēng)光比例為3∶2時，新能源裝機容量更大，因此可以配置更大儲能容量減少棄風(fēng)棄光，提高新能源消納率，減少系統(tǒng)成本。此外，光伏具有調(diào)峰特性而風(fēng)電具有反調(diào)峰特性，因此儲能配置在靠近風(fēng)電場接入節(jié)點，實現(xiàn)新能源的就地消納具有更好的經(jīng)濟效益，但是本文風(fēng)光接入節(jié)點無負荷，當風(fēng)光比例不同時考慮線路容量約束，選擇配置在靠近風(fēng)光接入的節(jié)點，有效地平衡整個電網(wǎng)的負荷和能源供應(yīng)。風(fēng)光比例會對儲能配置結(jié)果產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)建設(shè)初期合理規(guī)劃風(fēng)電場和光伏電廠裝機容量對減少系統(tǒng)成本、提高可再生能源消納率具有重要意義。
4.2 儲能功率分配運行策略仿真結(jié)果分析
4.2.1 基于AOE的儲能功率分配運行策略求解方法
為了驗證所提出的儲能系統(tǒng)功率優(yōu)化分配雙層運行策略，本文采用Simulink建立儲能系統(tǒng)仿真模型，并基于AOE實現(xiàn)運行策略對儲能系統(tǒng)的仿真分析。AOE是一種由多個事件驅(qū)動流程組成的加權(quán)有向無環(huán)圖，其節(jié)點表示事件，邊表示動作，當節(jié)點滿足條件被觸發(fā)后，其對應(yīng)邊所表示的事件被執(zhí)行?；贏OE實現(xiàn)儲能功率優(yōu)化分配運行策略，僅需通過Excel配置文件編寫即可實現(xiàn)該策略，具有使用難度低、編寫簡單、控制過程形象直觀、計算與運行效率高等諸多優(yōu)點。具體策略實現(xiàn)包括測點配置、AOE配置和通信通道配置3部分。
（1）測點配置
測點配置主要用于配置控制器輸入輸出信號的參數(shù)，并定義各個測點屬性。本算例測點配置包括主控系統(tǒng)下發(fā)的遙調(diào)即系統(tǒng)有功指令功率測點、各個儲能電池啟動信號測點、SOC測點和實際功率測點，并對其名稱、是否離散、是否計算點、默認值進行了定義。測點配置文件如圖7所示。
圖7 測點配置文件
（2）AOE配置
AOE配置是通過定義AOE的基本信息、變量、事件和動作，進而實現(xiàn)對運行策略的描述。本算例共包括6個節(jié)點和5個動作。將上述運行策略用AOE進行表示如圖8所示。節(jié)點1為Simulink通信事件節(jié)點，為事件觸發(fā)類型，當儲能系統(tǒng)開始工作，該節(jié)點被觸發(fā)開始執(zhí)行運行策略。動作1是計算中間量，在通信事件節(jié)點觸發(fā)后被執(zhí)行，計算儲能電池子系統(tǒng)的SOC。動作2是最優(yōu)電池子系統(tǒng)選擇，根據(jù)儲能電池子系統(tǒng)SOC和目標函數(shù)，優(yōu)化選擇充放電電池子系統(tǒng)。動作3是儲能電池單元功率優(yōu)化分配問題求解。當存在最優(yōu)解時，執(zhí)行動作4下發(fā)優(yōu)化策略；當不存在最優(yōu)解時，執(zhí)行動作5下發(fā)默認均分策略。不存在最優(yōu)解時說明指令功率不合理，或者儲能可調(diào)度容量太小。
圖8 運行策略AOE拓撲
（3）通信通道配置
通信通道配置用于描述控制器與Simulink儲能系統(tǒng)仿真模型之間的通信方式，并給出測點寄存器信息和地址。本算例控制器作為從站，采用Modbus實現(xiàn)控制器與仿真模型之間的通信。測點數(shù)據(jù)均為EightByteFloat數(shù)據(jù)類型，占4位寄存器，進而根據(jù)數(shù)據(jù)類型完成對地址的分配。
4.2.2 功率分配結(jié)果分析
據(jù)儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置結(jié)果，設(shè)置儲能系統(tǒng)額定功率和額定能量為20 MW和40 MWh，儲能子系統(tǒng)額定功率和額定容量為4000 kW和8000 kWh，最大充放電功率為12000 kW，儲能子系統(tǒng)SOC初值分別為0.9、0.7、0.5、0.3、0.1，儲能單元額定功率和額定容量為500 kW和1000 kWh，SOC最大值和最小值分別為0.9和0.1。
運行控制器與仿真模型得到為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的指令功率和儲能系統(tǒng)實際輸出總功率曲線圖，如圖9所示。
圖9 指令功率和儲能系統(tǒng)實際輸出功率
從圖中可以看出，儲能系統(tǒng)實際輸出功率能夠精確跟隨指令功率變化，雖然輸出功率由于儲能電池特性略有波動，但是其波動值在0.2 kW以內(nèi)。
圖10展示了儲能電池子系統(tǒng)工作狀態(tài)變化和輸出功率變化情況。儲能電池子系統(tǒng)中，儲能電池子系統(tǒng)1的SOC最大，從圖中可以看出根據(jù)上層運行策略在滿足指令功率情況下，儲能電池子系統(tǒng)1處于工作狀態(tài)，其余電池子系統(tǒng)處于關(guān)機狀態(tài)。在0.2~0.4 h、0.6~0.8 h、1.4~2.8 h等時間范圍內(nèi)由于指令功率大于子系統(tǒng)1最大允許放電功率，儲能電池子系統(tǒng)2投入運行即可滿足指令功率要求，其余儲能子系統(tǒng)仍處于關(guān)機狀態(tài)；在0.4~0.6 h、0.8~1.4 h、2.8~3.4 h等時間范圍內(nèi)指令功率小于子系統(tǒng)1最大允許放電功率，儲能電池子系統(tǒng)2退出運行，實現(xiàn)了最優(yōu)充放電電池子系統(tǒng)選擇。在本文策略下電池子系統(tǒng)間歇性地承擔充放電任務(wù)，減少了循環(huán)充放電次數(shù)。
圖10 儲能電池子系統(tǒng)1和2工作狀態(tài)變化和輸出功率
圖11為儲能工作電池單元雙層運行策略SOC變化情況，從圖中可以看出下層運行策略實現(xiàn)了儲能電池單元之間功率的合理分配，經(jīng)過2 h，SOC達到基本均衡。儲能子系統(tǒng)1的8個儲能單元SOC極差從0.45減小至0.09，儲能子系統(tǒng)2的8個儲能單元SOC極差從0.25減小至0.16，因此本文策略實現(xiàn)了儲能電池單元之間的功率均衡，減小了荷電狀態(tài)的差異性，避免了過充過放，減緩儲能電池老化，保障儲能系統(tǒng)運行安全。
圖11 儲能電池單元雙層運行策略下SOC變化情況
5 結(jié) 論
本文研究了考慮風(fēng)光消納的儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化配置及運行策略，通過仿真分析，驗證了策略的有效性。主要結(jié)論有以下幾個方面。
（1）在儲能系統(tǒng)規(guī)劃階段，本文提出了考慮運行成本的儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置策略，對不同場景下儲能容量進行了規(guī)劃和分析，在系統(tǒng)建設(shè)階段通過合理配置儲能可以減少棄風(fēng)棄光，實現(xiàn)對風(fēng)光可再生能源的消納，同時提高了系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。
（2）在儲能系統(tǒng)實際運行階段，以最優(yōu)充放電電池子系統(tǒng)選擇為上層運行策略，實現(xiàn)儲能電池子系統(tǒng)間歇性地承擔充放電任務(wù)，無須所有電池子系統(tǒng)實時承擔充放電任務(wù)，有效減少了充放電次數(shù)；以功率優(yōu)化分配為下層運行策略，實現(xiàn)了儲能電池單元之間的SOC均衡，避免了儲能電池過充過放，減緩電池老化，保障了儲能系統(tǒng)運行安全，實現(xiàn)消納風(fēng)光可再生能源功率指令的有效跟蹤。
（3）提出一種基于AOE的運行策略，通過Excel即可編寫運行策略，實現(xiàn)過程簡單靈活，具有高通用性、計算效率高、學(xué)習(xí)難度小等諸多優(yōu)點，有利于讓更多工業(yè)用戶參與到“雙碳”目標中，提高風(fēng)光可再生能源消納率。
