本文亮點(diǎn)：1.在儲能系統規劃階段，針對風(fēng)光協(xié)同消納的不同應用場(chǎng)景，提出一種基于運行成本的儲能系統容量?jì)?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，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(chǎng)景下儲能系統容量進(jìn)行規劃。2.在儲能系統實(shí)際運行階段，針對儲能系統SOC均衡度較差和運行策略實(shí)現較難的問(wèn)題，提出儲能系統功率優(yōu)化分配雙層運行策略。根據調度系統為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的儲能系統功率指令，在上層基于儲能電池子系統SOC和充放電能力選擇最優(yōu)充放電電池子系統，在下層以電池單元SOC均衡為目標實(shí)現功率優(yōu)化分配，并基于A(yíng)OE控制組態(tài)通過(guò)Excel編寫(xiě)配置文件實(shí)現該策略。

??摘 要 “雙碳”背景下，綜合考慮儲能系統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、保障系統經(jīng)濟性和安全運行。在儲能系統規劃階段，針對風(fēng)光協(xié)同消納的不同應用場(chǎng)景，本文提出一種基于運行成本考慮的儲能系統容量?jì)?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，考慮功率平衡、支路潮流以及火電、風(fēng)電和光伏出力等構建約束條件，對不同場(chǎng)景下儲能系統容量進(jìn)行規劃，從而減少棄風(fēng)棄光，實(shí)現對風(fēng)光可再生能源的消納。在儲能系統實(shí)際運行階段，針對儲能系統SOC均衡度較差和運行策略實(shí)現較難的問(wèn)題，提出儲能系統功率優(yōu)化分配雙層運行策略。根據調度系統為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的儲能系統功率指令，在上層基于儲能電池子系統剩余電量(state of charge, SOC)和充放電能力選擇最優(yōu)充放電電池子系統，在下層以電池單元SOC均衡為目標實(shí)現功率優(yōu)化分配，并基于A(yíng)OE(activity on edge)控制組態(tài)通過(guò)Excel編寫(xiě)配置文件實(shí)現該策略，具有使用難度低、編寫(xiě)簡(jiǎn)單、控制過(guò)程形象直觀(guān)、計算與運行效率高等優(yōu)點(diǎn)，對減緩電池老化、降低用戶(hù)運行策略實(shí)現難度、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；容量?jì)?yōu)化配置；運行策略；剩余電量均衡；AOE

??隨著(zhù)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(diǎn)制約了電力系統對可再生能源的消納。單純依靠系統現有調節能力難以滿(mǎn)足可再生能源消納需求，靈活調節資源可以對風(fēng)電、光伏的隨機波動(dòng)進(jìn)行互補，為可再生能源的大規模并網(wǎng)消納問(wèn)題提供新的解決方案。作為靈活調節資源代表的儲能系統具有快速響應的優(yōu)勢和靈活吞吐能量的功能，在應對風(fēng)電光伏波動(dòng)方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。儲能系統的容量對風(fēng)光互補系統的整體經(jīng)濟性和運行安全性具有重要影響，在儲能系統規劃設計階段，容量過(guò)小無(wú)法有效消納系統可再生能源，從而導致棄風(fēng)棄光，而容量過(guò)大則增加投資和維護成本；在儲能系統實(shí)際運行階段，進(jìn)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的容量，保障調度計劃有效實(shí)施，有效消納可再生能源，同時(shí)減緩電池老化，保障系統運行安全。因此，在實(shí)際應用過(guò)程中，綜合考慮儲能系統容量配置方法和運行策略，有助于提高可再生能源消納率，確保系統的經(jīng)濟性和安全運行。

??在上述背景下，對儲能容量進(jìn)行合理配置具有重要意義。在風(fēng)光互補系統下儲能容量配置研究中，目前多在目標函數中考慮成本進(jìn)行容量?jì)?yōu)化，文獻[9]通過(guò)分析歷史數據總結新能源出力規律，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，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果。但是上述研究?jì)δ艹杀居嬎惴椒ㄝ^為簡(jiǎn)單、考慮因素較少，與實(shí)際存在偏差。文獻[11]研究了風(fēng)光儲微網(wǎng)的儲能容量?jì)?yōu)化配置方法，采用了3種方法確定儲能容量，最后通過(guò)算例對比方法的異同。文獻[12]建立了風(fēng)光儲聯(lián)合規劃模型，并提出了基于分解協(xié)調的分層優(yōu)化算法，兩層相互迭代求解最優(yōu)容量。上述研究對風(fēng)光互補系統下的儲能容量進(jìn)行了計算，但是對風(fēng)光場(chǎng)景類(lèi)別考慮尚不充分，有待進(jìn)一步深入研究。

??在儲能系統實(shí)際運行階段，制定合理運行策略將儲能系統協(xié)同消納風(fēng)光可再生能源功率指令進(jìn)行有效分配，對消納可再生能源、保障系統安全運行至關(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SOC比例進(jìn)行功率分配，控制SOC運行在合理區間，為目標函數進(jìn)行功率優(yōu)化分配，滿(mǎn)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(jìn)行了對比分析，進(jìn)而提出改進(jìn)系數的儲能系統運行策略，并根據SOC比例分配功率進(jìn)行了仿真驗證；文獻[14]提出了風(fēng)電場(chǎng)的飛輪儲能矩陣系統協(xié)調控制方法，根據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，改善了系統功率分配精度，但是會(huì )使放電過(guò)程同調度時(shí)段SOC較低儲能單元SOC仍下降，充電過(guò)程同調度時(shí)段SOC較高儲能單元SOC繼續上升，存在儲能單元因為持續充放電提前達到SOC上限或下限，提前停止運行的問(wèn)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(mǎn)足均分給各優(yōu)先電池組。文獻[16]基于SOC數值將儲能系統劃分為正常、減少和禁止充放電工作區間，根據SOC狀態(tài)利用模糊控制實(shí)時(shí)調節儲能功率，保障SOC運行在安全區間。上述研究?jì)H考慮SOC邊界，未充分考慮SOC均衡度問(wèn)題，儲能單元SOC不均衡會(huì )導致過(guò)充過(guò)放、部分單元提前退出停止運行等事件發(fā)生，制約系統的可用容量，因此有必要開(kāi)展提高儲能SOC均衡度研究，減少充放電循環(huán)的次數、防止過(guò)充過(guò)放，保持電池安全穩定運行。文獻[19]提出了一種含電/氫復合儲能的直流微電網(wǎng)模糊功率分配和協(xié)調控制方法，并基于TMS320F28335 DSP和實(shí)時(shí)仿真RT-LAB的硬件在環(huán)實(shí)驗平臺實(shí)現控制策略，但是存在實(shí)現過(guò)程復雜繁瑣、學(xué)習門(mén)檻高的問(wèn)題。文獻[20]設計了飛輪儲能實(shí)驗系統，通過(guò)可編程邏輯控制器(PLC)控制飛輪陣列充放電，但是使用過(guò)程還存在底層代碼較為復雜，控制策略實(shí)現需要較強編程基礎的問(wèn)題，因此有必要研究簡(jiǎn)單易用、學(xué)習門(mén)檻低的控制策略實(shí)現方法，便于工程人員使用。

??本文針對儲能系統容量配置和運行策略現有技術(shù)存在的不足，首先提出了考慮運行成本的儲能系統容量配置方法，在儲能系統規劃階段考慮棄風(fēng)棄光等成本，提高可再生能源消納率，減少系統運行成本；其次提出了儲能系統功率優(yōu)化分配雙層運行策略，并基于A(yíng)OE(activity on edge)控制組態(tài)求解功率分配結果，實(shí)現可再生能源消納，保障儲能系統運行安全，降低實(shí)現難度；最后通過(guò)仿真實(shí)驗驗證所提方法的有效性。

??2 考慮運行成本的儲能系統優(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構建

??2.2　考慮運行成本的優(yōu)化配置策略約束條件構建

??3 儲能系統功率優(yōu)化分配雙層運行策略

??3.1　儲能系統功率優(yōu)化分配雙層運行策略框架

??根據上述方法得到的容量配置結果構建儲能系統，考慮儲能系統建成后即實(shí)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、防止過(guò)充過(guò)放，保持電池安全穩定運行，本文提出儲能系統功率優(yōu)化分配雙層運行策略。根據調度系統為消納風(fēng)光等可再生能源下發(fā)的儲能系統功率指令，上層以最優(yōu)工作電池子系統選擇為目標函數，根據指令功率和儲能電池子系統實(shí)際充放電功率關(guān)系選擇最優(yōu)充放電電池子系統，下層以SOC均衡度為目標函數，實(shí)現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)電池子系統選擇層

??3.3　下層運行策略——功率優(yōu)化分配層

??根據上層運行策略得到的最優(yōu)放電電池子系統和每個(gè)儲能電池子系統承擔的總功率，在儲能電池子系統內部即儲能電池單元之間以SOC均衡度最小為目標函數，實(shí)現功率優(yōu)化分配，可以表示為式(26)。

??4 算例分析

??本文以改進(jìn)Garver-6節點(diǎn)系統為例，拓撲圖如圖2所示，研究不同滲透率和風(fēng)光比例下儲能系統優(yōu)化配置結果。

圖2 改進(jìn)Garver-6節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )圖

??系統輸電線(xiàn)路數據、火電廠(chǎng)數據、系統最大負荷、儲能系統成本參數、典型日內負荷、風(fēng)電和光伏波動(dòng)曲線(xiàn)分別如表1~5所示。

表1 Garver-6 節點(diǎn)系統輸電線(xiàn)路數據

表2 Garver-6 節點(diǎn)系統火電廠(chǎng)數據

表3 Garver-6 節點(diǎn)系統最大負荷

表4 儲能系統成本參數

表5 典型日內負荷和風(fēng)電光伏出力

??4.1　儲能系統優(yōu)化配置結果分析

??4.1.1　不同滲透率優(yōu)化配置結果分析

??新能源滲透率一般是指新能源裝機規模占電網(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)化配置結果和棄風(fēng)棄光成本。

??（1）新能源滲透率為30%

??風(fēng)電場(chǎng)裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場(chǎng)裝機容量為42 MW，儲能最大接入個(gè)數為1，儲能成本系數1時(shí)，求解得到儲能配置在節點(diǎn)6處，節點(diǎn)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(shí)，年棄風(fēng)成本為35.48萬(wàn)元，年棄光成本為73.89萬(wàn)元，儲能年投資成本為297.42萬(wàn)元，總成本為406.79萬(wàn)元，其容量配置結果如圖3所示。

圖3 新能源滲透率為30%儲能系統容量配置結果

??（2）新能源滲透率為50%

??風(fēng)電場(chǎng)裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場(chǎng)裝機容量為170 MW，儲能最大接入個(gè)數為1，儲能成本系數1時(shí)，儲能配置在節點(diǎn)4處，節點(diǎn)4處的儲能額定功率和額定能量為26.24 MW和116.45 MWh。此時(shí)，年棄風(fēng)成本為391.68萬(wàn)元，年棄光成本為725.15萬(wàn)元，儲能年投資成本為1304.37萬(wàn)元，總成本為2421.2萬(wàn)元，其容量配置結果，如圖4所示。

圖4 新能源滲透率為50%儲能系統容量配置結果

??綜上所述，隨著(zhù)新能源滲透率的增高，通過(guò)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)化配置結果分析

??（1）風(fēng)光比例為3∶2

??風(fēng)電場(chǎng)裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場(chǎng)裝機容量為100 MW，儲能最大接入個(gè)數為1，儲能成本系數1時(shí)，儲能配置在節點(diǎn)1處，節點(diǎn)1處的儲能額定功率和額定能量為15.91 MW和51.45 MWh。此時(shí)，年棄風(fēng)成本為0萬(wàn)元，年棄光成本為83.05萬(wàn)元，儲能年投資成本為616.16萬(wàn)元，總成本為699.21萬(wàn)元，其容量配置結果如圖5所示。

圖5 風(fēng)光比例為3∶2儲能系統容量配置結果

??（2）風(fēng)光比例為1：1

??風(fēng)電場(chǎng)裝機容量為150 MW，光伏發(fā)電場(chǎng)裝機容量為150 MW，儲能最大接入個(gè)數為1，儲能成本系數1時(shí)，儲能配置在節點(diǎn)4處，節點(diǎn)4處的儲能額定功率和額定能量為：25.39 MW和96.54 MWh。此時(shí)，年棄風(fēng)成本為0萬(wàn)元，年棄光成本為4.23萬(wàn)元，儲能年投資成本為1114.68萬(wàn)元，總成本為1118.91萬(wàn)元，其容量配置結果如圖6所示。

圖6 風(fēng)光比例為1∶1儲能系統容量配置結果

??綜上所述，通過(guò)上述對比分析可以得知，風(fēng)光比例為3∶2時(shí)，配置一臺儲能系統節點(diǎn)在1、總成本為699.21萬(wàn)元。風(fēng)光比例為1∶1時(shí)，配置一臺儲能系統節點(diǎn)在4、總成本為1118.91萬(wàn)元。由于目標函數是棄風(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，系統會(huì )嘗試在不同節點(diǎn)配置儲能以最小化系統成本。本文風(fēng)光比例為1∶1時(shí)相比風(fēng)光比例為3∶2時(shí)，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，減少系統成本。此外，光伏具有調峰特性而風(fēng)電具有反調峰特性，因此儲能配置在靠近風(fēng)電場(chǎng)接入節點(diǎn)，實(shí)現新能源的就地消納具有更好的經(jīng)濟效益，但是本文風(fēng)光接入節點(diǎn)無(wú)負荷，當風(fēng)光比例不同時(shí)考慮線(xiàn)路容量約束，選擇配置在靠近風(fēng)光接入的節點(diǎn)，有效地平衡整個(gè)電網(wǎng)的負荷和能源供應。風(fēng)光比例會(huì )對儲能配置結果產(chǎn)生影響，在系統建設初期合理規劃風(fēng)電場(chǎng)和光伏電廠(chǎng)裝機容量對減少系統成本、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果分析

??4.2.1　基于A(yíng)OE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功率優(yōu)化分配雙層運行策略，本文采用Simulink建立儲能系統仿真模型，并基于A(yíng)OE實(shí)現運行策略對儲能系統的仿真分析。AOE是一種由多個(gè)事件驅動(dòng)流程組成的加權有向無(wú)環(huán)圖，其節點(diǎn)表示事件，邊表示動(dòng)作，當節點(diǎn)滿(mǎn)足條件被觸發(fā)后，其對應邊所表示的事件被執行?；贏(yíng)OE實(shí)現儲能功率優(yōu)化分配運行策略，僅需通過(guò)Excel配置文件編寫(xiě)即可實(shí)現該策略，具有使用難度低、編寫(xiě)簡(jiǎn)單、控制過(guò)程形象直觀(guān)、計算與運行效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。具體策略實(shí)現包括測點(diǎn)配置、AOE配置和通信通道配置3部分。

??（1）測點(diǎn)配置

??測點(diǎn)配置主要用于配置控制器輸入輸出信號的參數，并定義各個(gè)測點(diǎn)屬性。本算例測點(diǎn)配置包括主控系統下發(fā)的遙調即系統有功指令功率測點(diǎn)、各個(gè)儲能電池啟動(dòng)信號測點(diǎn)、SOC測點(diǎn)和實(shí)際功率測點(diǎn)，并對其名稱(chēng)、是否離散、是否計算點(diǎn)、默認值進(jìn)行了定義。測點(diǎn)配置文件如圖7所示。

圖7 測點(diǎn)配置文件

??（2）AOE配置

??AOE配置是通過(guò)定義AOE的基本信息、變量、事件和動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現對運行策略的描述。本算例共包括6個(gè)節點(diǎn)和5個(gè)動(dòng)作。將上述運行策略用AOE進(jìn)行表示如圖8所示。節點(diǎn)1為Simulink通信事件節點(diǎn)，為事件觸發(fā)類(lèi)型，當儲能系統開(kāi)始工作，該節點(diǎn)被觸發(fā)開(kāi)始執行運行策略。動(dòng)作1是計算中間量，在通信事件節點(diǎn)觸發(fā)后被執行，計算儲能電池子系統的SOC。動(dòng)作2是最優(yōu)電池子系統選擇，根據儲能電池子系統SOC和目標函數，優(yōu)化選擇充放電電池子系統。動(dòng)作3是儲能電池單元功率優(yōu)化分配問(wèn)題求解。當存在最優(yōu)解時(shí)，執行動(dòng)作4下發(fā)優(yōu)化策略；當不存在最優(yōu)解時(shí)，執行動(dòng)作5下發(fā)默認均分策略。不存在最優(yōu)解時(shí)說(shuō)明指令功率不合理，或者儲能可調度容量太小。

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儲能系統仿真模型之間的通信方式，并給出測點(diǎn)寄存器信息和地址。本算例控制器作為從站，采用Modbus實(shí)現控制器與仿真模型之間的通信。測點(diǎn)數據均為EightByteFloat數據類(lèi)型，占4位寄存器，進(jìn)而根據數據類(lèi)型完成對地址的分配。

??4.2.2　功率分配結果分析

??據儲能系統容量?jì)?yōu)化配置結果，設置儲能系統額定功率和額定能量為20 MW和40 MWh，儲能子系統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實(shí)際輸出總功率曲線(xiàn)圖，如圖9所示。

圖9 指令功率和儲能系統實(shí)際輸出功率

??從圖中可以看出，儲能系統實(shí)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(dòng)，但是其波動(dòng)值在0.2 kW以?xún)取?/span>

??圖10展示了儲能電池子系統工作狀態(tài)變化和輸出功率變化情況。儲能電池子系統中，儲能電池子系統1的SOC最大，從圖中可以看出根據上層運行策略在滿(mǎn)足指令功率情況下，儲能電池子系統1處于工作狀態(tài)，其余電池子系統處于關(guān)機狀態(tài)。在0.2~0.4 h、0.6~0.8 h、1.4~2.8 h等時(shí)間范圍內由于指令功率大于子系統1最大允許放電功率，儲能電池子系統2投入運行即可滿(mǎn)足指令功率要求，其余儲能子系統仍處于關(guān)機狀態(tài)；在0.4~0.6 h、0.8~1.4 h、2.8~3.4 h等時(shí)間范圍內指令功率小于子系統1最大允許放電功率，儲能電池子系統2退出運行，實(shí)現了最優(yōu)充放電電池子系統選擇。在本文策略下電池子系統間歇性地承擔充放電任務(wù)，減少了循環(huán)充放電次數。

圖10 儲能電池子系統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(shí)現了儲能電池單元之間功率的合理分配，經(jīng)過(guò)2 h，SOC達到基本均衡。儲能子系統1的8個(gè)儲能單元SOC極差從0.45減小至0.09，儲能子系統2的8個(gè)儲能單元SOC極差從0.25減小至0.16，因此本文策略實(shí)現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(guò)充過(guò)放，減緩儲能電池老化，保障儲能系統運行安全。

圖11 儲能電池單元雙層運行策略下SOC變化情況

??5 結 論

??本文研究了考慮風(fēng)光消納的儲能系統容量?jì)?yōu)化配置及運行策略，通過(guò)仿真分析，驗證了策略的有效性。主要結論有以下幾個(gè)方面。

??（1）在儲能系統規劃階段，本文提出了考慮運行成本的儲能系統優(yōu)化配置策略，對不同場(chǎng)景下儲能容量進(jìn)行了規劃和分析，在系統建設階段通過(guò)合理配置儲能可以減少棄風(fēng)棄光，實(shí)現對風(fēng)光可再生能源的消納，同時(shí)提高了系統運行經(jīng)濟性。

??（2）在儲能系統實(shí)際運行階段，以最優(yōu)充放電電池子系統選擇為上層運行策略，實(shí)現儲能電池子系統間歇性地承擔充放電任務(wù)，無(wú)須所有電池子系統實(shí)時(shí)承擔充放電任務(wù)，有效減少了充放電次數；以功率優(yōu)化分配為下層運行策略，實(shí)現了儲能電池單元之間的SOC均衡，避免了儲能電池過(guò)充過(guò)放，減緩電池老化，保障了儲能系統運行安全，實(shí)現消納風(fēng)光可再生能源功率指令的有效跟蹤。

??（3）提出一種基于A(yíng)OE的運行策略，通過(guò)Excel即可編寫(xiě)運行策略，實(shí)現過(guò)程簡(jiǎn)單靈活，具有高通用性、計算效率高、學(xué)習難度小等諸多優(yōu)點(diǎn)，有利于讓更多工業(yè)用戶(hù)參與到“雙碳”目標中，提高風(fēng)光可再生能源消納率。