阮志杰 余俊杰 楊涌新

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 廣東省中山市 528400）

儲能技術(shù)對于全球節(jié)能減排與優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的目標(biāo)實現(xiàn)有著積極的推動作用，尤其隨著可再生能源接入比例的增大、智能電網(wǎng)概念的提出、政府的支持與資本的追逐，規(guī)?；瘍δ芗夹g(shù)應(yīng)用的市場前景逐漸顯現(xiàn)[1]。其應(yīng)用貫穿于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、供、配、用各個環(huán)節(jié)[2]。

將儲能設(shè)備集群可以實現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰等輔助服務(wù)，利用多個儲能設(shè)備構(gòu)成的集群，融合了發(fā)電、負(fù)荷和儲能設(shè)備于一體，儲能設(shè)備的參與可以有效實現(xiàn)對關(guān)口輸送功率波動的平抑。然而，儲能設(shè)備自身存在多種約束條件[3]，各個時間的充放電之間存在耦合約束關(guān)系，而且為了設(shè)備維護(hù)成本的考慮，儲能設(shè)備的充放電功率不能進(jìn)行頻繁的波動，上述特性給儲能設(shè)備集群的優(yōu)化調(diào)度帶來了困難。

進(jìn)行大電網(wǎng)的潮流分析，實時計算出各個集群的有功目標(biāo)值下發(fā)到集群控制裝置，集群控制裝置則控制轄區(qū)內(nèi)各分布式光伏和儲能裝置的有功輸出達(dá)到調(diào)度有功目標(biāo)值。

本文研究目標(biāo)是在考慮集群內(nèi)部儲能設(shè)備約束的前提下，給出了平抑關(guān)口功率波動的和避免儲能設(shè)備充放電功率的目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)了對分布式儲能集群的優(yōu)化調(diào)度[2]。

1 分布式儲能集群調(diào)度的數(shù)學(xué)模型

1.1 儲能設(shè)備模型

對于單個儲能設(shè)備，其充放電功率分別有如下最大值約束條件：

另外，同一個儲能設(shè)備的充放電功率應(yīng)該至少有一個為0，因此有：

定義第i個儲能設(shè)備在時刻t的凈輸出功率為：

儲能設(shè)備存在如下爬坡約束：

1.2 分布式儲能集群調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)

求解不考慮儲能設(shè)備情況下集群關(guān)口各時刻的總預(yù)測注入功率：

由于集群的總凈預(yù)測有功注入功率波動往往較為劇烈，為了避免其波動對優(yōu)化結(jié)果的影響，導(dǎo)致儲能設(shè)備頻繁地充放電，因此可以將其進(jìn)行低通濾波處理，采用滑動均值濾波的方式，進(jìn)行濾波。

分別求各個時刻集群的預(yù)測關(guān)口功率：

圖1：考慮充放成本的分布式儲能集群調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，n表示儲能集群中儲能設(shè)備的數(shù)量。

定義各個時刻集群的預(yù)測關(guān)口功率的均值為：

2 優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該分布式儲能集群調(diào)度系統(tǒng)的整體控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，上層為該調(diào)度系統(tǒng)的控制中心，下層為分布在集群內(nèi)部的各個儲能設(shè)備控制器。該儲能調(diào)度系統(tǒng)可以進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度、滾動優(yōu)化調(diào)度和實時優(yōu)化調(diào)度，三者之間的區(qū)別為，進(jìn)行的優(yōu)化時所輸出的儲能設(shè)備調(diào)度計劃時間跨度不同。

在日前優(yōu)化調(diào)度模式下，以15分鐘作為一個決策時刻間隔，所考慮的時間范圍為未來一天24小時的時段，此時上述模型中輸出時刻數(shù)量為96個。下層的分布式儲能設(shè)備控制器將儲能設(shè)備現(xiàn)有的能量值上傳給上層的控制中心；控制中心收集電網(wǎng)側(cè)所采集的未來一天的可再生能源最大出力預(yù)測值和負(fù)荷預(yù)測值，基于預(yù)測值獲得未來一天各個時刻節(jié)點(diǎn)的預(yù)測凈有功注入功率，進(jìn)而得到未來一天的集群關(guān)口功率預(yù)測值?；谏鲜鲱A(yù)測值和儲能設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)通過分布式儲能集群調(diào)度模型進(jìn)行求解可以得到儲能集群中未來一天的儲能設(shè)備的充放電調(diào)度計劃。按照該計劃對儲能設(shè)備進(jìn)行調(diào)度即可實現(xiàn)在避免集群儲能設(shè)備頻繁充放電的情況下實現(xiàn)對關(guān)口波動的平抑。

在滾動優(yōu)化調(diào)度模式下，所考慮的時間范圍為未來的3個小時，此時上述模型中輸出時刻數(shù)量為12個。下層的分布式儲能設(shè)備控制器仍然將儲能設(shè)備現(xiàn)有的能量值上傳給控制中心，控制中心基于當(dāng)前最新的可再生能源出力和負(fù)荷的預(yù)測結(jié)果，得到當(dāng)前時刻至日末的最新預(yù)測結(jié)果，更新相應(yīng)的預(yù)測凈有功注入功率和集群關(guān)口功率預(yù)測值。求解當(dāng)前時刻至日末時刻的儲能調(diào)度優(yōu)化問題，更新未來3個小時的調(diào)度計劃。

在實時調(diào)度模式下，所考慮的時間范圍為未來的15分鐘，此時上述模型中輸出時刻數(shù)量為1個。上層控制中心收集下層分布式儲能設(shè)備的實時能量值，并基于實時的可再生能源出力和負(fù)荷預(yù)測值獲取實時的有功注入功率和集群關(guān)口功率。求解當(dāng)前時刻至日末時刻的儲能調(diào)度優(yōu)化問題，更新儲能集群未來15分鐘的調(diào)度計劃。

圖2：儲能優(yōu)化調(diào)度效果圖

上述日前、滾動和實時三種模式涉及的時間尺度不同，應(yīng)該通過三者結(jié)合的方式進(jìn)行應(yīng)用。在第二天開始之前，控制中心進(jìn)行日前優(yōu)化調(diào)度，獲取未來一天集群儲能調(diào)度計劃；每隔1個小時，控制中心進(jìn)行滾動優(yōu)化調(diào)度，在未來一天集群儲能調(diào)度計劃的基礎(chǔ)之上更新未來3個小時的調(diào)度計劃；每隔15分鐘，控制中心進(jìn)行實時優(yōu)化調(diào)度，在日前和滾動的調(diào)度計劃基礎(chǔ)之上，更新未來15分鐘的調(diào)度計劃。這樣，既保證了對儲能設(shè)備未來調(diào)度計劃預(yù)期的產(chǎn)生，又能夠根據(jù)最近獲取的更加精確的預(yù)測結(jié)果實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度。

3 算例分析

分布式儲能集群調(diào)度方法的優(yōu)化效果示意圖如圖2所示。該算例集群中含有分布式儲能設(shè)備總的最大充放電功率為70MW。

設(shè)定各個儲能設(shè)備儲能最小能量、最大能量占儲能設(shè)備最大儲存能量的比例分別為0.2和1.0，所有儲能設(shè)備的充電和放電效率全部設(shè)定為95%，自然的損耗率設(shè)定為0.99。

基于實際系統(tǒng)的天氣預(yù)測，得到可再生能源最大輸出功率預(yù)測值和集群的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)預(yù)測值，在未加入儲能設(shè)備充放電的網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)一天之中各個時間節(jié)點(diǎn)的關(guān)口輸出功率的預(yù)測值曲線如圖2中的黑色虛線所示。按照分布式儲能集群調(diào)度模型中求解儲能設(shè)備的集群優(yōu)化調(diào)度問題，可以得到集群關(guān)口如圖2紅色曲線所示的集群關(guān)口輸出功率結(jié)果。

圖3(a)(b)分別為集群中全體儲能設(shè)備的輸出功率和總的能量值所占最大值的比例?？梢钥吹?，在加入儲能設(shè)備后，集群關(guān)口功率的波動幅值明顯得到改善，最大關(guān)口峰值功率由205WM下降到了121MW，降低了約40%。同時，從儲能調(diào)度曲線來看，當(dāng)儲能設(shè)備輸出功率大于0時表示放電、小于0時表示充電，可以看到優(yōu)化后得到的曲線中，儲能設(shè)備的輸出功率沒有頻繁地在正負(fù)之間轉(zhuǎn)換，即無頻繁充放電切換的現(xiàn)象出現(xiàn)，滿足的優(yōu)化問題的要求。另外，從儲能設(shè)備的能量值變化過程來看，儲能設(shè)備中的能量所占儲能設(shè)備最大存儲能量的百分比沒有低于最小值0.2，也沒有超出最大值1.0，保證了儲能設(shè)備自身功率約束和能量約束條件的成立。

圖3

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了一種考慮充放成本的分布式儲能集群調(diào)度方法。首先對單個儲能設(shè)備的約束條件進(jìn)行建模，考慮儲能設(shè)備充放電功率約束和能量約束條件；隨后針對集群關(guān)口功率的波動形式，給出了平抑關(guān)口功率波動的和避免儲能設(shè)備充放電功率頻繁波動的目標(biāo)函數(shù)，通過求解優(yōu)化問題即可實現(xiàn)目標(biāo)。所提出的方法實現(xiàn)了對儲能集群的優(yōu)化調(diào)度，在實際應(yīng)用中具有較大價值。