婁婷婷 ，郭 翔 ，徐 鼎 ，曹際娜 ，黃德旭

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；3.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

青島薛家島電動(dòng)汽車智能充換儲(chǔ)放一體化示范電站按照充、換、儲(chǔ)、放于一體的電動(dòng)汽車充換電方案進(jìn)行建設(shè)，在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的充換電功能的同時(shí)，搭建了模塊化儲(chǔ)能裝置和光伏系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度下的有序充放電、削峰填谷和應(yīng)急供電等功能。電池儲(chǔ)能以及光伏發(fā)電系統(tǒng)除可為電站內(nèi)部用電設(shè)施提供不間斷電力供應(yīng)外，還可以參與電網(wǎng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行［1］。利用動(dòng)力電池組和并網(wǎng)充放電裝置在晚間低谷時(shí)段充電，白天高峰時(shí)段向電網(wǎng)并網(wǎng)送電，有效提高電池壽命及商業(yè)價(jià)值，滿足儲(chǔ)能電池向電網(wǎng)進(jìn)行能量回饋的應(yīng)用需求［2-3］。

分析薛家島儲(chǔ)放系統(tǒng)的配置情況，對(duì)集中儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變流裝置（以下簡稱PCS）控制策略進(jìn)行研究，提出考慮負(fù)荷峰谷電價(jià)的PCS控制功率曲線計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)放系統(tǒng)的平抑負(fù)荷波動(dòng)和經(jīng)濟(jì)收益的綜合考慮。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，驗(yàn)證該方法的有效性。

1 系統(tǒng)組成

薛家島電動(dòng)汽車智能充換儲(chǔ)放一體化示范電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示［4］。

光伏系統(tǒng)。光伏系統(tǒng)屬于清潔能源發(fā)電，無污染物的排放，以最大限度地利用太陽能為基本出發(fā)點(diǎn)，調(diào)度控制應(yīng)盡量優(yōu)先安排光伏電池發(fā)電，其輸出功率波動(dòng)由蓄電池來穩(wěn)定［5］。影響光伏電池的主要因素為光照強(qiáng)度、電池板溫度和負(fù)載即儲(chǔ)能電池狀態(tài)。光伏電池設(shè)計(jì)安裝到位后，屬于不可控因素，因此光伏系統(tǒng)的控制策略中，儲(chǔ)能電池和PCS為其控制核心，即在光伏系統(tǒng)工作期間，控制PCS和儲(chǔ)能電池確保其能接收光伏系統(tǒng)發(fā)電輸出。當(dāng)PCS和光伏陣列同時(shí)工作時(shí)，若PCS處于充電狀態(tài)，儲(chǔ)能電池容量應(yīng)確保在本日可預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)能接納光伏系統(tǒng)輸出和PCS充電電能；若PCS處于放電狀態(tài)，儲(chǔ)能電池容量應(yīng)確保在本日可預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)能接納光伏系統(tǒng)剩余輸出功率。

集中儲(chǔ)能系統(tǒng)。集中儲(chǔ)能系統(tǒng)包括儲(chǔ)能電池和PCS，其中PCS是薛家島儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心，承擔(dān)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)能量交換的任務(wù)，其基本的控制原則為平抑負(fù)荷峰谷變化，充分發(fā)揮光伏輸出和儲(chǔ)能電池“儲(chǔ)能池”的作用，最大限度地獲取峰谷電價(jià)差帶來的收益。

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)包括充電機(jī)、并網(wǎng)變流器、動(dòng)力電池，可微調(diào)儲(chǔ)放功率，在儲(chǔ)放功率較低、調(diào)整集中儲(chǔ)放不便或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，作為集中儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)充。其主要控制原則為，在滿足充換電站換電需求的前提下，微調(diào)負(fù)荷峰谷，充分利用動(dòng)力電池儲(chǔ)能能力，獲取最大收益。受電動(dòng)乘用車客觀制約，該部分并未投運(yùn)。

電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)。電動(dòng)汽車能量補(bǔ)給是電動(dòng)汽車充換電站的主要功能，因此電動(dòng)汽車充放電控制策略應(yīng)以此為前提，即在滿足用戶充換電需求的前提下，按照換電電池冗余配置和電網(wǎng)負(fù)荷狀況，盡量讓電動(dòng)汽車一起參與儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度，安排充電負(fù)荷在低谷、低價(jià)時(shí)段。薛家島現(xiàn)有車輛動(dòng)力電池僅夠維持公交車的運(yùn)營，不作他用。

根據(jù)以上情況，本文主要分析集中儲(chǔ)能的控制策略。

圖1 電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 集中儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略

2.1 集中儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略影響因素

影響集中儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制策略的影響因素主要有充換電站日負(fù)荷曲線、光照強(qiáng)度變化曲線、儲(chǔ)能電池狀態(tài)及充放電制約條件、PCS充放電效率變化曲線、PCS自身功率及狀態(tài)轉(zhuǎn)換制約因素等。

集中儲(chǔ)能系統(tǒng)4套PCS，每套PCS連接10組并聯(lián)的500 V、300 Ah儲(chǔ)能電池，其中1套PCS與光伏系統(tǒng)相連。儲(chǔ)放系統(tǒng)PCS設(shè)計(jì)額定功率為2 MW，單套PCS設(shè)計(jì)容量為500 kW，此時(shí)每套儲(chǔ)能電池充放電電流為1 000 A，滿足儲(chǔ)能電池充放電制約條件，在考慮控制策略時(shí)可忽略此因素。

光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量為100 kW，遠(yuǎn)小于PCS額定功率，且小于PCS優(yōu)化運(yùn)行工況。光伏系統(tǒng)運(yùn)行在白天負(fù)荷高峰區(qū)段，只需保證最大限度利用光伏輸出即可。

PCS充放電效率隨著負(fù)荷狀況的變化而變化，從多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，輸出功率超過200 kW（半載）時(shí)，PCS效率在90%以上，因此，PCS工況宜維持在200 kW以上。

2.2 以平抑負(fù)荷波動(dòng)為根本目標(biāo)的控制策略

當(dāng)儲(chǔ)放系統(tǒng)的主要作用是削峰填谷、平抑負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，其控制策略為，控制PCS充放電功率跟隨系統(tǒng)負(fù)荷反方向變化，PCS的理想控制曲線為理想負(fù)荷曲線與儲(chǔ)放投運(yùn)前預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線的差值。具體步驟為：

1）根據(jù)某日有功負(fù)荷曲線和光伏系統(tǒng)預(yù)測(cè)出力曲線繪制扣除光伏處理后充換電站的電網(wǎng)負(fù)荷曲線，如圖2所示。

2）根據(jù)充換電站電網(wǎng)負(fù)荷曲線繪制理想有功負(fù)荷曲線，即取電網(wǎng)負(fù)荷曲線平均值，如圖3所示。

3）根據(jù)理想負(fù)荷曲線，繪制儲(chǔ)放系統(tǒng)理想功率曲線，即電網(wǎng)負(fù)荷曲線與理想有功負(fù)荷曲線之差，如圖4所示。

圖2 母線總負(fù)荷曲線

圖3 母線理想負(fù)荷

圖4 儲(chǔ)能電池容量增加后的儲(chǔ)放理想負(fù)荷曲線

2.3 以經(jīng)濟(jì)收益最大化為根本目標(biāo)的控制策略

若儲(chǔ)放系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)收益最大化為根本目標(biāo)，則PCS控制的原則為在充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，在負(fù)荷低谷電價(jià)時(shí)段和平電價(jià)時(shí)段把儲(chǔ)能電池充滿或盡量多，在負(fù)荷高峰電價(jià)時(shí)段或平價(jià)時(shí)段放空或剩余電量盡量少。青島市分時(shí)電價(jià)計(jì)費(fèi)如表1所示［4］。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制曲線如圖5所示。

按照該控制策略，當(dāng)日10 kV負(fù)荷曲線如圖6所示。從圖中可見，23∶00—次日 08∶00，11∶00—18∶00時(shí)負(fù)荷大于零，從上級(jí)電網(wǎng)給10 kV母線供電，供電負(fù)荷遠(yuǎn)大于儲(chǔ)放投入前的負(fù)荷；其余時(shí)間負(fù)荷小于零，儲(chǔ)能系統(tǒng)除供給出線負(fù)荷外，還通過主變壓器給35 kV網(wǎng)絡(luò)供電。這種情況下一方面負(fù)荷大大增加，另一方面存在著負(fù)荷突變，給電網(wǎng)帶來負(fù)荷沖擊。

表1 青島市分時(shí)段電價(jià)計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

圖5 僅考慮經(jīng)濟(jì)收益時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制曲線

當(dāng)僅考慮削峰填谷、平抑負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)放系統(tǒng)利用率較低，經(jīng)濟(jì)效益較差。因此，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的要求，綜合考慮平抑負(fù)荷波動(dòng)和峰谷電價(jià)的影響，控制PCS功率調(diào)整速率，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖6 10 kV系統(tǒng)添加儲(chǔ)能后負(fù)荷曲線

3 考慮負(fù)荷峰谷電價(jià)的PCS功率控制曲線計(jì)算方法

首先根據(jù)歷史日負(fù)荷曲線，預(yù)測(cè)當(dāng)日負(fù)荷曲線，其次，根據(jù)預(yù)測(cè)日負(fù)荷曲線、預(yù)測(cè)光伏輸出功率曲線及峰谷狀態(tài)和儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)限制，計(jì)算PCS儲(chǔ)能功率控制曲線（放電為-，充電為+），具體如下。

1）電價(jià)平價(jià)時(shí)段：11∶00—18∶00。此時(shí)光伏輸出較高，電價(jià)正常，主要控制PCS放電儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，此時(shí)需要控制PCS儲(chǔ)能電池不能過放電。

SOC≥SOCp時(shí)，PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率為

式中：SOC為儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài)；SOCp為調(diào)度預(yù)測(cè)平價(jià)時(shí)段 SOC門檻值；Pi為 i時(shí)刻 PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率；PPVi為i時(shí)刻預(yù)測(cè)光伏輸出功率；Pcmin為儲(chǔ)能調(diào)度功率最小限值；Pcmax為儲(chǔ)能調(diào)度功率最大限值。

SOC＜SOCp時(shí)，PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率為

其中：

式中：Pcpi為i時(shí)刻理想的PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率；Pd為預(yù)測(cè)日負(fù)荷平均功率；Pdi為預(yù)測(cè)日負(fù)荷i時(shí)刻功率；k1為平價(jià)時(shí)期調(diào)度系數(shù)，是儲(chǔ)能電池目標(biāo)充電電量與實(shí)際可充電量的比值；∫Pi（t）dt為 PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率曲線本時(shí)段的積分；C為電池組滿電電量。

2）電價(jià)高峰時(shí)段：08∶00—11∶00，18∶00—23∶00。此時(shí)光伏輸出較高，但是考慮電價(jià)影響，主要使PCS放電，此時(shí)需要控制PCS儲(chǔ)能電池不能過放電。

SOC＜SOCg時(shí)，PCS 儲(chǔ)能調(diào)度功率如式（1）所示。

SOC≥SOCg時(shí)，

其中：

式中：SOCg為調(diào)度預(yù)測(cè)高峰時(shí)段SOC門檻值；Pcgi為i時(shí)刻理想的PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率；k2為電價(jià)高峰時(shí)期調(diào)度系數(shù)，是儲(chǔ)能電池目標(biāo)放電電量與實(shí)際可放電量的比值。

3）電價(jià)低谷時(shí)段：23∶00—次日 08∶00。此時(shí)光伏輸出很低，電價(jià)便宜，主要對(duì)PCS儲(chǔ)能充電，此時(shí)需要控制PCS儲(chǔ)能電池不能過充電。

SOC≥SOCd時(shí)，PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率如式 （1）所示。SOC＜SOCd時(shí)，PCS儲(chǔ)能調(diào)度功率如式（2）所示。其中，SOCd為調(diào)度預(yù)測(cè)低谷時(shí)段SOC門檻值。

4 儲(chǔ)放控制方法驗(yàn)證

按照上節(jié)所提方法，考慮充分利用儲(chǔ)放電池容量，23∶00—次日 08∶00時(shí)段負(fù)荷和充電電價(jià)都比較低，因此在這個(gè)時(shí)段內(nèi)盡可能向儲(chǔ)能電池充電；考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況，電價(jià)峰值時(shí)段控制儲(chǔ)放電池放電；平價(jià)時(shí)段由光伏系統(tǒng)給儲(chǔ)能電池補(bǔ)充3 132 kWh能量，考慮到此時(shí)母線負(fù)荷較高，繼續(xù)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)向母線放電。繪制調(diào)度策略曲線如圖7所示，儲(chǔ)放系統(tǒng)投入前后負(fù)荷對(duì)比如圖8所示。

圖7 儲(chǔ)放控制曲線

圖8 儲(chǔ)放系統(tǒng)投入前后負(fù)荷曲線對(duì)比

由圖8可見，各時(shí)段負(fù)荷比較平均，電網(wǎng)主要在低價(jià)時(shí)段對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電，平價(jià)時(shí)段和高峰電價(jià)時(shí)段負(fù)荷由儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)共同供給。當(dāng)日可獲利潤約3.48萬元，以此計(jì)算年獲利可達(dá)1 268.67萬元?？梢娯?fù)荷有所均衡，效益也有較大的增加。

5 結(jié)語

分析薛家島目前實(shí)際配置的儲(chǔ)放系統(tǒng)，提出考慮峰谷電價(jià)的PCS功率控制曲線計(jì)算方法，兼顧儲(chǔ)放系統(tǒng)平抑負(fù)荷波動(dòng)的作用和經(jīng)濟(jì)收益。實(shí)例證明該方法既能夠大幅提高經(jīng)濟(jì)收益，又能對(duì)負(fù)荷進(jìn)行有效均衡。