■黃培庭 趙維裕 黃鵬程

（福建省高速集團(tuán)泉州管理分公司，泉州 362008）

1 引言

隨著清潔能源生產(chǎn)和使用技術(shù)的快速發(fā)展，核電、 風(fēng)電和電動汽車在電網(wǎng)的應(yīng)用范圍越來越廣，隨之帶來的用電峰谷差值持續(xù)增加、電能分配不均衡等問題加重了電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的負(fù)擔(dān)[1]。 電化學(xué)儲能技術(shù)具有造價低、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，因此電化學(xué)儲能技術(shù)可以作為削峰填谷的一種解決方案，深受工程師的重視。 電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入高速公路隧道供電系統(tǒng)，不僅可以避開供電系統(tǒng)用電高峰期接入電網(wǎng)以減少電費(fèi)開支、提高用電的均衡性和經(jīng)濟(jì)性、減小設(shè)備維護(hù)次數(shù)和難度、延長設(shè)備更新?lián)Q代的周期，而且有助于清潔能源的消納，同時獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

在確保行車安全的同時，還需要考慮用電的均衡性和經(jīng)濟(jì)性，要從根本上對高速公路隧道的供電系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的設(shè)計，因此對于高速公路隧道供電系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化控制已成為當(dāng)今交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 本研究中選用的基于鋰電池構(gòu)成的儲能系統(tǒng)具有能量利用率高、 工作電壓大等優(yōu)勢。 儲能系統(tǒng)的應(yīng)用既提升了高速公路隧道供電的可靠性， 又可通過削峰填谷產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。 為高速公路隧道關(guān)鍵設(shè)備提供大容量后備為應(yīng)急供電保障提供可行性方案，而且參與谷時風(fēng)電、核電等的消納，為國家清潔能源的推廣做出貢獻(xiàn)[2]。

本文的研究目的和研究目標(biāo)如下：（1）隧道是事故多發(fā)地點(diǎn)同時也是運(yùn)行維護(hù)中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。 一般情況下，高速公路隧道地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，供電規(guī)模較大且分散，建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)等都十分困難。 因此為了更好地保證項(xiàng)目的可行性必須考慮成本的增加和供電穩(wěn)定性要求的提高。 （2）在保證高速公路隧道運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目基于鋰電池構(gòu)成的儲能供電系統(tǒng)可以為高速公路隧道的供電提供一定程度的保證。 在實(shí)際工作中，鋰電池的電極材料會隨著運(yùn)行導(dǎo)致容量損失和電阻增加，甚至可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。 因此鋰電池作為儲能系統(tǒng)的核心，在保障安全運(yùn)行下的控制及經(jīng)濟(jì)性分析也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)。 （3）由于清潔能源的發(fā)展將有更多清潔能源接入到電網(wǎng)中，可能導(dǎo)致用電高峰與低谷差距在不斷拉大導(dǎo)致電網(wǎng)的運(yùn)行困難，因此電網(wǎng)公司通過實(shí)行峰谷高低電價來鼓勵用戶將用電負(fù)荷從峰時轉(zhuǎn)移到谷時。 為了更好地體現(xiàn)該項(xiàng)目中儲能系統(tǒng)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，該儲能系統(tǒng)必須針對電網(wǎng)電價的情況設(shè)計相應(yīng)的控制策略。

2 儲能系統(tǒng)概況

朋山嶺隧道由泉州北線路與洛江線路2 條10 kV 高壓母線接入（見圖1）。主供電電源為泉州北線路，備用供電電源供電為洛江線路[3]。 根據(jù)2018 年5 月的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)分析可得負(fù)荷有功功率平均值為41 kW·h。 其中，8∶30-11∶30 為70 kW·h，14∶30-17∶30 為57 kW·h，19∶00-21∶00 為23 kW·h。 因此，經(jīng)過計算， 計劃選用的隔離變壓器裝機(jī)容量為696 kW，50 kW/150 kW·h 的儲能系統(tǒng)的額定功率為50 kW，總?cè)萘繛?50 kW·h。 與此同時，儲能系統(tǒng)還可以作為朋山嶺隧道隧道備用電源，減少了隧道監(jiān)控及應(yīng)急電源UPS 的投入及鉛酸電池的定期檢測和更換需求，減少了技術(shù)人員的工作量。 經(jīng)過估算儲能系統(tǒng)及相應(yīng)線纜預(yù)計費(fèi)用在70 萬左右。儲能系統(tǒng)不僅可以作為應(yīng)急電源使用，還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，降低用戶的發(fā)電成本，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 投入使用后預(yù)計可運(yùn)行10 年左右，節(jié)約費(fèi)用48 萬元左右。

圖1 儲能系統(tǒng)的組成

由圖1 所示，儲能系統(tǒng)主要由鋰電池儲能單元、能量轉(zhuǎn)換模塊、智能管理系統(tǒng)和輔助設(shè)備組成[4]。 儲能單元由鋰離子電池組級聯(lián)構(gòu)成， 采用集成式設(shè)計，裝配、更換和維護(hù)難度低；能量轉(zhuǎn)換模塊由功率變換器構(gòu)成，主要進(jìn)行電能形式的變換和并網(wǎng)離網(wǎng)狀態(tài)的切換，用戶可以通過能量轉(zhuǎn)換模塊自動或手動實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)能量流動方向的切換；智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對儲能單元進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測與保護(hù)，對系統(tǒng)的故障進(jìn)行預(yù)警和消除，是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵所在；輔助設(shè)備由監(jiān)控、安防、環(huán)境監(jiān)測模塊構(gòu)成，隧道儲能電站地處偏僻山區(qū)， 一般情況下無人值守，輔助設(shè)備不僅可以減少公司人力資源管理的壓力，還可以避免人為誤操作導(dǎo)致的事故。 此外，儲能系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至電腦端和移動端，方便用戶查看。

3 智能優(yōu)化控制策略

利用儲能系統(tǒng)在負(fù)荷谷時從電網(wǎng)吸收電能，在負(fù)荷峰時釋放電能以避免從電網(wǎng)輸入功率的“快速吞吐”特性，不僅可以緩解高峰期電能“供不應(yīng)求”的問題，還可以減少用電設(shè)備的維護(hù)次數(shù)，延長用電設(shè)備更新?lián)Q代的周期，實(shí)現(xiàn)多贏的局面。 該項(xiàng)目針對的儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷的智能優(yōu)化控制策略，主要有兩步設(shè)計[5]：一是根據(jù)單日預(yù)測負(fù)荷曲線，確定單日大致的運(yùn)行計劃，即規(guī)劃儲能系統(tǒng)的實(shí)時充放電狀態(tài)；二是根據(jù)實(shí)時負(fù)荷值及系統(tǒng)運(yùn)行情況，確定儲能系統(tǒng)充放電功率的大小，并實(shí)時調(diào)節(jié)初步制定的充放電計劃，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的實(shí)時優(yōu)化控制。

鋰電池儲能系統(tǒng)在參與電網(wǎng)的削峰填谷時具有各種約束條件， 只有保持在約束條件下工作，儲能系統(tǒng)才能可靠的運(yùn)行，發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。 本項(xiàng)目加入了對電池儲能基本單元的容量、充放電功率約束和備用電源剩余電量約束。 此外，還加入了對電池儲能基本單元的動作次數(shù)約束來延長電池儲能系統(tǒng)的工作年限。 本項(xiàng)目所采用的智能優(yōu)化控制策略，就是根據(jù)預(yù)測出的日負(fù)荷數(shù)據(jù)，考慮上述對電池儲能基本單元的約束，確定儲能系統(tǒng)的充放電功率最大值與最小值，再與預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)相比確定每一時刻的充放電功率，具體公式如下所示：

式 （1） 中，Pd、Pc分別為負(fù)荷峰谷期間的負(fù)荷值；P1為儲能系統(tǒng)充電功率最小值；P2為儲能系統(tǒng)放電功率最大值；Δt 為單位時間；E 為電池儲能系統(tǒng)的容量；Pmax、Pmin為負(fù)荷的峰谷值；Pav為日負(fù)荷平均功率，T 為單日儲能系統(tǒng)運(yùn)行總時間，t 為儲能系統(tǒng)工作的某一時刻。 此外，充電總功率要大于等于放電總功率以保持儲能系統(tǒng)存在剩余電量作為備用電源容量，且單次充放電的電量均要小于儲能系統(tǒng)的總?cè)萘俊?/p>

綜上所述得出基于此種智能優(yōu)化控制策略的主要步驟如下：

（1）根據(jù)預(yù)測出的負(fù)荷數(shù)據(jù)的峰谷值確定充放電功率P1與P2；

同時應(yīng)滿足以下約束條件[6]：

式中，Ec表示充電總能量，Ed表示放電總能量，ε 為接近零的常數(shù)。 當(dāng)上述約束條件沒有同時滿足時，需要返回P1=P1+ΔP,P2=P2-ΔP 迭代過程。

（3）計算出儲能系統(tǒng)動作狀態(tài)切換的臨界功率值， 根據(jù)實(shí)時反饋的負(fù)荷數(shù)據(jù)判斷儲能系統(tǒng)工作在什么狀態(tài)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)荷小于所確定的儲能系統(tǒng)放電功率最小值P1時， 儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際負(fù)荷在區(qū)間[P1, P2]內(nèi)時，儲能系統(tǒng)不動作；當(dāng)實(shí)際負(fù)荷大于所確定的儲能系統(tǒng)充電功率最大值P2時，儲能系統(tǒng)工作在充電狀態(tài)。 其具體流程圖見圖2。

圖2 儲能系統(tǒng)控制流程

由圖2 所示，首先預(yù)測出單日負(fù)荷用于確定充放電功率P1和P2的大致范圍， 并計算日負(fù)荷平均功率，確定迭代步長；其次，以Pav為中心，為步長△P 進(jìn)行迭代， 在迭代的同時需要滿足約束條件公式（2）、（3）、（4）；接著在迭代完成后計算出儲能系統(tǒng)動作狀態(tài)切換的臨界功率值；最后將實(shí)際負(fù)荷和臨界負(fù)荷作實(shí)時比較來確定儲能系統(tǒng)動作與狀態(tài)切換的時間。 經(jīng)過上述方法對儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制能夠很好地降低峰谷差， 從而達(dá)到削峰填谷的效果。

4 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本主要由初始投資成本和保證儲能系統(tǒng)正常工作運(yùn)行所花費(fèi)的成本即運(yùn)維成本組成。

4.1 初始投資成本

儲能系統(tǒng)主要由電池組、變壓器、控制模塊和功率變換器（PCS）組成。 投資成本即為購買和安裝這些設(shè)備所花費(fèi)的成本。 儲能系統(tǒng)的投資成本主要與電池儲能基本單元的額定容量和額定功率相關(guān)。容量投資成本由電池儲能基本單元的容量有關(guān)，不同容量的電池制造工藝不同，電池的容量投資成本也不同。 與此同時，儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換模塊主要由PCS 和控制部分組成，因此與之相關(guān)的成本稱為功率投資成本。 綜上，初始投資成本如式（5）所示：

SP.E=Ci_p·Pi+Ci_E·Ei（5）

式中，Ci_p表示儲能系統(tǒng)單位功率成本；Ci_E表示儲能系統(tǒng)單位容量成本，Pi表示儲能系統(tǒng)的單位功率，Ei表示儲能系統(tǒng)的單位容量。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)維成本

儲能系統(tǒng)的運(yùn)維成本主要分為其運(yùn)作時所需的費(fèi)用和為了保證其正常運(yùn)作所投入的檢修等費(fèi)用。 具體包括電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計與維護(hù)，電池的日常狀態(tài)監(jiān)測，儲能系統(tǒng)的故障預(yù)警與消除等。 一般情況下， 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性收益大致包含：（1）儲能系統(tǒng)延長使用年限和升級周期獲得的年收益；（2）儲能系統(tǒng)在減少輸送電能時產(chǎn)生損耗獲得的年收益；（3）儲能系統(tǒng)參與削峰填谷同時作為備用電源降低其他備用電源的容量獲得的年收益；（4）儲能系統(tǒng)的環(huán)境收益；（5）儲能系統(tǒng)運(yùn)行所獲得的直接收益；（6）政策補(bǔ)貼。

4.3 基于遺傳算法的經(jīng)濟(jì)型評估算法

根據(jù)上述對儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析，儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行建模，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行全局搜素尋優(yōu)。 本項(xiàng)目將遺傳算法與儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷的模型相結(jié)合對儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析研究，基于遺傳算法的經(jīng)濟(jì)性評估算法流程見圖3。

圖3 基于遺傳算法的經(jīng)濟(jì)型評估算法流程

通過經(jīng)濟(jì)評估算法可以更好地對儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估，以便更好地保障儲能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 計劃選用的儲能系統(tǒng)的額定功率為50 kW，總?cè)萘繛?50 kW·h。與此同時，儲能系統(tǒng)還可以作為朋山嶺隧道隧道備用電源，減少了隧道監(jiān)控及應(yīng)急電源UPS 的投入，鉛酸電池的定期檢測和更換需求，減少了技術(shù)人員的工作量，即為延長使用年限和升級周期所獲得的收益。 經(jīng)過估算儲能系統(tǒng)及相應(yīng)線纜預(yù)計費(fèi)用在70 萬元左右，但是也減少了電能長距離運(yùn)輸?shù)膿p耗。 儲能系統(tǒng)不僅可以作為應(yīng)急電源使用， 還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷， 降低用戶的發(fā)電成本， 提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，且為國家早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰做出了貢獻(xiàn)。 最終，投入使用后預(yù)計可運(yùn)行10 年左右，節(jié)約費(fèi)用48 萬元左右。

4.4 仿真實(shí)例

從智能優(yōu)化控制策略與經(jīng)濟(jì)效益分析兩個方面，對泉三高速公路朋山嶺隧道采用儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷進(jìn)行仿真； 一方面基于峰谷分時電價，控制優(yōu)化目標(biāo)為最佳，采用智能優(yōu)化控制，得出泉三高速公路朋山嶺隧道單日充放電控制策略；另一方面構(gòu)建儲能系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)成本和峰谷分時電價影響下的經(jīng)濟(jì)性模型，突出儲能系統(tǒng)的合理優(yōu)化運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)成本、峰谷分時電價等方面的優(yōu)勢，并預(yù)測在不同的經(jīng)濟(jì)成本與峰谷分時電價時儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益走勢；為儲能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行與優(yōu)化控制提供參考依據(jù)。

圖4 為福建省泉州市地區(qū)某一天不同時間段的電價。 經(jīng)過優(yōu)化控制后的儲能系統(tǒng)在當(dāng)天的充放電仿真曲線如圖5 所示。 遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)由儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性收益構(gòu)成，以經(jīng)濟(jì)性收益最高為目標(biāo)， 同時滿足優(yōu)化控制策略制定的所有約束條件，且在主電源供電正常的情況下單日內(nèi)的儲能系統(tǒng)充放電電量相等，既保證了儲能系統(tǒng)作為備用電源的使用，同時也使儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)削峰填谷后降低了用電成本，響應(yīng)國家增效減排的倡議。

圖4 峰平谷分時電價

圖5 儲能系統(tǒng)充放電出力曲線

5 結(jié)語

近年來，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、用電量逐年上升，電力系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差值不斷拉大， 暴露出用電不均衡、設(shè)備利用率不足等問題。 儲能作為一種實(shí)現(xiàn)簡單、成本低廉、技術(shù)成熟的手段成為了電網(wǎng)削峰填谷的重要組成部分。 儲能技術(shù)不僅能平滑負(fù)荷，還能提升項(xiàng)目的效益。 為了最大化地提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制和經(jīng)濟(jì)效益研究是十分重要的。 本文以泉三高速段的朋山嶺隧道儲能系統(tǒng)為例，分析了儲能系統(tǒng)在新能源調(diào)度控制上的優(yōu)勢并說明了工程概況，進(jìn)而對該項(xiàng)目所用的智能優(yōu)化控制策略進(jìn)行了說明，并且在其基礎(chǔ)上對儲能電站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了簡要分析；提出了可以利用儲能系統(tǒng)削峰填谷時的高低電價差進(jìn)行盈利的優(yōu)化策略， 驗(yàn)證了所提優(yōu)化控制策略的有效性和經(jīng)濟(jì)性，最終為該項(xiàng)目的供電保障功能和經(jīng)濟(jì)性提供了理論基礎(chǔ)。