中電建西南電力銷售有限公司 朱建林

1 引言

近年來，隨著電動汽車的普及，充電站建設(shè)已經(jīng)成為推廣電動汽車的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。由于電力系統(tǒng)具有不穩(wěn)定性和不可預(yù)見性，充電站的電力質(zhì)量和供電可靠性問題一直困擾著電力工程師和運營商，儲能技術(shù)作為一種有效的解決方案，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于充電站電力系統(tǒng)中，可以提高電力質(zhì)量和供電可靠性。本文提出基于動態(tài)規(guī)劃算法的控制策略模型，并采用Matlab/Simulink 軟件進行仿真驗證，分析試驗數(shù)據(jù)，對模型輸出結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)進行對比，有效驗證了儲能系統(tǒng)設(shè)計和控制策略的可行性和有效性，有助于提高充電站的電力質(zhì)量和供電可靠性。

2 儲能技術(shù)在充電站中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

隨著新能源汽車的不斷普及，充電站作為其主要充電設(shè)施之一，需要具備高效、可靠、穩(wěn)定的電力供應(yīng)能力，儲能技術(shù)作為一種重要的電力補償手段，被廣泛應(yīng)用于充電站的電力系統(tǒng)中。常見的儲能技術(shù)包括電池、超級電容等，鋰離子電池是目前應(yīng)用較為廣泛的儲能技術(shù)，其性能優(yōu)異，能夠滿足充電站對于高能量密度、長壽命、高充放電效率、高安全性等方面的要求，超級電容作為一種新型的儲能技術(shù)，具有充放電速度快、壽命長、耐高溫、環(huán)保等優(yōu)點，但容量相對較小[1]。此外，還有氫燃料電池等儲能技術(shù)也逐漸得到應(yīng)用。儲能技術(shù)在充電站中的應(yīng)用現(xiàn)狀已經(jīng)相對成熟，不僅能夠提高充電站電力系統(tǒng)的運行效率，同時也能夠降低對電力網(wǎng)絡(luò)的沖擊，實現(xiàn)智能、高效、可持續(xù)的能源利用。

3 充電站電力系統(tǒng)儲能技術(shù)運行與控制

3.1 儲能系統(tǒng)的運行特點與要求

儲能系統(tǒng)是充電站電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其運行特點和要求對于充電站的整體運行質(zhì)量和穩(wěn)定性具有重要影響。儲能系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)負載的變化，提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，滿足充電站電力需求以及高能量密度的儲能需求，保證充電站的長時間穩(wěn)定運行、充電和放電效率要高，提高電能的利用效率，對儲能系統(tǒng)的安全性能也較高，能夠有效防止火災(zāi)、爆炸等安全事故的發(fā)生[2]。儲能系統(tǒng)必須采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和控制策略，例如通過合理的儲能容量設(shè)計和控制方式以及安全保護措施等，確保儲能系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行并且安全可靠。

3.2 基于動態(tài)規(guī)劃算法的控制策略

在充電站電力系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的運行控制策略對其穩(wěn)定性和經(jīng)濟性有著至關(guān)重要的作用，基于動態(tài)規(guī)劃算法的控制策略被廣泛應(yīng)用于儲能系統(tǒng)的運行控制中，能夠有效地實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的最優(yōu)控制，達到經(jīng)濟、穩(wěn)定和環(huán)保等目標(biāo)。動態(tài)規(guī)劃算法的基本思想是將原問題劃分成多個子問題，通過求解子問題的最優(yōu)解求得原問題的最優(yōu)解。在儲能系統(tǒng)的運行控制中，動態(tài)規(guī)劃算法可被用于確定最優(yōu)的儲能容量、充電/ 放電功率和充電/ 放電時間等運行參數(shù)。首先，確定儲能系統(tǒng)的狀態(tài)空間，包括儲能容量、當(dāng)前電池狀態(tài)和時間等因素；然后，定義系統(tǒng)的效用函數(shù)，即儲能系統(tǒng)的運行目標(biāo)，例如最小化電能成本、最大化電池壽命等；最后，通過求解函數(shù)值，即每個狀態(tài)下的最優(yōu)效用值，得到儲能系統(tǒng)的最優(yōu)運行策略。

3.3 儲能系統(tǒng)的運行模式與參數(shù)調(diào)節(jié)

儲能系統(tǒng)的運行模式和參數(shù)調(diào)節(jié)對于充電站電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性具有重要的作用。儲能系統(tǒng)的運行模式具體有以下幾種。

一是峰谷電價運營模式：根據(jù)電力市場的峰谷電價差異，將低谷時段的電能儲存起來，高峰時段進行放電，可以降低電費。該模式需要對儲能系統(tǒng)進行精細化的功率調(diào)度，最大限度地降低能量成本。

二是需求響應(yīng)模式：根據(jù)電網(wǎng)負荷的實時變化，對儲能系統(tǒng)進行放電或充電，實現(xiàn)對電網(wǎng)負荷的有效調(diào)節(jié)。該模式需要對儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度和功率調(diào)節(jié)精度進行優(yōu)化。

三是容量平衡控制：針對電池組內(nèi)部電池的不同壽命和偏差，對電池組進行容量均衡，延長整個電池組的使用壽命。

4 試驗與仿真驗證

4.1 試驗設(shè)計與測試方案

在本研究中，采用試驗和仿真的方法對某充電站電力系統(tǒng)中的儲能技術(shù)進行驗證和評價,具體的試驗設(shè)計與測試方案如下。

4.1.1 試驗設(shè)計

試驗對象：選取一臺儲能系統(tǒng)，包括儲能裝置、控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)等，作為試驗對象。

試驗環(huán)境：建立一個與實際充電站電力系統(tǒng)類似的試驗環(huán)境，包括充電樁、儲能系統(tǒng)、電力負載、電網(wǎng)接口等。

試驗步驟：對儲能系統(tǒng)進行初始化設(shè)置，包括儲能容量、放電功率、充電功率等參數(shù)的設(shè)置。運行儲能系統(tǒng)，通過監(jiān)測儲能系統(tǒng)的電壓、電流、功率等參數(shù)，記錄儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)。對充電樁進行測試，記錄其輸出電流、電壓和充電功率等參數(shù)。在試驗過程中，對電力系統(tǒng)的負載進行調(diào)整，觀察儲能系統(tǒng)在不同負載下的運行情況。對儲能系統(tǒng)進行故障模擬，觀察系統(tǒng)的故障處理能力。

4.1.2 測試方案

一是穩(wěn)態(tài)測試：在穩(wěn)定狀態(tài)下，記錄儲能系統(tǒng)的輸出功率、電壓和電流等參數(shù)。二是動態(tài)測試：通過對電力系統(tǒng)的負載進行調(diào)整，觀察儲能系統(tǒng)在負載變化時的響應(yīng)能力。三是故障測試：模擬儲能系統(tǒng)的故障情況，觀察系統(tǒng)的故障處理能力。四是數(shù)據(jù)分析：根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對儲能系統(tǒng)的性能進行分析和評價，并與仿真結(jié)果進行對比分析，進一步驗證儲能系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

4.2 試驗結(jié)果分析與評價

在進行試驗測試后對數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，具體見表1。

表1 試驗測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，充電/放電功率、電流和電壓的變化對SOC 的影響較小，但當(dāng)SOC 超過安全范圍時，儲能系統(tǒng)會啟動過充保護或過放保護，導(dǎo)致充電/放電功率和電流的變化較大，同時降低了儲能系統(tǒng)的效率。

在實際運行中應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)實際情況進行合理的參數(shù)設(shè)置，保證儲能系統(tǒng)的安全和高效運行。此外，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)故障狀態(tài)會對儲能系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響，當(dāng)系統(tǒng)處于過充或過放保護狀態(tài)時，系統(tǒng)容易發(fā)生故障，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)失效。因此，在設(shè)計儲能系統(tǒng)時，應(yīng)該考慮并采取必要的安全保護措施，避免故障的發(fā)生。

4.3 仿真模型建立與驗證

采用Matlab/Simulink 軟件的電力系統(tǒng)仿真模型，包括發(fā)電機、變壓器、負載和電池組等。模型的仿真驗證要先設(shè)置模型參數(shù)，進行模擬運行，并對模擬結(jié)果進行分析，包括電網(wǎng)電壓、電池充放電功率等指標(biāo)，再對仿真結(jié)果與實際數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，根據(jù)分析結(jié)果對模型進行調(diào)整和優(yōu)化，將仿真結(jié)果與實際充電站電力系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行對比分析。例如，將仿真結(jié)果與實際電網(wǎng)電壓、電池充放電功率等指標(biāo)進行比較，計算誤差值，通過分析誤差值，可以確定模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并根據(jù)需要對模型進行優(yōu)化，模型參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 模型參數(shù)設(shè)置

通過表2的參數(shù)設(shè)置和仿真分析，對充電站電力系統(tǒng)的儲能技術(shù)進行進一步研究和優(yōu)化。通過對模型的輸出結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)進行對比，檢查模型的精度和可靠性。模型的輸出結(jié)果包括了電壓、電流、功率等指標(biāo)。通過與實際運行數(shù)據(jù)進行對比，驗證了模型的精度和可靠性，模型參數(shù)的設(shè)置和實際運行數(shù)據(jù)的對比情況，見表3。

表3 模型參數(shù)設(shè)置與實際運行數(shù)據(jù)的對比表

從表3可以看出，模型參數(shù)的設(shè)置與實際運行數(shù)據(jù)存在一定的差異，但在允許的范圍內(nèi)，驗證了模型的精度和可靠性。同時，在仿真結(jié)果分析與評價中，還可以對模型參數(shù)的設(shè)置和實際運行數(shù)據(jù)進行更加詳細的對比和分析，從而得出更加準(zhǔn)確的結(jié)論。

4.4 仿真結(jié)果分析與評價

針對上述數(shù)據(jù)進行分析和評價，通過對模型的仿真結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)模型與實際運行數(shù)據(jù)之間存在一定的誤差。這些誤差可能源于模型參數(shù)設(shè)置的不準(zhǔn)確，或是由于仿真過程中的一些假設(shè)條件與實際情況的差異造成。針對這些誤差，可以通過進一步優(yōu)化模型參數(shù)和調(diào)整仿真條件提高模型的精度和可靠性。

對于儲能系統(tǒng)的功率輸出情況，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在不同的充放電模式下，儲能系統(tǒng)的功率輸出情況有所不同。在充電模式下，儲能系統(tǒng)的輸出功率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，而在放電模式下，儲能系統(tǒng)的輸出功率則呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。因此，在不同的充放電模式下，儲能系統(tǒng)的輸出功率是不同的，需要根據(jù)實際情況進行合理的調(diào)整。

針對電池組的充放電狀態(tài)進行分析，根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在不同的充放電模式下，電池組的充放電狀態(tài)也有所不同。在充電模式下，電池組的充電狀態(tài)呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢，而在放電模式下，電池組的充電狀態(tài)則呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。因此，在不同的充放電模式下，需要對電池組進行合理的充放電控制，確保電池組的充電狀態(tài)始終處于合理的范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

本文通過對儲能系統(tǒng)的運行控制策略、運行模式與參數(shù)調(diào)節(jié)、故障處理與安全保護等方面的研究，為實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的高效運行提供了理論支持和技術(shù)方案。同時，通過對基于動態(tài)規(guī)劃算法的控制策略和Matlab/Simulink 軟件的電力系統(tǒng)仿真模型的研究，進一步驗證了儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的優(yōu)越性能。在未來，隨著能源轉(zhuǎn)型的深入推進，儲能系統(tǒng)將會發(fā)揮越來越重要的作用。