摘 要：為解決常規(guī)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法因缺乏對(duì)電池能耗因子的考慮，導(dǎo)致負(fù)荷控制效果不佳問(wèn)題，提出考慮電池能耗因子和調(diào)節(jié)速率含風(fēng)電的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能站的負(fù)荷率進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上結(jié)合日負(fù)荷曲線的均方差，對(duì)用戶的負(fù)荷時(shí)間彈性進(jìn)行定性分析。結(jié)合儲(chǔ)能電站的電池能耗因子，將負(fù)荷控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能損耗最小值求解問(wèn)題，構(gòu)建出目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合調(diào)度功率的指令需求對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束，構(gòu)建電站充放電均衡條件等式，并采用迭代法對(duì)邊際負(fù)荷最優(yōu)值進(jìn)行求解。

關(guān)鍵詞：電池能耗因子；調(diào)節(jié)速率；儲(chǔ)能電站；負(fù)荷控制

中圖分類號(hào)：

TM715;TQ150

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號(hào)：

1001-5922（2024）01-0141-04

Load control method for electrochemical energy storage plant considering battery energy consumption factor and regulation rate

LI Dongkun，F(xiàn)ENG Jishu，WANG Junxi

（Centralchina Branch of State Grid Corporation of China，Wuhan 430077，China）

Abstract：In order to solve the problem that the load control method lacks the consideration of battery energy consumption factors，resulting in the poor load control effect of conventional electrochemical energy storage power stations，a load control method for electrochemical energy storage power stations with wind power considering battery energy consumption factors and adjustment rate was proposed.By calculating the load rate of the energy storage station，combined with the mean square deviation of the daily load curve，the load time elasticity of the user was qualitatively analyzed.Then，by combining the battery energy consumption factor of the energy storage station，the load control targetwas transformed into the energy storage loss minimization solving problem，the objective function was constructed，and constrained with the instruction requirements of the dispatching power.The equations of charging and discharging equilibrium conditions of the power station was constructed and the iterative method was used to solve the optimal value of marginal load.

Key words：battery energy factor;regulation rate;energy storage plant;load control

負(fù)荷控制方法指的是通過(guò)對(duì)負(fù)荷曲線的波峰與波谷進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使負(fù)荷曲線的波動(dòng)情況趨于穩(wěn)定，滿足用戶在不同時(shí)段的用電需求。對(duì)此，文獻(xiàn)［1］針對(duì)智能電網(wǎng)的負(fù)荷情況，結(jié)合用戶的用電需求，提出了一種精準(zhǔn)控制策略。文獻(xiàn)［2］結(jié)合遺傳算法，通過(guò)構(gòu)建恒溫控制指標(biāo)，對(duì)配電網(wǎng)的恒溫負(fù)荷控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)此，研究以電化學(xué)儲(chǔ)能站的負(fù)荷曲線作為調(diào)節(jié)對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)最優(yōu)負(fù)荷控制值的有效求解［3］。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法

1.1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷時(shí)間彈性分析

由于電化學(xué)儲(chǔ)能電站用戶的用電負(fù)荷具有一定的時(shí)間彈性，通過(guò)對(duì)時(shí)間彈性進(jìn)行識(shí)別，可以在電化學(xué)儲(chǔ)能電站的用電高峰期之前對(duì)用戶供電量進(jìn)行削減，為用電高峰期的負(fù)荷需求提供調(diào)節(jié)量，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制［4］。對(duì)于電化學(xué)儲(chǔ)能電站來(lái)講，負(fù)荷時(shí)間的彈性識(shí)別不僅能在保證總電量的前提下對(duì)電量進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，同時(shí)也能有效削減高峰期的負(fù)荷情況，從而維護(hù)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的穩(wěn)定性。假設(shè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的負(fù)荷率為α，其具體計(jì)算公式：

α=PaverPmax

（1）

式中：Paver代表電化學(xué)儲(chǔ)能電站的平均負(fù)荷；Pmax代表電站電路支線中的最大負(fù)荷值［5］。通過(guò)式（1）可看出，電化學(xué)儲(chǔ)能電站的負(fù)荷率波動(dòng)為0～1。α的值越接近1，代表電化學(xué)儲(chǔ)能電站的平均負(fù)荷越接近該線路中的最大負(fù)荷值，說(shuō)明此時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)備的利用率較高，負(fù)荷曲線變化較為穩(wěn)定。對(duì)此，結(jié)合電力負(fù)荷曲線的均方差指標(biāo)，對(duì)電站負(fù)荷的彈性時(shí)間進(jìn)行定性分析，負(fù)荷曲線的均方差（σday）計(jì)算公式：

σday=124∑24i=1σi－AVEday2

（2）

式中：AVEday代表電化學(xué)儲(chǔ)能電站在規(guī)定周期內(nèi)，用電量為同一時(shí)刻的電量均值；σi代表24時(shí)刻的電化學(xué)儲(chǔ)能電站用電量均方差。負(fù)荷時(shí)間彈性分析的具體流程如圖1所示。

由圖1可知，研究設(shè)計(jì)的彈性時(shí)間分析方法主要與負(fù)荷率以及均方差的波動(dòng)情況判斷相關(guān)。因此，如果電化學(xué)儲(chǔ)能電站的負(fù)荷率足夠高，代表此時(shí)電站設(shè)備利用率較高，不需對(duì)波峰波谷進(jìn)行調(diào)節(jié)就能夠滿足用戶的用電需求。因此對(duì)于負(fù)荷時(shí)間彈性的識(shí)別首先需要判斷負(fù)荷率是否低于門限值，結(jié)合式（1），將負(fù)荷率的門限值設(shè)為0.5，當(dāng)負(fù)荷率低于0.5時(shí)，說(shuō)明此時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的平均負(fù)荷要遠(yuǎn)低于電路支線中的最大電力負(fù)荷，此時(shí)代表負(fù)荷曲線存在時(shí)間彈性，有必要對(duì)負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站日負(fù)荷曲線的均方差進(jìn)行計(jì)算，均方差可以對(duì)電站日負(fù)荷曲線中的負(fù)荷數(shù)據(jù)離散程度進(jìn)行表征。因此，設(shè)定電站負(fù)荷曲線的均方差門限值為0.75，當(dāng)計(jì)算出本日電站負(fù)荷曲線的均方差高于0.75時(shí)，代表負(fù)荷時(shí)間具有一定的彈性，有必要對(duì)負(fù)荷情況進(jìn)行調(diào)節(jié)［6］。

1.2 考慮電池能耗因子和調(diào)節(jié)速率的儲(chǔ)能電站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建

對(duì)于負(fù)荷率低于門限值且日負(fù)荷曲線均方差高于門限值的電化學(xué)儲(chǔ)能電站，即可認(rèn)為該電站設(shè)備利用率較低，同時(shí)用戶用電習(xí)慣調(diào)節(jié)的空間較大，通過(guò)構(gòu)建電站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)，并結(jié)合調(diào)度功率對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束，實(shí)現(xiàn)電站負(fù)荷的有效控制［7］。將儲(chǔ)能電站的運(yùn)行目標(biāo)設(shè)為運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益最大化，并將經(jīng)濟(jì)效益最大轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能損耗程度最小，結(jié)合儲(chǔ)能電站的電池能耗因子，對(duì)目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建［8］。儲(chǔ)能電站電池的放電能效與放電功率的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，儲(chǔ)能電池的能效曲線可以通過(guò)線性參數(shù)的形式對(duì)其進(jìn)行表征。引入電池能耗因子對(duì)能效曲線的波動(dòng)情況進(jìn)行表征，假設(shè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能變流器總數(shù)為i，每臺(tái)變流器的充放電運(yùn)行功率為Pi，其對(duì)應(yīng)的電池能耗因子為ηi，由此可對(duì)儲(chǔ)能變流器的充放電功率損耗值Ploss進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算公式如下所示。

Ploss=1－ηiγ·ηiPi

（3）

式中：γ代表儲(chǔ)能變流器的儲(chǔ)能能效。電池能耗因子的值主要與電池自特性相關(guān)，其具體計(jì)算公式：

ηi=β+Pi

（4）

式中：β代表電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池的自特性參數(shù)。結(jié)合上述公式，所構(gòu)建出的儲(chǔ)能電站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

F=minPloss=min1－ηiγ·ηiPi

（5）

根據(jù)上述構(gòu)建出的儲(chǔ)能電站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合調(diào)度功率的指令需求以及每臺(tái)儲(chǔ)能變流器的運(yùn)行工況條件，對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行約束，具體約束表達(dá)式［9］：

Ptarget=∑ni=1λ·PiPimin≤Pi≤Pimax

（6）

式中：λ代表儲(chǔ)能電站的運(yùn)行調(diào)節(jié)速率，Ptarget代表調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度調(diào)節(jié)功率目標(biāo)：Pimax和Pimin分別代表每臺(tái)儲(chǔ)能變流器在運(yùn)行工況中的充放電功率的上限與下限［10］。

1.3 電化學(xué)儲(chǔ)能電站定邊際負(fù)荷控制

針對(duì)上述構(gòu)建出的電化學(xué)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)，以圖3所示的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷曲線為例，在不考慮電站容量約束的前提下，通過(guò)結(jié)合電站充放電量均衡條件，對(duì)定邊際負(fù)荷進(jìn)行控制［11］。

由圖3可知，當(dāng)電站負(fù)荷值低于定邊際負(fù)荷值時(shí)，可以使電化學(xué)儲(chǔ)能電站處于充電狀態(tài)，從而對(duì)負(fù)荷波谷區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)。而當(dāng)電站負(fù)荷值高于定邊際負(fù)荷值時(shí)，可以使電化學(xué)儲(chǔ)能電站處于放電狀態(tài)，從而對(duì)負(fù)荷曲線的波峰區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)［12-13］。結(jié)合充放電均衡條件，本文構(gòu)建出的負(fù)荷調(diào)節(jié)表達(dá)式如下所示。

F∑∫|PL|+Srem=K∑∫PH

（7）

式中：PL和PH分別代表電化學(xué)儲(chǔ)能電站的全天充電量以及放電量；Srem代表電池初始電量：K代表充放電量均衡系數(shù)。采用迭代法對(duì)邊際負(fù)荷值進(jìn)行求解，具體計(jì)算公式：

W=K∑∫|PL－PH|+SremP1

（8）

式中：P1代表電化學(xué)儲(chǔ)能電站的日平均負(fù)荷；W代表負(fù)荷均衡參數(shù)。當(dāng)W的值低于充放電均衡系數(shù)時(shí)，代表次數(shù)算法迭代完成，此時(shí)的值即為電化學(xué)儲(chǔ)能電站的定邊際負(fù)荷控制最優(yōu)值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了證明提出的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法在實(shí)際控制效果方面優(yōu)于常規(guī)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法，在理論部分的設(shè)計(jì)完成后，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)提出的方法進(jìn)行實(shí)際負(fù)荷控制效果檢驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

為驗(yàn)證提出的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法在實(shí)際負(fù)荷控制效果方面的有效性，實(shí)驗(yàn)選取了兩種常規(guī)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法作為對(duì)比對(duì)象，分別為基于遺傳算法的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法，以及基于模型優(yōu)化的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法。通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用3種負(fù)荷控制方法對(duì)同一個(gè)儲(chǔ)能電站模型進(jìn)行控制，對(duì)比不同控制方法的實(shí)際控制效果。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以額定功率為5 MW，額定電池容量為15 MW/h的含風(fēng)電的電化學(xué)儲(chǔ)能電站作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)該電站的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)取，結(jié)合MATLAB軟件構(gòu)建出儲(chǔ)能電站仿真模型，并采用3種控制方法對(duì)該電站模型的負(fù)荷情況進(jìn)行控制調(diào)整。儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

由圖4可以看出，模擬的儲(chǔ)能電站共包含10組儲(chǔ)能變流器，不同儲(chǔ)能變流器的最大可充電以及放電功率均有所不同。

為對(duì)比不同方法的實(shí)際負(fù)荷控制效果，實(shí)驗(yàn)選取了某一日的儲(chǔ)能電站負(fù)荷曲線進(jìn)行了模擬。

以儲(chǔ)能電站的原始負(fù)荷曲線作為調(diào)節(jié)對(duì)象，采用3種控制方法對(duì)負(fù)荷曲線中的波峰和波谷的變化情況進(jìn)行合理調(diào)控。

所模擬出的儲(chǔ)能變流器運(yùn)行工況如表1所示。

2.3 負(fù)荷控制性能對(duì)比

對(duì)比實(shí)驗(yàn)選取的對(duì)比指標(biāo)為控制方法的實(shí)際控制性能，具體衡量指標(biāo)為不同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，負(fù)荷曲線波峰、波谷調(diào)節(jié)量的大小，該值越高，代表算法的調(diào)節(jié)性能越好，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可以看出，提出的考慮電池能耗因子和調(diào)節(jié)速率含風(fēng)電的電化學(xué)儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法在控制性能方面明顯優(yōu)于2種常規(guī)的負(fù)荷控制方法，其波峰與波谷的調(diào)節(jié)量均高于2種常規(guī)的負(fù)荷控制方法。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)的儲(chǔ)能電站負(fù)荷控制方法在控制效果方面不夠理想的問(wèn)題，通過(guò)結(jié)合電池能耗因子以及調(diào)節(jié)速率，提出了一種新型的負(fù)荷控制方法，對(duì)提出的方法進(jìn)行了負(fù)荷控制效果的檢驗(yàn)。最終的測(cè)試結(jié)果表明，采用提出的方法對(duì)儲(chǔ)能電站的負(fù)荷情況進(jìn)行控制時(shí)，負(fù)荷曲線的波峰與波谷負(fù)荷調(diào)節(jié)量較高，具備較為理想的負(fù)荷控制效果。在今后的研究工作中，還需針對(duì)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，從而對(duì)控制效果進(jìn)行優(yōu)化。

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