收稿日期：2023-02-14

基金項(xiàng)目：中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目（GDKJXM20220717）

通信作者：韓 蓉（1995—），女，博士、工程師，主要從事與儲(chǔ)能相關(guān)的電力電子技術(shù)方面的研究。hanrong@hnu.edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2023-0149 文章編號(hào)：0254-0096（2024）05-0198-08

摘 要：電化學(xué)儲(chǔ)能電站日運(yùn)行效率和運(yùn)行策略直接影響其經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰性能指標(biāo)。首先，分析儲(chǔ)能電池充放電過(guò)程，并建立基于日負(fù)荷曲線的效能轉(zhuǎn)化模型，以適應(yīng)單日運(yùn)行條件的儲(chǔ)能電站運(yùn)行分析；然后，根據(jù)能耗模型給出一種儲(chǔ)能電站充放電優(yōu)化運(yùn)行策略，并對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和調(diào)峰性能展開(kāi)分析，提出一種基于遺傳算法的電化學(xué)儲(chǔ)能電站多目標(biāo)優(yōu)化快速計(jì)算方法。最后，以南方某地區(qū)儲(chǔ)能電站為例對(duì)所提優(yōu)化策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所提電化學(xué)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行策略具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰效果。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能；控制策略；能量管理；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM910.1""" """""""""""""""" """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

構(gòu)建新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是推動(dòng)能源低碳轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必由之路，也是推動(dòng)能源生產(chǎn)與消費(fèi)革命的重要舉措［1］。電池儲(chǔ)能電站作為新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，可有效抑制電力傳輸峰谷差，提升電網(wǎng)的輸電能力和可再生能源的消納能力［2］。然而，目前電化學(xué)儲(chǔ)能電站在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏成熟、精細(xì)的運(yùn)行策略作為技術(shù)支撐。轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨負(fù)荷、充電狀態(tài)、電荷狀態(tài)以及電池、變流器性能等因素發(fā)生動(dòng)態(tài)變化［3］。因此，亟需針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站效率狀態(tài)波動(dòng)特點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)能電站日常運(yùn)行調(diào)度策略展開(kāi)分析和研究，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

現(xiàn)有針對(duì)儲(chǔ)能電站效率的研究多以設(shè)備級(jí)為主，包括工頻變壓器、儲(chǔ)能變流器（power conversion system， PCS）、電池模組和輔助用電等方面。其中，工頻變壓器損耗估算理論相對(duì)成熟。工程上將變壓器損耗分為銅損和鐵損，可分別通過(guò)Dowell公式根據(jù)電流熱效應(yīng)方程和斯坦梅茲公式進(jìn)行估算［4］。效率優(yōu)化方面，文獻(xiàn)［5］分析不同運(yùn)行參數(shù)下的變流器損耗特點(diǎn)；文獻(xiàn)［6-7］通過(guò)改善三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式優(yōu)化裝置的整體效率；文獻(xiàn)［8-9］提出一種單級(jí)式新型雙向儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)行條件下的高效運(yùn)行；文獻(xiàn)［10-11］提出兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝置在寬負(fù)載和寬電壓范圍下的高效運(yùn)行；針對(duì)儲(chǔ)能電站電池內(nèi)阻的變化，文獻(xiàn)［12-13］對(duì)儲(chǔ)能變流器的工作模式和狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化；此外，文獻(xiàn)［14］通過(guò)不同半導(dǎo)體器件混合并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器的低成本、高效運(yùn)行。以上儲(chǔ)能電站效率優(yōu)化的研究多以輸出功率不變?yōu)榍疤?，而?shí)際運(yùn)行過(guò)程中電化學(xué)儲(chǔ)能電站的輸出功率變化較大，建立精確描述變流器隨日計(jì)劃變化的損耗模型的研究較少。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行效率還與其運(yùn)行策略有關(guān)，現(xiàn)有研究主要集中在容量配置、選址規(guī)劃和能量管理等方面［15-21］。其中，文獻(xiàn)［15］針對(duì)含高比例新能源的電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)給出電能消納運(yùn)行曲線及經(jīng)濟(jì)性分析模型；文獻(xiàn)［16］從經(jīng)濟(jì)性和可靠性的角度出發(fā)，對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行容量及選址進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。以上模型主要以地區(qū)電網(wǎng)新能源消納為目標(biāo)，對(duì)電站能耗指標(biāo)等方面考慮較少。在儲(chǔ)能電站能量運(yùn)行管理方面，文獻(xiàn)［17］針對(duì)區(qū)域電網(wǎng)不同電源分布，基于改進(jìn)人工群峰法對(duì)能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)［18］提出一種考慮電池電荷狀態(tài)的充放電策略，避免了電化學(xué)儲(chǔ)能電站退出運(yùn)行的情況；文獻(xiàn)［19］從電網(wǎng)公司角度建立經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估模型，得出符合經(jīng)濟(jì)特性的儲(chǔ)能電站最優(yōu)容量配置。以上方法均僅從單一經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)能量管理策略進(jìn)行優(yōu)化，并未考慮運(yùn)行過(guò)程中能量損耗及調(diào)峰指標(biāo)。

為此，本文在上述研究基礎(chǔ)上，通過(guò)建立電化學(xué)儲(chǔ)能電站日計(jì)劃損耗模型，并針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行特點(diǎn)，提出一種基于經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰效果指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化運(yùn)行策略和遺傳參數(shù)計(jì)算方法，最后基于具體算例和仿真驗(yàn)證了運(yùn)行優(yōu)化策略和計(jì)算方法的正確性和有效性。

1 電化學(xué)儲(chǔ)能電站的損耗模型

圖1為典型電化學(xué)儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)示意圖。其中，電池組由多節(jié)電池串并聯(lián)構(gòu)成，與儲(chǔ)能變流器級(jí)聯(lián)后連接至交流母排。若干所述級(jí)聯(lián)設(shè)備構(gòu)成單個(gè)儲(chǔ)能單元，通過(guò)工頻升壓變壓器接入10 kV高壓交流電網(wǎng)，若干儲(chǔ)能單元接入高壓交流電網(wǎng)構(gòu)成電化學(xué)儲(chǔ)能電站。此外，控制、照明、溫控、監(jiān)控等設(shè)備需提供廠用電以維持電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；陔娀瘜W(xué)儲(chǔ)能電站主要結(jié)構(gòu)，能耗主要由充放電過(guò)程中流經(jīng)電池組、儲(chǔ)能變流器、變壓器等裝置的電流和運(yùn)行過(guò)程中自用電損耗產(chǎn)生。接下來(lái)將對(duì)儲(chǔ)能單元損耗進(jìn)行建模分析。

1.1 儲(chǔ)能單元的損耗模型

圖2為兩電平儲(chǔ)能逆變器的等效電路圖。損耗主要由儲(chǔ)能電站工作時(shí)流過(guò)各器件（電池組、絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor， IGBT）和濾波器電感）的電流產(chǎn)生。為計(jì)算儲(chǔ)能單元的損耗，需對(duì)電路各部分的電流展開(kāi)分析。圖3為儲(chǔ)能單元主要電流波形，其中電池輸出電流為三相逆變輸出電流求和。下面，分別建立電池組和逆變器的損耗模型進(jìn)行分析。

電池組的損耗與電池溫度、電荷狀態(tài)（state of charge，SOC）、健康狀態(tài)（state of health，SOH）、剩余使用壽命（remaining useful life，RUL）和充放電電流大小有關(guān)。其中，各地電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行細(xì)則規(guī)定SOC宜運(yùn)行于20%～90%，根據(jù)GB/T 36276—2018［20］規(guī)定，電池的室溫容量保持率不小于90%。在以上狀態(tài)范圍限制下，對(duì)電池特性的研究可將模型簡(jiǎn)化為歐姆電阻Ro和極化內(nèi)阻Rp進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。歐姆電阻與電池內(nèi)部工藝有關(guān)，可認(rèn)為是一個(gè)定值。極化內(nèi)阻隨電流密度增加而增大，常隨電流密度的對(duì)數(shù)增大而線性增加，可由廠家測(cè)試數(shù)據(jù)給出。

儲(chǔ)能變流器主要完成電壓變換和功率調(diào)節(jié)的作用，其損耗主要由功率器件和濾波器的損耗組成。基于基爾霍夫電流定律可得變流器節(jié)點(diǎn)電流為：

[ib=iU+iV+iW]""""" （1）

式中：[ib]——變流器直流母線輸入電流；[iU、iV、iW]——變換器的橋臂輸出電流。

LCL濾波器中濾波電容提供的無(wú)功功率一般低于系統(tǒng)總?cè)萘康?%。為簡(jiǎn)化模型，認(rèn)為輸出電流和變流器電流相等：

[iU=iUL，" iV=iUV，" iW=iUW]"" （2）

電池電阻和變流器器件造成的壓降較小，因此可得功率守恒關(guān)系為：

[Ro+Rpib2+Ploss_converter+Ploss_LCL+Pout=Vbib] （3）

式中：[Ro]——電池的等效歐姆內(nèi)阻；[Rp]——電池的等效極化內(nèi)阻；[Ploss_converter]——變換器的損耗；[Ploss_LCL]——濾波器的損耗；[Pout]——儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓功率；[Vb]——電池模組輸出電壓。其中，由于三相電流和H橋的對(duì)稱性，變流器的損耗僅需對(duì)一個(gè)IGBT的損耗進(jìn)行分析即可。

以雙極性SPWM調(diào)制為例，IGBT的飽和電壓[VCEsat]和二極管的正向?qū)▔航礫VF]可表示為：

[VCEsat=VCE0+IrCE]" （4）

[VF=VF0+IrF]""""" （5）

式中：[VCE0]——IGBT開(kāi)啟電壓；[I]——流過(guò)器件的電流；[rCE]——IGBT通態(tài)電阻；[VF0]——二極管開(kāi)啟電壓；[rF]——二極管通態(tài)電阻。

一個(gè)周期內(nèi)電流分別流過(guò)IGBT及對(duì)應(yīng)的反并聯(lián)二極管，通態(tài)損耗[Pcon_loss]可表示為：

[Pcon_loss=12π+Tcosφ8VCE0ICP+18+Tcosφ3πrCEICP2+"""""""""""""" 12π-Tcosφ8VF0ICP+18-Tcosφ3πrFICP2]"""""" （6）

式中：T——儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓和輸入電壓的比值；[ICP]——流過(guò)IGBT的電流。

開(kāi)關(guān)損耗則可通過(guò)IGBT和二極管的開(kāi)通/關(guān)斷過(guò)程的能量進(jìn)行計(jì)算，開(kāi)關(guān)損耗[Psw_IGBT_loss]可表示為：

[Psw_IGBT_loss=fswi=1fswVbVt_on·I（toni）It_onEon+VbVt_off·I（toffi）It_offEoff] （7）

式中：[fsw]——變換器的載波頻率；[Vt_on]和[It_on]——IGBT額定開(kāi)通時(shí)的電壓和電流；[I（toni）]和[I（toffi）]——第[i]個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)應(yīng)的開(kāi)通和關(guān)斷電流值；[Eon]和[Eoff]——IGBT額定開(kāi)通和關(guān)斷下的能耗；[Vt_off]和[It_off]——IGBT額定關(guān)斷時(shí)的電壓和電流。

二極管損耗主要表現(xiàn)為反向恢復(fù)損耗：

[Psw_Diode_loss=fswi=1fswVbVt_D_on·I（toffi）It_D_onQrr] （8）

式中：[Vt_D_on]和[It_D_on]——額定關(guān)斷時(shí)的電壓和電流；[I（toffi）]——第[i]個(gè)開(kāi)關(guān)周期對(duì)應(yīng)的關(guān)斷電流值；[Qrr]——額定工況下關(guān)斷的反向恢復(fù)能耗。

對(duì)于LCL型濾波器中的濾波電容，流過(guò)的無(wú)功電流較小，同時(shí)電容選用等效電阻較小的薄膜電容，因此其損耗可忽略。濾波電感產(chǎn)生的損耗分為銅損和鐵損，電感流過(guò)的電流為連續(xù)的工頻正弦波，因此損耗可按如1.2節(jié)的工頻變壓器模型進(jìn)行估算。

1.2 變壓器和站用電損耗模型

變壓器損耗主要分為銅損和鐵損兩部分，其中銅損表示為：

[PCloss=RCPIP2+RSIS2]"""" （9）

式中：[RCP]和[RS]——原邊和副邊的等效交流電阻；[IP]和[IS]——流過(guò)原邊和副邊的電流。

變壓器鐵損[PIloss]由Steinmetz公式表示為：

[PIloss=kfsα-1BβmVEE]"" （10）

式中：[k、][α]和[β]——由廠家提供的磁芯擬合系數(shù)；[fs]——流過(guò)變壓器的電流開(kāi)關(guān)頻率；[Bm]——變壓器磁芯的飽和磁密；[VEE]——磁芯的體積。

儲(chǔ)能電站用電損耗主要分為運(yùn)行、照明、監(jiān)控等固定電能損耗和隨外部環(huán)境溫度波動(dòng)的溫控?fù)p耗。自用電損耗[PSelfloss]可表示為：

[PSelfloss=PFixed_Loss+PTem_Loss（Δθ）]"""""" （11）

式中：[PFixed_Loss]——固定損耗；[PTem_Loss]——隨溫度變換的函數(shù)；[Δθ]——室內(nèi)溫度與室外溫度之間的溫差。

2 運(yùn)行策略分析與優(yōu)化

2.1 儲(chǔ)能電站運(yùn)行策略分析

電化學(xué)儲(chǔ)能電站在平抑峰谷負(fù)荷過(guò)程時(shí)，運(yùn)行的儲(chǔ)能變流器以及電池組單元可靈活控制，在充放電過(guò)程中對(duì)應(yīng)的充放電損耗在不同運(yùn)行策略下也不盡相同。下面對(duì)儲(chǔ)能電站的充放電策略展開(kāi)分析。表1為儲(chǔ)能電站設(shè)備級(jí)運(yùn)行策略。

策略1：對(duì)單個(gè)單體進(jìn)行充放電，使單體最大功率輸出，同時(shí)充放電的電荷SOC狀態(tài)控制更簡(jiǎn)單，且單體工作可減小變壓器鐵損。

策略2：對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行充放電，可充分利用單臺(tái)變壓器，同時(shí)均分每個(gè)PCS的電流應(yīng)力。

策略3：平均分配每個(gè)儲(chǔ)能單元的電流應(yīng)力，但每個(gè)儲(chǔ)能單元內(nèi)無(wú)需考慮電流均分。

策略4：平均分配每個(gè)設(shè)備的電流應(yīng)力，但需控制每個(gè)單體的電流均衡，同時(shí)啟用設(shè)備會(huì)造成額外的設(shè)備損耗。

注：?jiǎn)误w指單個(gè)電池組和PCS組成的裝置。

令儲(chǔ)能單元中電池單體數(shù)量為[M]，變換功率為[Pout]，單體額定變換功率為[Pouts]。如圖4所示，基于以上4種放電策略，提出一種功率分層優(yōu)化運(yùn)行策略。其中，A個(gè)儲(chǔ)能單元在策略3最大功率下運(yùn)行以輸出大部分功率，通過(guò)其中一個(gè)儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，儲(chǔ)能單元內(nèi)部B個(gè)儲(chǔ)能單體以策略2運(yùn)行，并通過(guò)一個(gè)單體以策略1對(duì)輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)。變換功率為[Pout]可表示為：

[Pout=AMPouts+BPouts+Poutss]" （12）

式中：[Poutss]——單體以策略1響應(yīng)的輸出功率。

儲(chǔ)能電站運(yùn)行依賴電池的SOC，因此需對(duì)電力儲(chǔ)能電池充放電時(shí)間和SOC管理策略展開(kāi)分析。根據(jù)GB/T 36276—2018［20］規(guī)定，能量型電池單體循環(huán)性能在循環(huán)次數(shù)達(dá)到1000次時(shí)，充放電能量保持率不小于90%，因此電池現(xiàn)役運(yùn)行狀態(tài)下SOH對(duì)電池SOC的影響較小。

為延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池使用壽命，對(duì)儲(chǔ)能電站運(yùn)行須進(jìn)行如下限制：

[A≤Si≤B]""" （13）

[I≤kmaxC]""" （14）

式中：[B]和[A]——電荷狀態(tài)的上、下限；[Si]——第[i]組電池單體的電荷狀態(tài)；[kmax]——電化學(xué)儲(chǔ)能電站最大充放電倍率；[C]——電池單體的電池容量。

圖5為所提儲(chǔ)能電站優(yōu)化運(yùn)行策略流程圖。首先對(duì)電池單體的初始限制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，再讀取當(dāng)前電池單體的電荷充電狀態(tài)，并根據(jù)總功率指令和電池的[Si]狀態(tài)對(duì)各電池單體的充電功率進(jìn)行下發(fā)。針對(duì)策略3以及策略2之間的儲(chǔ)能單元間電池單體電荷均衡的問(wèn)題，以策略3為例提出如圖6所示的儲(chǔ)能單元電荷狀態(tài)均衡的功率充放電分配框圖。

2.2 儲(chǔ)能電站運(yùn)行目標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)《南方區(qū)域電力輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》，儲(chǔ)能電站通過(guò)提供備用、調(diào)頻、調(diào)相和黑啟動(dòng)等輔助服務(wù)所獲得的價(jià)值收益固定，且依賴于電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的控制指令。因此本文重點(diǎn)關(guān)注分時(shí)電價(jià)機(jī)制價(jià)差和AGC（自動(dòng)發(fā)電量控制，automatic generation control）服務(wù)調(diào)節(jié)電量補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。分時(shí)電價(jià)下，儲(chǔ)能電站收益可表示為：

[Ed=EpRh+EfRf-EtRt]" （15）

式中：[Ep]、[Ef]和[Et]——儲(chǔ)能電站在峰段、平段和谷段變化的電能；[Rh、Rf]和[Rt]——峰段、平段和谷段的電價(jià)。

以廣東地區(qū)分時(shí)電價(jià)為例，圖7為儲(chǔ)能電站用戶總負(fù)荷和分時(shí)電價(jià)示意圖。針對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，在谷段電價(jià)時(shí)盡量將電池充滿，并在峰段釋放。針對(duì)平抑功率波動(dòng)指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)盡可能使輸出的功率波動(dòng)小。基于以上目標(biāo)，儲(chǔ)能電站充放電功率[Pout]同經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[Ed]和功率波動(dòng)指標(biāo)[PW]的表達(dá)式為：

[Ed=024PouttRedtPW=024Ploadt-Poutt-024Ploadtdt/24dt] （16）

式中：[Pload]——輸出負(fù)荷功率；[Re]——不同時(shí)段對(duì)應(yīng)的分時(shí)電價(jià)。

在低谷段，線路送入功率期望為Pb，此時(shí)儲(chǔ)能電站對(duì)電池充電的能量為：

[EL-bat=08μbat（t）Pb-Ploadtdt]"" （17）

式中：[EL-bat]——低谷段收益；[μbat]——對(duì)應(yīng)符合的效率。

在高峰段，為保證經(jīng)濟(jì)性，期望電化學(xué)儲(chǔ)能電站的輸出功率越大越好。設(shè)置線路中送入功率為[Pc]，[Pc]越高，線路的經(jīng)濟(jì)性越好，但線路的功率波動(dòng)越大。此時(shí)，儲(chǔ)能電站需釋放的能量為：

[EH-bat=1012Ploadt-Pc/μbat（t）dt+1419Ploadt-Pc/μbat（t）dt]

（18）

式中：[EH-bat]——高峰段收益。

在平峰段，設(shè)置線路中送入功率為Pd，此時(shí)釋放的能量為：

[EF-bat=810Ploadt-Pd/μbat（t）dt+""""""""""" 1214Ploadt-Pd/μbat（t）dt+1824Ploadt-Pd/μbat（t）dt]""""""""""""""" （19）

式中：[EF-bat]——平峰段收益。

為保證電化學(xué)儲(chǔ)能電站良好的循環(huán)性能，假定電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池放出能量等于釋放的能量，即為：

[EL-bat=EH-bat+EF-bat]""""" （20）

基于以上運(yùn)行目標(biāo)對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能站運(yùn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，接下來(lái)以具體算例進(jìn)行舉例。

3 算例優(yōu)化分析

以廣東某地區(qū)10 MW/30 MWh儲(chǔ)能電站進(jìn)行分析，儲(chǔ)能電站分為4個(gè)儲(chǔ)能單元，每個(gè)儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)容量為2.5 MW/7.5 MWh，包括2臺(tái)額定容量為1.25 MW的儲(chǔ)能變流器和2套額定容量為3.75 MWh的磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)。儲(chǔ)能電站系統(tǒng)中儲(chǔ)能電站參數(shù)如表2所示。

基于以上參數(shù)獲取儲(chǔ)能單元基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合變壓器和PCS的性能參數(shù)建立儲(chǔ)能電站的損耗及整體參數(shù)模型?；谝陨夏Ｐ?，提出儲(chǔ)能電站基于多目標(biāo)遺傳算法（NSGA Ⅱ）的計(jì)算及優(yōu)化流程如圖8所示。

如圖9所示，對(duì)某地區(qū)某日預(yù)測(cè)負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，得出基于經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰指標(biāo)。圖10為3種不同方式下儲(chǔ)能電站目標(biāo)函數(shù)的對(duì)比運(yùn)行結(jié)果。計(jì)算結(jié)果呈明顯的帕累托有效狀態(tài)，并可通過(guò)窮舉法計(jì)算方法求出Pareto前沿。如圖10a和圖10b所示，當(dāng)考慮儲(chǔ)能電站運(yùn)行效率，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)整體下降較嚴(yán)重，這是由于充放電過(guò)程中電能雙向流動(dòng)的能耗損失所致，因此精確損耗建模對(duì)儲(chǔ)能電站運(yùn)行策略尤為重要。此外，由于儲(chǔ)能電站運(yùn)行過(guò)程中損耗對(duì)調(diào)峰的影響較小，進(jìn)而對(duì)調(diào)峰指標(biāo)影響也較小。如圖10c所示，當(dāng)采取所提分層策略后，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和調(diào)峰指標(biāo)都有所提升，進(jìn)而驗(yàn)證了本文所提的分層控制策略的有效性。

然而，窮舉法對(duì)儲(chǔ)能電站優(yōu)化參數(shù)計(jì)算需大量計(jì)算資源。本文采用DELL R7910，8核3.0 GHz主頻，32 G內(nèi)存的工作站，以5 min精度的負(fù)荷數(shù)據(jù)對(duì)以上算法進(jìn)行計(jì)算，生成105×105的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)需約6 h。為了縮短運(yùn)算時(shí)間，采用NSGA Ⅱ遺傳算法對(duì)所提數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，在30 min之內(nèi)得到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果如圖11所示。得出的結(jié)果與窮舉法所得帕累托前沿結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了所提算法的快速性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而為儲(chǔ)能電站參數(shù)的快速準(zhǔn)確計(jì)算提供技術(shù)支撐。

針對(duì)所提電化學(xué)儲(chǔ)能電站的帕累托前沿解進(jìn)行分析，隨著經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的增加，調(diào)峰指標(biāo)也隨之增加。同時(shí)在上升過(guò)程中存在一個(gè)拐點(diǎn)（2.42，14.40），再往上斜率會(huì)隨之上升。為平衡經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和調(diào)峰指標(biāo)，本文選取（2.42，14.40）作為最優(yōu)解。圖12為給出的儲(chǔ)能電站優(yōu)化后的負(fù)荷曲線?？煽闯?，儲(chǔ)能電站在高峰時(shí)段完全放電，在低谷時(shí)段完全充電，滿足電化學(xué)儲(chǔ)能電站經(jīng)濟(jì)性的要求。經(jīng)功率優(yōu)化控制后，調(diào)峰指標(biāo)波動(dòng)較平緩。所提曲線在不同時(shí)段充放電曲線平直，對(duì)電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的電力統(tǒng)一調(diào)度也十分重要。同時(shí)也為儲(chǔ)能電站的運(yùn)行人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)提供了有力支撐。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)建立日運(yùn)行計(jì)劃下的效能轉(zhuǎn)化模型，并提出考慮效能轉(zhuǎn)換的電化學(xué)儲(chǔ)能電站分層級(jí)效率優(yōu)化運(yùn)行策略。同時(shí)，考慮儲(chǔ)能電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性需求，提出一種基于遺傳算法的電化學(xué)儲(chǔ)能電站多目標(biāo)優(yōu)化快速計(jì)算方法。最后以南方某地區(qū)儲(chǔ)能電站為例對(duì)所提優(yōu)化策略進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明所提電化學(xué)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行策略具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和調(diào)峰效果。

［參考文獻(xiàn)］

［1］"""" 舒印彪. 新型電力系統(tǒng)導(dǎo)論［M］. 北京： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社， 2022.

SHU Y B. Introduction to new-type power system［M］. Beijing： China Science and Technology Press， 2022.

［2］"""" 唐衛(wèi)軍， 肖波， 楊家寬， 等. 生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)研究進(jìn)展［J］. 再生資源研究， 2003（4）： 30-32.

TANG W J， XIAO B， YANG J K， et al. Research development""" of""" biomass""" conversion""" technology［J］. Recycling research， 2003（4）： 30-32.

［3］"""" 李建林， 武亦文， 王楠， 等. 吉瓦級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站研究綜述及展望［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2021， 45（19）： 2-14.

LI J L， WU Y W， WANG N， et al. Review and prospect of gigawatt-level electrochemical energy storage power station［J］. Automation of electric power systems， 2021， 45（19）： 2-14.

［4］"""" 王威望， 劉瑩， 何杰峰， 等. 高壓大容量電力電子變壓器中高頻變壓器研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］. 高電壓技術(shù)， 2020， 46（10）： 3362-3373.

WANG W W， LIU Y， HE J F， et al. Research status and development of high frequency transformer used in high voltage and large capacity power electronic transformer［J］. High voltage engineering， 2020， 46（10）： 3362-3373.

［5］"""" 楊珍貴， 杜雄， 孫鵬菊， 等. 風(fēng)電全功率變流器參數(shù)對(duì)可靠性的影響分析［J］. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2015， 30（16）： 137-145.

YANG Z G， DU X， SUN P J， et al. Analysis of effect of the converter parameters on full-rated wind power converters"""" reliability［J］.""""" Transactions"""" of"""" China Electrotechnical Society， 2015， 30（16）： 137-145.

［6］"""" 閆濤， 渠展展， 劉赟甲， 等. 新型中點(diǎn)鉗位三電平電池儲(chǔ)能變流器設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化， 2015， 39（3）： 103-109.

YAN T， QU Z Z， LIU Y J， et al. Design and control system of three-level battery power storage converter based on advanced neutral point clamped［J］. Automation of electric power systems， 2015， 39（3）： 103-109.

［7］"""" 張耀文， 張政權(quán)， 劉慶想， 等. 新型雙向儲(chǔ)能變流器分析與研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（4）： 82-89.

ZHANG Y W， ZHANG Z Q， LIU Q X， et al. Analysis and research of new bidirectional energy storage converter［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（4）： 82-89.

［8］"""" ABBASI M， KANATHIPAN K， LAM J. An interleaved bridgeless" single-stage" AC/DC" converter" with" stacked switches configurations and soft-switching operation for high-voltage EV battery systems［J］. IEEE transactions on industry applications， 2022， 58（5）： 5533-5545.

［9］"""" HADDADI A M， FARHANGI S， BLAABJERG F. An isolated"""" bidirectional"""" single-stage""" inverter""" without electrolytic capacitor for energy storage systems［J］. IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics， 2019， 7（3）： 2070-2080.

［10］""" CHEN T X， YU R Y， HUANG A Q. Variable-switching-frequency single-stage bidirectional GaN AC-DC converter for the grid-tied battery energy storage system［J］. IEEE transactions on industrial electronics， 2022， 69（11）： 10776-10786.

［11］""" CHEN" X，" PISE" A" A，" ELMES" J，" et" al." Ultra-highly efficient" low-power" bidirectional" cascaded" buck-boost converter for portable PV-battery-devices applications［J］. IEEE transactions on industry applications， 2019， 55（4）： 3989-4000.

［12］""" WANG L J， KE J Y， ZHAN M， et al. Efficient and fast active equalization method for retired battery pack using wide voltage range bidirectional converter and DBSCAN clustering algorithm［J］. IEEE transactions on power electronics， 2022， 37（11）： 13824-13833.

［13］""" ZHAO C， YIN H， MA C B. Equivalent series resistance-based" real-time" control" of" battery-ultracapacitor" hybrid energy storage systems［J］. IEEE transactions on industrial electronics， 2020， 67（3）： 1999-2008.

［14］""" STECCA M， TAN C Y， XU J Z， et al. Hybrid Si/SiC switch modulation with minimum SiC MOSFET conduction in grid connected voltage source converters［J］. IEEE journal of emerging and selected topics in power electronics， 2022， 10（4）： 4275-4289.

［15］""" 徐吉智， 張新燕， 常喜強(qiáng)， 等. 基于PV曲線和改進(jìn)遺傳算法儲(chǔ)能選址定容研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（1）： 263-268.

XU J Z， ZHANG X Y， CHANG X Q， et al. Research on energy storage location and capacity determination based on PV curve and improved genetic algorithm［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（1）： 263-268.

［16］""" 曹文思， 張敏， 黃慧. 基于混合算法的配電網(wǎng)中電池儲(chǔ)能的多目標(biāo)優(yōu)化配置研究［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2022， 43（5）： 541-546.

CAO W S， ZHANG M， HUANG H. Research on multi-objective optimal configuration of battery energy storage in distribution network based on hybrid algorithm［J］. Acta energiae solaris sinica， 2022， 43（5）： 541-546.

［17］""" 王子琪， 張慧媛， 許軍， 等. 基于改進(jìn)人工蜂群算法的區(qū)域電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理優(yōu)化策略［J］. 中國(guó)電力， 2022， 55（9）： 16-22， 55.

WANG Z Q， ZHANG H Y， XU J， et al. An energy management optimization strategy for regional power grid energy storage system based on improved artificial bee colony algorithm［J］. Electric power， 2022， 55（9）： 16-22， 55.

［18］""" 趙燚， 史學(xué)偉， 王莉斌， 等. 一種規(guī)模化電池儲(chǔ)能電站功率分配策略［J］. 電網(wǎng)技術(shù)， 2022， 46（12）： 5004-5012.

ZHAO Y， SHI X W， WANG L B， et al. Power allocation strategy of large-scaled battery energy storage power station［J］. Power system technology， 2022， 46（12）： 5004-5012.

［19］""" 韓曉娟， 田春光， 張浩， 等. 用于削峰填谷的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值評(píng)估方法［J］. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， 2014， 35（9）： 1634-1638.

HAN X J， TIAN C G， ZHANG H， et al. Economic evaluation method of battery energy storage system in peak load shifting［J］. Acta energiae solaris sinica， 2014， 35（9）： 1634-1638.

［20］""" 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局， 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 電力儲(chǔ)能用鋰離子電池： GB/T 36276—2018［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2018.

State Administration for Market Regulation， Standardization Administration of the People’s Republic of China. Lithium ion battery for electrical energy storage： GB/T 36276—2018［S］." Beijing：" Standards" Press" of China， 2018.

［21］""" 蘇偉， 鐘國(guó)彬， 徐凱琪， 等. 儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估方法綜述［J］. 廣東電力， 2019， 32（1）： 29-35.

SU W， ZHONG G B， XU K Q， et al. Review of evaluation method" for" economy" of" energy" storage" technology［J］. Guangdong electric power， 2019， 32（1）： 29-35.

STUDY ON OPERATION STRATEGY OF ELECTROCHEMICAL

ENERGY STORAGE STATION WITH CALCULATION AND

EFFICIENCY CONVERSION

Zhang Junkun1，2，Lei Ertao1，Han Rong3，Li Ying1，Jin Li1，Ma Kai1

（1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Guangzhou 510000， China；

2. School of Electrical Engineering， Xi’An Jiao Tong University， Xi’an 710049， China；

3. TBEA Hengyang Transformer Co.， Ltd.， Hengyang 421000， China）

Abstract：To achieve a more economical and stable operation， the power output operation strategy of the electrochemical energy storage plant is studied because of the characteristics of the fluctuation of the operation efficiency in the long time scale. Secondly， an optimized operation strategy for an electrochemical energy storage station is presented based on the proposed efficiency transformation model. The energy storage station’s economic efficiency and load-smoothing effect are studied. Finally， the proposed optimization strategy and operation indexes are verified by calculation and simulation comparison with an example of an energy storage station in Guangdong. The results show that the proposed operation strategy of electrochemical energy storage station has an excellent technical economy.

Keywords：battery storage； control theory； energy management； optimization