蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法

李留學(xué)，韓 冬，李 明

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林省吉林市供電公司 用電營銷部，吉林 吉林 132011)

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電力消費用戶不斷增加［1－2］，使得用電的峰谷差急劇變大。為有效使用電能，并滿足電力用戶需求，通常利用蓄電池儲能進行削峰填谷，用電高峰時一部分負(fù)荷由蓄電池來供應(yīng)，用電低谷時一部分電能用蓄電池來儲存［3－5］。這樣用電的峰谷差就會變得小一些，負(fù)荷曲線就會變得相對平坦，從而延遲了系統(tǒng)容量的升級，提高了設(shè)備的利用效率，有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟運行［6］。

要實現(xiàn)蓄電池的削峰填谷，首先應(yīng)對已經(jīng)預(yù)測的日負(fù)荷曲線進行優(yōu)化［7］，以便得出24 h的蓄電池儲能裝置的最優(yōu)充放電方法，也就是電池在每個時刻是否應(yīng)該充放電以及充放電的功率是多少;其次就是實時地進行控制，通過對最優(yōu)方法的分析計算，得出變流器中可控開關(guān)器件的工作狀態(tài)并發(fā)給變流器［6，8］。本文提出了蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法。

1 蓄電池儲能裝置充放電優(yōu)化模型

本模型不計電池自身能量的耗損以及電池爬坡約束的影響。

1.1 優(yōu)化對象

在使用這種方法時，需要優(yōu)化的對象是每次電池充放電功率p(i)和充放電的開始時間Tstart(i)及結(jié)束時間 Tstop(i)，i=1，2，…，n，n 是一天當(dāng)中蓄電池的充放電次數(shù)。這里規(guī)定，電池充電時功率是正值，放電時功率是負(fù)值。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是使負(fù)荷的方差最小化。方差越大，負(fù)荷曲線峰谷差越大，曲線就越不平坦;方差越小，負(fù)荷曲線峰谷差越小，曲線也就越平坦［9］。這里將一天平均分成a個時間段，目標(biāo)函數(shù)如下:

式中，D1(j)是通過削峰填谷后第i個時間段上負(fù)荷的大小，j=1，2，…，a。

1.3 約束條件

1)負(fù)荷大小的約束為

式中:D0(j)(j=1，2，…，a)是第 j個時間段中負(fù)荷的預(yù)測值;sign(x)是符號函數(shù)。

當(dāng) j在 Tstart(i)與 Tstop(i)(i=1，2，…，a)之間時，D1=D0+p(i)，當(dāng) j為其它值時，D1=D0。

2)時序約束為

3)功率約束為

式中，Pmax為允許的電池最大充放電功率。

4)蓄電池容量約束為

式中:Vlow和Vhigh分別表示蓄電池電量的最低值與最高值，Vinitial和Vfinal分別表示蓄電池電量的初始值與終值。

從上面所列出的模型可以看出，約束中有很多表達式都是非線性的，再加上sign(x)的不連續(xù)性，給求解帶來了很大的難度。

2 蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法

典型日負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 典型日負(fù)荷曲線Fig.1 Typical daily load curve

從圖1可以看出，大約在09:00－11:00、14:00－17:00和18:00－22:00這三個時間段中各有一個負(fù)荷高峰，在02:00－08:30、11:30－13:00和22:00－00:00這三個時間段中各有一個負(fù)荷低谷。根據(jù)每個負(fù)荷高峰與負(fù)荷低谷的持續(xù)時間，可以在02:00－08:30期間給電池充電一次，在09:00－11:00和14:00－17:00這兩個負(fù)荷高峰時間段讓電池放電。因為負(fù)荷的功率要比蓄電池功率大很多，所以用最大功率使電池進行充放電。放電時間和充電時間是相等的，即

確定充放電的起止時刻的原理如下:

將一條平行于時間軸的水平線從下到上以很慢的速度平移，這時水平線將與負(fù)荷曲線的02:0008:00區(qū)間的低谷相交，直到相交區(qū)間的時間為T，這樣就找到了充電時段。這個時段的起始時刻就是電池開始充電的時刻，時段的結(jié)束時刻就是電池充電的結(jié)束時刻。以同樣的方法，當(dāng)水平線從上到下平移時，就會找到電池的放電時段。

3 蓄電池儲能裝置的實時控制

為了能更好地對蓄電池儲能削峰填谷實現(xiàn)控制，需要將事先已經(jīng)優(yōu)化出的最優(yōu)充放電方法、實際的負(fù)荷曲線以及電池的荷電狀態(tài)加以綜合考慮，最終確定充放電起止時刻和充放電功率的大小，從而實現(xiàn)控制。

3.1 電池充放電起止時刻

1)如果預(yù)測的負(fù)荷曲線和實際負(fù)荷曲線二者的負(fù)荷高峰時段與低谷時段完全相同，只是高峰與低谷的高低有些不同，那么當(dāng)負(fù)荷功率遠大于蓄電池儲能裝置的功率時，最優(yōu)充放電方法與之前預(yù)測得出的最優(yōu)充放電方法相同。

2)如果預(yù)測的負(fù)荷曲線和實際負(fù)荷曲線在形狀上相同，而在垂直方向不同，則此時的最優(yōu)充放電方法與之前預(yù)測得出的相同。

3)如果實際負(fù)荷曲線的負(fù)荷高峰和負(fù)荷低谷延遲到達或提前到達，則應(yīng)用負(fù)荷閾值來決定電池的充電和放電的起始時間，當(dāng)實際負(fù)荷達到閾值時，開始充電和放電。充放電的終止時刻則與之前優(yōu)化的相同。

3.2 電池充放電的功率

如果充放電的開始時間由負(fù)荷閾值來確定，那么這時需重新計算充放電的功率，此時的充放電功率是之前預(yù)測得出的充放電總能量與充放電時間之比，而且充放電功率應(yīng)該滿足－Pmax≤p(j)≤Pmax;j=1，2，…，n。

4 實際應(yīng)用案例

深圳寶清儲能站監(jiān)控頁面如圖2所示。圖2中上部的實線是儲能站的預(yù)測負(fù)荷曲線，虛線是儲能裝置削峰填谷后的結(jié)果;下部是蓄電池的出力曲線。其中橫坐標(biāo)代表時間，縱坐標(biāo)的單位是功率。

圖2 深圳寶清儲能站監(jiān)控頁面Fig.2 Shenzhen Baoqing storage station monitoring page

由深圳寶清儲能站的削峰填谷案例可以看出，運用此簡便算法削峰填谷，有效地減小了負(fù)荷的峰谷差，有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟運行。

5 結(jié)語

提出的應(yīng)用于蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法，可根據(jù)預(yù)測出的日負(fù)荷曲線進行優(yōu)化并快速地求解出蓄電池裝置在一天中的充放電情況。實際應(yīng)案例表明，該算法用起來方便快捷，能夠適用于蓄電池儲能裝置一天充電一次、多次放電的情形，但對一天中充電與放電混合交叉的情形不適用。

［1］ 丁明，張穎媛，茆美琴，等.包含鈉硫電池儲能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟運行優(yōu)化［J］.中國電機工程學(xué)報，2011，31(4):7 －14.DING Ming，ZHANG Yingyuan，MAO Meiqin，et al.Economic operation optimization for microgrids including Na/S battery storage［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31(4):7 －14.

［2］ 唐捷，任震，高志華，等.峰谷分時電價的成本效益分析模型及其應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(6):61 －66.TANG Jie，REN Zhen，GAO Zhihua，et al.Cost－ benefit analysis model and its application of peak－valley time－of－use electricity price ［J］.Power System Technology，2007，31(6):61－66.

［3］ 李正爍，郭慶來，孫宏斌，等.計及電動汽車充電預(yù)測的實時充電優(yōu)化方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2014，38(9):61 －67.LI Zhengshuo，GUO Qinglai，SUN Hongbin，et al.Real time charging optimization strategy considering the prediction of electric vehicles charging ［J］.Automation of Electric Power Systems，2014，38(9):61 －67.

［4］ 汪衛(wèi)華，張慧敏，陳方.用削峰填谷方法提高供電企業(yè)效益的分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(18):79 －81.WANG Weihua，ZHANG Huimin，CHEN Fang.Analysis of improving profit of power supply enterprises by peak load shifting［J］.Power System Technology，2004，28(18):79 －81.

［5］ 張文亮，丘明，來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(7):1 －9.ZHANG Wenliang，QIU Ming，LAI Xiaokang.Application of energy storage technologies in power grids［J］.Power System Technology，2008，32(7):1 －9.

［6］ 陳滿，陸志剛，劉怡，等.電池儲能系統(tǒng)恒功率削峰填谷優(yōu)化策略研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(9):1 －5.CHEN Man，LU Zhigang，LIU Yi，et al.Research on optimal peak load shifting strategy of battery energy storage system operated in constant power mode［J］.Power System Technology，2012，36(9):1－5.

［7］ 李國慶，張慧杰，王鶴，等.計及儲能裝置削峰填谷的微網(wǎng)優(yōu)化運行［J］.電測與儀表，2013，50(10):73 －78.LI Guoqing，ZHANG Huijie，WANG He，et al.Optimal operation of microgrid considering energy storage device to peak load shifting［J］.Electrical Measurement and Instrumentation，2013，50(10):73－78.

［8］ 鮑冠南，陸超，袁志昌，等.基于動態(tài)規(guī)劃的電池儲能系統(tǒng)削峰填谷實時優(yōu)化［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36(12):11 －15.BAO Guannan，LU Chao，YUAN Zhichang，et al.Load shift real time optimization strategy of battery energy storage system based on dynamic programming［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36(12):11 －15.

［9］ 易文，劉志祥.大工業(yè)用戶運用峰谷電價差參與電網(wǎng)削峰填谷的實踐［J］.電力需求側(cè)管理，2004，5(6):25 －28.YI Wen，LIU Zhixiang.The role of TOU for large industry consumers participating power grid peak shaving and valley filling［J］.Power DSM，2004，5(6):25 －28.