電池儲能系統參與電網削峰填谷控制策略

周喜超，孟凡強，李 娜，叢 琳，孟高軍

（1.西安理工大學電氣工程學院，陜西 西安 710048；2.國網綜合能源服務集團有限公司，北京 100050；3.江蘇省配電網智能技術與裝備協同創新中心，江蘇 南京 211196）

21世紀以來，社會經濟繁榮發展，導致電力需求逐年增加。隨著電網結構的不斷變化，電網內負荷峰谷差現象日趨嚴重[1]。此外，由于化石燃料可用量逐年減少，我國正在大力發展新能源發電。然而，可再生能源發電輸出功率的波動性、隨機性對電力系統的穩定運行造成一定影響。為提高電網穩定性，保持電力系統內供用電功率平衡，在電網運行時有必要采取相應的調峰措施[2]。

傳統的調峰方法包括火力發電調峰[3]、燃氣輪機調峰[4]、水力發電調峰[5]。此類調峰方式均通過跟蹤電網負荷波動來調整網內發電機組的輸出功率，從而完成調峰過程，因此要求發電機組具備較高的調峰容量。此外，調峰時發電機組的頻繁啟停也造成了燃料資源的浪費[6]。目前，常采用電池儲能技術從負荷側對電網負荷峰谷差進行調節[7]。大規模電池儲能系統以其獨特的優勢在削峰填谷方面發揮了巨大作用，合理利用儲能系統可有效解決峰谷差日益增大的問題，實現削峰填谷并有效降低負荷曲線的大幅波動，還可提高設備利用率[8-10]。

近年來，眾多學者對電池儲能系統（battery energy storage system，BESS）參與電網削峰填谷開展了廣泛研究。文獻[11]針對電網負荷曲線特性，提出了一種控制方式簡單的恒功率充放電策略，并通過實用簡化算法求解適合電網削峰填谷的優化模型，從而改善了恒功率控制策略治理精度低的問題；文獻[12-13]采用二次規劃算法解決電網負荷峰谷差問題，仿真結果表明該方法可有效提高儲能系統削峰填谷的控制精度，但與恒功率充放電策略相比，二次規劃算法計算量大，控制方式較為復雜，且會造成儲能系統工作模式的頻繁切換，不太適合實際工程應用；文獻[14-15]采用改進魚群算法、模擬退火等智能算法求解含儲能裝置的電力系統削峰填谷最優策略問題。

但是，上述智能算法均未考慮儲能裝置荷電狀態（SOC）的約束，導致最優控制策略不精確。文獻[16]針對每日不同運行階段優化儲能系統，根據前一階段的儲能能力制定下一階段的削峰填谷策略，并在實時調度階段根據儲能運行約束進行計劃跟蹤。但文章未考慮到不同應用場景對儲能的功率、容量和充放電次數要求有所不同，從而影響削峰填谷的效果。文獻[17]在考慮儲能系統實時功率及充放電深度的基礎上，通過設定儲能系統充放電次數的上限值對電網進行削峰填谷，但當電網內負荷值變化較大時，儲能系統在短時間進行多次充放電操作后易達到設定的上限值，直接導致負荷峰谷差問題無法解決。

綜上所述，現有文獻所提及的控制策略很難在考慮多種約束條件下實現利用電池儲能對電網的削峰填谷。對此，雖然國內外已有學者對電化學儲能在調峰領域開展了研究，但對于恒功率、功率差等常用的控制策略在不同負荷場景下的應用缺乏對比，使得削峰填谷控制策略選擇缺乏理論依據。本文結合已有相關研究和對儲能系統特性的分析，首先在考慮電網負荷、電池功率、電池容量等約束條件下，建立以削峰填谷效果為目標的儲能系統電氣模型；隨后在現有典型控制策略基礎上，提出電池儲能參與電網削峰填谷的恒功率充放電控制策略和功率差控制策略求解模型；最后以某地實際日負荷數據為例，通過仿真對2種控制策略的優劣性進行比較，以期為后續儲能工程應用提供參考。

1 BESS電氣模型

利用儲能系統對電網進行削峰填谷，即在電網負荷高峰時儲能系統放電，低谷時儲能系統充電，以保證負荷運行平穩，減少發電機組的啟停次數，同時降低系統裝機容量的投資建設成本，以改善電網內變壓器和輸電線路的功率損耗，達到節能降耗的目的。

1.1 目標函數

網內負荷的方差值可用于評價電網削峰填谷的效果。電網負荷的方差值越小，表明電網負荷越平穩，此時電網峰谷之間的差距就越小，利用儲能削峰填谷的效果就越好。所以，本文在含電池儲能裝置的電網中，基于電網負荷方差最小建立削峰填谷效果目標函數

式中，D1(i)為經過電池儲能系統削峰填谷后第i個時間段的負荷值，i=1,2,···,np，其中將一天化為np個相等時間段。

1.2 約束條件

負荷值約束為

式中：D0(i)為第i個時間段的預測負荷數據，為已知值；Tstart、P(j)分別為電池儲能裝置充放電起始時間和充放電功率。

時序約束為：

式中Tstart、Tstop為每次充放電的起始時間和結束時間。

功率約束為式中：P1為電池儲能系統放電功率下限值；P2為電池儲能系統充電功率上限值；Pmax、Pmin為負荷峰、谷值。

容量約束為：

式中Einitial、Efinal分別為在不影響電池壽命下電池儲能系統電量的初值和希望的終值。

此外，還可以考慮其他非線性約束，例如電池物理約束。在上述數學模型中，削峰填谷目標函數、容量約束為非線性，且式(2)中包含的符號函數sign(x)不連續。因此，本文采用恒功率法和功率差法對模型進行求解。

2 BESS削峰填谷的典型控制策略模型

2.1 恒功率充放電控制策略

恒功率充放電控制策略指無論外部電網負荷如何變化，電池儲能系統在任意時刻均根據歷史負荷曲線制定充放電規則，以恒定功率進行能量充放。圖1為電池儲能系統采用恒功率充放電控制策略進行削峰填谷示意。該策略的一般步驟如下。

1）設定儲能系統容量E和恒定充放電功率P。由于是恒功率充放電，單位時間內儲能系統充放電能量相同，由此計算出總的充放電時間為

2）首先，根據電網各時間段歷史負荷數據預測下一日電網負荷曲線，找出該負荷曲線中24 h內的負荷低谷值，并在最低處作水平線L。然后，從負荷低谷值處出發，設定很小的步長ΔM向上移動，此時水平線L會與預測的電網負荷曲線交于兩點，實時測量兩點之間的距離。最后，將測出的兩點距離與充電時間T相比：若相等，則說明該區域為電池儲能系統較為合理的充電區域；若不等，則將L繼續以步長ΔM向上移動，直至兩者距離相等，確定儲能電池最終的充電時間段。

3）尋找儲能電池合理放電時間段與步驟2）類似。需注意，若電網負荷曲線存在多個負荷高峰期或低谷期，水平線會與負荷曲線相交于多個點形成多個充放電時間段，此時只需要判斷這幾個時間段之和是否等于充放電時間T。

圖1 基于恒功率充放電控制策略進行削峰填谷示意Fig.1 Schematic diagram of peak cutting and valley filling based on constant power control strategy

恒功率充放電控制策略流程如圖2所示。

圖2 恒功率充放電控制策略流程Fig.2 Flow chart of the constant power control strategy

該方法易于計算，貼近實際工程應用，目前已應用于深圳寶清電池儲能站。但是，該方法的缺陷也十分明顯，即誤差較大，尤其在實時控制階段進行削峰填谷時。若實際負荷曲線與策略中所用的預測負荷曲線出入較大，則采用基于恒功率充放電控制策略制定的儲能系統充放電規則無法及時做出調整，會減弱儲能參與電網削峰填谷的效果，甚至使儲能系統在負荷高峰時充電，加劇電網峰谷差。

2.2 功率差控制策略

BESS在進行削峰填谷時，自身帶有多種約束條件，而恒功率充放電控制策略并未考慮這些條件。本節對恒功率充放電控制策略進行改進，提出了功率差控制策略，主要增加了電池儲能容量、功率以及電池荷電狀態等約束條件。另外，從延長使用壽命角度考慮，要求儲能系統在24 h內以規定的充放電次數工作。

功率差控制策略中，按照恒功率充放電控制策略中的負荷曲線，求出單日負荷平均功率Pav，得出P1、P2，再與根據歷史數據預測的負荷曲線進行對比，計算出24 h內各時間段內的儲能系統充放電功率，如式(11)、式(12)所示。

式中：Pd、Pc分別為負荷高峰、負荷低谷時間段內的負荷；P1為電池儲能系統放電功率下限值；P2為電池儲能系統充電功率上限值；Pmax、Pmin為負荷峰、谷值；Pav為單日負荷平均功率；Δt代表單位時間。

功率差控制策略的具體步驟如下。

1）在預測負荷曲線的基礎上，計算得到日負荷平均功率Pav。

2）以Pav為初值、ΔP為步長進行迭代，該過程須滿足以下條件：

式中：Ec、Ed分別為儲能電池總的充、放電能量；ε為無限接近0的常數，代表儲能裝置充放電平衡。當上述任一約束條件無法滿足時，須重新返回初值Pav，繼續以ΔP為步長進行迭代，直至滿足所有條約束條件，完成功率差控制策略迭代過程。

3）通過步驟2）得到儲能系統充放電功率上、下限值，并依據實際負荷數據判斷儲能充放電功率值。功率差控制策略示意如圖3所示。

圖3 功率差控制策略示意Fig.3 Schematic diagram of the power difference control strategy

從圖3可以看出：當實際負荷大于P1時，儲能系統放電；當實際負荷在P1和P2之間時，儲能系統不動作；當實際負荷小于P2時，儲能系統充電。具體流程如圖4所示。

圖4 功率差控制策略流程Fig.4 Flow chart of the power difference control strategy

與恒功率充放電控制策略相比，功率差控制策略的優勢在于能夠在考慮儲能容量、荷電狀態等約束條件下實現實時控制。特別是當實際負荷曲線與預測負荷曲線有較大偏差時，可根據實際負荷在線靈活調整儲能電池出力大小，避免出現控制失策的局面，提高儲能電池參與電網削峰填谷的效果。

3 仿真實例

3.1 電池儲能裝置充放電、剩余容量曲線分析

搭建電池儲能裝置充放電測試平臺。選取電壓范圍為3.5~5.2 V的鋰電池，電池容量4 200 mA·h，設置放電倍率范圍為0.2C~2.4C，測試結果如圖5所示。由圖5可以看出，電池電壓與放電容量的關系曲線即為剩余容量δSOC曲線，其中近80%的容量集中于電壓范圍3.75~4.75 V。電池儲能充放電過程有如下特征：

圖5 儲能系統電池充放電曲線Fig.5 The charging and discharging curves of the battery

1）在初始階段（δSOC＞88%），電池電壓快速下降，放電倍率越大，電壓下降得越快；

2）電池電壓進入一個緩慢變化的階段（12%＜δSOC＜88%），即進入平臺區，此時放電倍率越小，平臺區持續的時間越長，平臺電壓越高，電壓下降越緩慢；

3）在電池電量接近放完時（δSOC＜12%），電池負載電壓開始急劇下降直至達到放電截止電壓。

因此，為驗證本文控制策略，仿真過程中始終保持電池儲能裝置的δSOC處于平臺區，即12%＜δSOC＜88%，從而保證仿真結果的有效性及準確性。

3.2 恒功率充放電控制策略仿真

參考某地儲能電池參與電網削峰填谷實例，其仿真數據見表1。

表1 某地實例仿真數據Tab.1 The simulation data of an actual project

針對2組不同的預測負荷曲線，采用1天充電1次、放電2次的策略，電池出力曲線如圖6所示，削峰填谷仿真結果如圖7所示。

圖6 儲能系統恒功率充放電過程電池出力曲線Fig.6 The power output curve of the energy storage system during charging and discharging using constant power

圖7 恒功率充放電控制策略仿真結果Fig.7 The simulation results of the constant power control strategy

由圖7a)可以看出：儲能電池參與電網削峰填谷前，電網負荷峰值與谷值差距較大；削峰填谷后，峰谷差較大問題已得到明顯改善。說明基于恒功率充放電控制策略的儲能系統能夠完成電網的削峰填谷任務。若電網第2日實際負荷曲線與預測的負荷曲線形狀相同，即負荷變化趨勢相同，僅僅是峰谷差值存在些許偏差，則依據恒功率充放電控制策略就可以完成電網削峰填谷任務。但是，由于電網負荷變動隨機性較大，無法達到預測曲線與實際曲線形狀完全相同的理想情況，當兩者曲線在峰谷開始、截止時間及變化趨勢與制定的負荷預測曲線存在偏差時，儲能參與電網削峰填谷的效果會減弱，甚至發生負荷低谷時儲能系統充電、峰值時放電的極端情況，導致儲能系統參與削峰填谷失敗的案列，如圖7b)虛線框內所示。

因此，恒功率充放電控制策略并不完全契合電網削峰填谷的實際情況，只能應用于一些控制方式簡單、精度要求相對較低的場合。

3.3 功率差控制策略仿真

采用考慮實際約束條件的功率差控制策略進行仿真，電池出力曲線如圖8、圖10所示，對應的削峰填谷仿真結果如圖9、圖11所示。

圖8 儲能系統充放電過程電池出力曲線IFig.8 The power output curve of the energy storage system during charge and discharge process (I)

圖9 功率差控制策略仿真結果IFig.9 The simulation results of the power difference control strategy (I)

圖10 儲能系統充放電過程電池出力曲線IIFig.10 The power output curve of the energy storage system during charge and discharge process (II)

圖11 功率差控制策略仿真結果IIFig.11 The simulation results of the power difference control strategy (II)

由圖10、圖11可以看出，采用功率差控制策略的儲能系統能夠很好地完成電網削峰填谷任務，同時考慮了儲能系統容量的約束，可根據電網負荷變化，準確識別負荷的高峰期與低谷期，在2個高峰時段儲能系統放電，在1個低谷時段儲能系統充電，同時保持充放電功率平衡。

此外，功率差控制策略根據功率上、下限值確定儲能電池的充放電區域，當實際負荷曲線與預測曲線發生偏差時，儲能系統仍能根據偏差變化調整出力大小，并制定有效的運行策略。經功率差控制策略優化后，電網負荷曲線平滑，與恒功率充放電控制策略相比，不存在合成出力曲線中的負荷尖峰區域。且儲能系統動作均在功率約束、能量約束的限制下進行，延長了儲能系統的使用壽命。

4 結 論

1）恒功率充放電控制策略簡單實用、計算速度快，在工程實踐中具有較高的應用價值，多適用于負荷曲線預測準確的場景，但該策略過度依賴日負荷預測曲線，若負荷曲線偏移，則會對削峰填谷效果造成一定的影響。

2）功率差控制策略不受電網負荷曲線偏差的影響，可隨曲線的變化自適應調整自身充放電方式，其削峰填谷優化后的曲線更為平滑，合成曲線不存在負荷尖峰，相較于恒功率充放電控制策略，其削峰填谷效果顯著提升，多適應于新能源基地等風光預測誤差較大的場景。

3）功率差控制策略受電池充放電功率、速率的影響較小，且單日內儲能系統的充電電量與放電電量相等，可一定程度上延長電池使用壽命，提升儲能利用效率，節約成本。