考慮電池能耗因子與調節速率的電化學儲能電站負荷控制方法

摘 要：為解決常規的電化學儲能電站負荷控制方法因缺乏對電池能耗因子的考慮，導致負荷控制效果不佳問題，提出考慮電池能耗因子和調節速率含風電的電化學儲能電站負荷控制方法，通過對儲能站的負荷率進行計算，在此基礎上結合日負荷曲線的均方差，對用戶的負荷時間彈性進行定性分析。結合儲能電站的電池能耗因子，將負荷控制目標轉化為儲能損耗最小值求解問題，構建出目標函數，并結合調度功率的指令需求對目標函數進行約束，構建電站充放電均衡條件等式，并采用迭代法對邊際負荷最優值進行求解。

關鍵詞：電池能耗因子；調節速率；儲能電站；負荷控制

中圖分類號：

TM715;TQ150

文獻標志碼：

A文章編號：

1001-5922（2024）01-0141-04

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

LI Dongkun，FENG 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

負荷控制方法指的是通過對負荷曲線的波峰與波谷進行調節，從而使負荷曲線的波動情況趨于穩定，滿足用戶在不同時段的用電需求。對此，文獻［1］針對智能電網的負荷情況，結合用戶的用電需求，提出了一種精準控制策略。文獻［2］結合遺傳算法，通過構建恒溫控制指標，對配電網的恒溫負荷控制參數進行了優化。對此，研究以電化學儲能站的負荷曲線作為調節對象，通過構建目標函數，實現對最優負荷控制值的有效求解［3］。

1 電化學儲能電站負荷控制方法

1.1 電化學儲能電站負荷時間彈性分析

由于電化學儲能電站用戶的用電負荷具有一定的時間彈性，通過對時間彈性進行識別，可以在電化學儲能電站的用電高峰期之前對用戶供電量進行削減，為用電高峰期的負荷需求提供調節量，實現負荷控制［4］。對于電化學儲能電站來講，負荷時間的彈性識別不僅能在保證總電量的前提下對電量進行靈活調節，同時也能有效削減高峰期的負荷情況，從而維護電化學儲能電站的穩定性。假設電化學儲能電站的負荷率為α，其具體計算公式：

α=PaverPmax

（1）

式中：Paver代表電化學儲能電站的平均負荷；Pmax代表電站電路支線中的最大負荷值［5］。通過式（1）可看出，電化學儲能電站的負荷率波動為0～1。α的值越接近1，代表電化學儲能電站的平均負荷越接近該線路中的最大負荷值，說明此時電化學儲能電站設備的利用率較高，負荷曲線變化較為穩定。對此，結合電力負荷曲線的均方差指標，對電站負荷的彈性時間進行定性分析，負荷曲線的均方差（σday）計算公式：

σday=124∑24i=1σi－AVEday2

（2）

式中：AVEday代表電化學儲能電站在規定周期內，用電量為同一時刻的電量均值；σi代表24時刻的電化學儲能電站用電量均方差。負荷時間彈性分析的具體流程如圖1所示。

由圖1可知，研究設計的彈性時間分析方法主要與負荷率以及均方差的波動情況判斷相關。因此，如果電化學儲能電站的負荷率足夠高，代表此時電站設備利用率較高，不需對波峰波谷進行調節就能夠滿足用戶的用電需求。因此對于負荷時間彈性的識別首先需要判斷負荷率是否低于門限值，結合式（1），將負荷率的門限值設為0.5，當負荷率低于0.5時，說明此時電化學儲能電站的平均負荷要遠低于電路支線中的最大電力負荷，此時代表負荷曲線存在時間彈性，有必要對負荷情況進行調節，然后對電化學儲能電站日負荷曲線的均方差進行計算，均方差可以對電站日負荷曲線中的負荷數據離散程度進行表征。因此，設定電站負荷曲線的均方差門限值為0.75，當計算出本日電站負荷曲線的均方差高于0.75時，代表負荷時間具有一定的彈性，有必要對負荷情況進行調節［6］。

1.2 考慮電池能耗因子和調節速率的儲能電站運行目標函數構建

對于負荷率低于門限值且日負荷曲線均方差高于門限值的電化學儲能電站，即可認為該電站設備利用率較低，同時用戶用電習慣調節的空間較大，通過構建電站運行目標函數，并結合調度功率對目標函數進行約束，實現電站負荷的有效控制［7］。將儲能電站的運行目標設為運行經濟效益最大化，并將經濟效益最大轉化為儲能損耗程度最小，結合儲能電站的電池能耗因子，對目標函數構建［8］。儲能電站電池的放電能效與放電功率的關系如圖2所示。

由圖2可知，儲能電池的能效曲線可以通過線性參數的形式對其進行表征。引入電池能耗因子對能效曲線的波動情況進行表征，假設電化學儲能電站的儲能變流器總數為i，每臺變流器的充放電運行功率為Pi，其對應的電池能耗因子為ηi，由此可對儲能變流器的充放電功率損耗值Ploss進行計算，具體計算公式如下所示。

Ploss=1－ηiγ·ηiPi

（3）

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

ηi=β+Pi

（4）

式中：β代表電化學儲能電站電池的自特性參數。結合上述公式，所構建出的儲能電站運行目標函數表達式：

F=minPloss=min1－ηiγ·ηiPi

（5）

根據上述構建出的儲能電站運行目標函數，結合調度功率的指令需求以及每臺儲能變流器的運行工況條件，對目標函數進行約束，具體約束表達式［9］：

Ptarget=∑ni=1λ·PiPimin≤Pi≤Pimax

（6）

式中：λ代表儲能電站的運行調節速率，Ptarget代表調度系統的調度調節功率目標：Pimax和Pimin分別代表每臺儲能變流器在運行工況中的充放電功率的上限與下限［10］。

1.3 電化學儲能電站定邊際負荷控制

針對上述構建出的電化學儲能電站的運行目標函數，以圖3所示的電化學儲能電站負荷曲線為例，在不考慮電站容量約束的前提下，通過結合電站充放電量均衡條件，對定邊際負荷進行控制［11］。

由圖3可知，當電站負荷值低于定邊際負荷值時，可以使電化學儲能電站處于充電狀態，從而對負荷波谷區域進行調節。而當電站負荷值高于定邊際負荷值時，可以使電化學儲能電站處于放電狀態，從而對負荷曲線的波峰區域進行調節［12-13］。結合充放電均衡條件，本文構建出的負荷調節表達式如下所示。

F∑∫|PL|+Srem=K∑∫PH

（7）

式中：PL和PH分別代表電化學儲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。采用迭代法對邊際負荷值進行求解，具體計算公式：

W=K∑∫|PL－PH|+SremP1

（8）

式中：P1代表電化學儲能電站的日平均負荷；W代表負荷均衡參數。當W的值低于充放電均衡系數時，代表次數算法迭代完成，此時的值即為電化學儲能電站的定邊際負荷控制最優值。

2 實驗結果與分析

為了證明提出的電化學儲能電站負荷控制方法在實際控制效果方面優于常規的電化學儲能電站負荷控制方法，在理論部分的設計完成后，構建實驗環節，對提出的方法進行實際負荷控制效果檢驗。

2.1 實驗說明

為驗證提出的電化學儲能電站負荷控制方法在實際負荷控制效果方面的有效性，實驗選取了兩種常規的電化學儲能電站負荷控制方法作為對比對象，分別為基于遺傳算法的電化學儲能電站負荷控制方法，以及基于模型優化的電化學儲能電站負荷控制方法。通過構建實驗平臺，采用3種負荷控制方法對同一個儲能電站模型進行控制，對比不同控制方法的實際控制效果。

2.2 實驗準備

實驗以額定功率為5 MW，額定電池容量為15 MW/h的含風電的電化學儲能電站作為實驗對象，通過對該電站的運行參數進行調取，結合MATLAB軟件構建出儲能電站仿真模型，并采用3種控制方法對該電站模型的負荷情況進行控制調整。儲能電站結構示意圖如圖4所示。

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

為對比不同方法的實際負荷控制效果，實驗選取了某一日的儲能電站負荷曲線進行了模擬。

以儲能電站的原始負荷曲線作為調節對象，采用3種控制方法對負荷曲線中的波峰和波谷的變化情況進行合理調控。

所模擬出的儲能變流器運行工況如表1所示。

2.3 負荷控制性能對比

對比實驗選取的對比指標為控制方法的實際控制性能，具體衡量指標為不同運行時間內，負荷曲線波峰、波谷調節量的大小，該值越高，代表算法的調節性能越好，具體實驗結果如圖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節速率含風電的電化學儲能電站負荷控制方法在控制性能方面明顯優于2種常規的負荷控制方法，其波峰與波谷的調節量均高于2種常規的負荷控制方法。

3 結語

針對常規的儲能電站負荷控制方法在控制效果方面不夠理想的問題，通過結合電池能耗因子以及調節速率，提出了一種新型的負荷控制方法，對提出的方法進行了負荷控制效果的檢驗。最終的測試結果表明，采用提出的方法對儲能電站的負荷情況進行控制時，負荷曲線的波峰與波谷負荷調節量較高，具備較為理想的負荷控制效果。在今后的研究工作中，還需針對負荷風險的評價指標進行分析，從而對控制效果進行優化。

【參考文獻】

［1］ 錢名軍，彭飛，夏冰.智能電網的精準切負荷控制策略［J］.電工技術，2023（10）：158-160.

［2］ 盧達成，包宇慶.基于遺傳算法的恒溫控制負荷控制參數優化［J］.電力學報，2021，36（4）：355-362.

［3］ 丁乙崟，邵程安，顧海英，等.基于AGC指令狀態判斷的火電機組變速率負荷控制策略研究［J］.能源工程，2023，43（1）：1-5.

［4］ 趙磊，包立軍，趙太磊，等.630 MW亞臨界機組輔機故障減負荷控制策略邏輯優化［J］.電工技術，2023（1）：183-186.

［5］ 李相俊，賈學翠，董楠，等.北京電網儲能電站調控技術研究及應用［J］.供用電，2021，38（6）：2-6.

［6］ 葛衛梁，黃磊，馮建云.微電網主站設備短期輸出負荷主動控制技術［J］.自動化應用，2022（8）：108-110.

［7］ 何生文.給水泵不可用引發機組甩負荷控制策略優化［J］.儀器儀表用戶，2022，29（8）：77-81.

［8］ 劉錚，邸立明，張世偉，等.無節氣門汽油機質調節負荷控制特性研究［J］.重慶理工大學學報（自然科學），2022，36（6）：133-140.

［9］ 桂棟，隗宇，耿琪.調距槳推進系統主動式負荷控制技術［J］.上海船舶運輸科學研究所學報，2022，45（2）：31-37.

［10］ 郭新志，劉英新，李秋燕，等.基于智能負荷控制的分布式能源系統調控策略研究［J］.智慧電力，2022，50（3）：8-14.

［11］ 胡國，顏云松，吳海，等.基于主配協同的配電網緊急負荷控制策略及終端實現［J］.電力系統自動化，2022，46（2）：180-187.

［12］ 李蒙贊.大型化學工業園電能負荷動態平衡控制技術優化設計［J］.粘接，2023，50（2）：117-120.

［13］ 邢國新.基于節能優化的空調冷水機組負荷優化建模［J］.粘接，2022，49（6）：152-155.