基于新型電力系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能規(guī)劃與協(xié)調(diào)控制策略研究

DOI:10.12433/zgkjtz.20251903

在“雙碳”目標(biāo)下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型速度加快，新型電力系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模和數(shù)量逐漸增加。得益于地理?xiàng)l件優(yōu)越，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，相關(guān)支持政策持續(xù)優(yōu)化完善，推動(dòng)能源應(yīng)用技術(shù)迭代升級(jí)，為構(gòu)建安全高效、清潔低碳的新型能源體系提供了關(guān)鍵支撐。但是光伏系統(tǒng)具有隨機(jī)性、間歇性、高功率、大容量的特征，對(duì)系統(tǒng)縮小負(fù)荷波動(dòng)、維持供需平衡要求更高，需采取新型儲(chǔ)能緩解能源并網(wǎng)沖擊。因此，在新型電力系統(tǒng)框架下，需科學(xué)規(guī)劃光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)布局，強(qiáng)化其協(xié)調(diào)控制能力，進(jìn)而促進(jìn)新能源實(shí)現(xiàn)廣域化、規(guī)模化發(fā)展。

一、基于新型電力系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能的影響因素（一）負(fù)荷需求

用戶不同時(shí)間用電負(fù)荷不同，具有時(shí)變性、多樣性特點(diǎn)，其變化規(guī)律難以匹配光伏發(fā)電特性[。例如，夜晚用戶生活用電負(fù)荷增加，光伏系統(tǒng)無法發(fā)電；白天用戶用電量少，光伏系統(tǒng)發(fā)電量卻處于高峰。這種供需不匹配，需設(shè)置恰當(dāng)容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)，通過儲(chǔ)能充放電進(jìn)行協(xié)調(diào)，用電高峰釋放電能，用電低谷存儲(chǔ)電能，緩解供需矛盾。

（二）電價(jià)波動(dòng)

新型電力系統(tǒng)中，已經(jīng)逐漸完善電力市場(chǎng)機(jī)制，使得電價(jià)波動(dòng)對(duì)光伏儲(chǔ)能規(guī)劃造成影響。例如，較低電價(jià)時(shí)，以儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)電能；反之，釋

放電能獲取收益。因此，光伏系統(tǒng)應(yīng)預(yù)測(cè)電價(jià)波動(dòng)趨勢(shì)，對(duì)儲(chǔ)能充放電方案進(jìn)行規(guī)劃協(xié)調(diào)，以提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。

二、基于新型電力系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能規(guī)劃與協(xié)調(diào)方案

（一）雙層規(guī)劃模型

1.總體模型

雙層規(guī)劃模型是指目標(biāo)函數(shù)部分運(yùn)行參數(shù)屬于相關(guān)問題最優(yōu)解，即優(yōu)化問題變量受其他優(yōu)化問題束縛，兩個(gè)函數(shù)互相影響、彼此相關(guān)。在滿足全部約束條件下，計(jì)算最小 F(xθ，θ) 數(shù)值，卻由于 xθ 參數(shù)是 L(x，θ) 問題解函數(shù)，求解難度較高。具體流程如下：第一步，初始外層參數(shù)代入內(nèi)層，以智能算法或求解器迭代求解內(nèi)層目標(biāo)函數(shù)，獲得其近似解；第二步，內(nèi)層近似解代入外層，以相似求解模式優(yōu)化外層目標(biāo)函數(shù)，代入內(nèi)層，更新參數(shù)；第三步，多次迭代求解，設(shè)置停止條件，直至滿足要求。

根據(jù)新型電力系統(tǒng)光伏儲(chǔ)能優(yōu)化配置問題，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)定價(jià)機(jī)制、光強(qiáng)與負(fù)荷，確定最佳儲(chǔ)能配置[。構(gòu)建“電網(wǎng)一光伏”雙層優(yōu)化配置模型，下層以光伏最低運(yùn)行成本構(gòu)建涵蓋回收收益、退役處置的全周期儲(chǔ)能模型；上層以電網(wǎng)最低運(yùn)行成本，結(jié)合實(shí)際負(fù)荷制定動(dòng)態(tài)價(jià)格。

2.上層模型

在新型電力系統(tǒng)環(huán)境下，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅需承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻等輔助服務(wù)功能，還應(yīng)有效降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，這就要求對(duì)相關(guān)電價(jià)機(jī)制進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化。綜合考慮成本，以最低電網(wǎng)運(yùn)行成本，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)如下：

minC=C_pur+C_carbon+C_PR+C_FM-F_FV

其中， C_pur 是電網(wǎng)購(gòu)電成本； C_PR 是儲(chǔ)能參與調(diào)峰成本； C_carbon 是碳排放成本； C_FM 是儲(chǔ)能參與調(diào)頻成本； F_FV 是儲(chǔ)能參與填谷收益。值得注意的是，要用系統(tǒng)功率平衡對(duì)其進(jìn)行約束，以確保運(yùn)行穩(wěn)定安全。

3.下層模型

上層制定填谷、削峰、調(diào)頻補(bǔ)償價(jià)格，對(duì)儲(chǔ)能充放電功率進(jìn)行優(yōu)化，以價(jià)格對(duì)儲(chǔ)能服務(wù)進(jìn)行引導(dǎo)。考慮儲(chǔ)能全周期參與服務(wù)收益、成本支出、新能源收益等，以最低光伏系統(tǒng)成本為目標(biāo)，對(duì)儲(chǔ)能配置與充放電功率優(yōu)化。自標(biāo)函數(shù)如下：

表1不同時(shí)刻動(dòng)態(tài)服務(wù)電價(jià)

minF_DG，ESS=C_total-F_FM-F_DG-F_PR-F_recyle+C_FV

其中， C_total 是儲(chǔ)能全周期成本； F_FM 是儲(chǔ)能參與調(diào)頻收益； F_DG 是新能源收益； F_PR 是儲(chǔ)能參與調(diào)峰收益； F_recyle 是儲(chǔ)能回收收益； 是儲(chǔ)能參與填谷成本。同時(shí)以功率、容量為約束，考慮儲(chǔ)能充放電存在能量損失，需保證電儲(chǔ)能狀態(tài)始終相同。

（二）協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)

在上下層模型構(gòu)建后，確定約束條件與目標(biāo)函數(shù)，制定動(dòng)態(tài)服務(wù)機(jī)制對(duì)雙層模型優(yōu)化，求解函數(shù)確定協(xié)同控制方案。具體步驟如下：第一步，結(jié)合上層不同階段負(fù)荷要求，對(duì)上層模型加以優(yōu)化，確定不同負(fù)荷段服務(wù)價(jià)格，將其反饋至下層；第二步，將動(dòng)態(tài)電價(jià)信息輸入至下層模型，對(duì)儲(chǔ)能容量、出力等優(yōu)化配置，制定計(jì)劃上傳至上層模型；第三步，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整儲(chǔ)能調(diào)峰電價(jià)機(jī)制，激勵(lì)儲(chǔ)能系統(tǒng)主動(dòng)參與調(diào)峰與填谷服務(wù)，如在調(diào)峰時(shí)段，由于電網(wǎng)整體處于用電低谷期，負(fù)荷功率需求較低，導(dǎo)致補(bǔ)償收益相應(yīng)減少，從而引導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)更積極地執(zhí)行填谷操作以平衡電網(wǎng)負(fù)荷。

（三）算例分析

例如，某地區(qū)新型電力系統(tǒng)光伏儲(chǔ)能項(xiàng)目年均光照 2000h ，配置 100kW 光伏，負(fù)荷典型日與新能源場(chǎng)站曲線如圖1所示。

圖1負(fù)荷典型日與新能源場(chǎng)站曲線以鋰電池構(gòu)建雙層配置模型，確定谷時(shí)段

為 1:00～6:00 與 23:00～24:00 ，電價(jià)0.7461元／kW?h^-1 ；峰時(shí)段為 9:00～11:00 與 19:00～22:00 ，電價(jià)1.1863元 /kW?h^-1 ；平時(shí)段為 7:00～8:00 與12:00～18:00 ，電價(jià)0.9582元 /kW?h^-1 。通過上下層迭代優(yōu)化，采集各時(shí)段6個(gè)節(jié)點(diǎn)，確定最佳填谷、削峰補(bǔ)償電價(jià)，詳見表1。

可知，負(fù)荷高峰階段上層制定補(bǔ)償最高價(jià)格，促使儲(chǔ)能滿功率放電；反之，光伏系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能充電無需額外費(fèi)用。隨負(fù)荷高低對(duì)價(jià)格進(jìn)行設(shè)定，高峰放電高于填谷補(bǔ)償價(jià)格。以此確定儲(chǔ)能充放電功率、光伏輸送功率、電網(wǎng)購(gòu)電功率，見圖2。

圖2電網(wǎng)、光伏、儲(chǔ)能功率輸出曲線

根據(jù)動(dòng)態(tài)電價(jià)，儲(chǔ)能積極削峰填谷，負(fù)荷最低時(shí)儲(chǔ)能參與力度最大，10、11、21時(shí)以滿功率儲(chǔ)能放電；19時(shí)次高峰充電，新能源站功率輸送驟減，使其從光伏電站補(bǔ)充電量，確保最高負(fù)荷階段能夠有效放電，優(yōu)化調(diào)峰效果。對(duì)比動(dòng)態(tài)電價(jià)與動(dòng)態(tài)電價(jià)儲(chǔ)能規(guī)劃收益，詳見表2。可見，在動(dòng)態(tài)電價(jià)機(jī)制下，儲(chǔ)能系統(tǒng)因運(yùn)營(yíng)成本低、收益回報(bào)高，尤其在參與調(diào)頻、填谷及調(diào)峰服務(wù)時(shí)可獲得更高收益，充分體現(xiàn)了其服務(wù)調(diào)節(jié)能力的優(yōu)勢(shì)，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲(chǔ)能主體的互利共贏。

此外，儲(chǔ)能容量不同配置，確定其最低聯(lián)合成本時(shí)，最佳儲(chǔ)能配置 450kW?h/160kW ，達(dá)到雙方利益最大化。

三、基于新型電力系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能的規(guī)劃與協(xié)調(diào)控制策略

(一)分頻協(xié)調(diào)控制

低通濾波器設(shè)計(jì)差異、截止頻率誤差，使得儲(chǔ)能電池響應(yīng)不及時(shí)，特別是電池控制器、電池動(dòng)力學(xué)與雙向直流變換器構(gòu)成的儲(chǔ)能系統(tǒng)，響應(yīng)速度緩慢。對(duì)此，可利用超級(jí)電容對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以減輕瞬態(tài)響應(yīng)振蕩。為緩解儲(chǔ)能電池運(yùn)行負(fù)荷并延長(zhǎng)其使用壽命，采用分頻協(xié)調(diào)控制策略：當(dāng)光伏電源與負(fù)載總功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可將功率信號(hào)分解為瞬態(tài)分量與平均分量。基于此分解結(jié)果，建立儲(chǔ)能系統(tǒng)所需電流與整體功率的關(guān)聯(lián)模型，進(jìn)而計(jì)算直流母線與參考電壓間的誤差值。該電壓誤差信號(hào)經(jīng)傳統(tǒng)比例控制器處理后生成參考電流，并進(jìn)一步分離出高頻分量與平均電流分量，據(jù)此測(cè)算儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)償功率需求，最終提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體利用效率。

表2不同定價(jià)機(jī)制收益

（二）復(fù)合控制措施

復(fù)合控制策略通過融合閉環(huán)控制的高精度特性與開環(huán)控制的快速響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，有效提升了系統(tǒng)整體控制精度。該方案將輸入?yún)?shù)設(shè)定為前饋目標(biāo)值，使控制誤差信號(hào)不僅作為常規(guī)輸入，還能增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力；同時(shí)，采用開環(huán)控制器可在不改變系統(tǒng)階數(shù)的前提下，降低閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。系統(tǒng)輸出量由電壓、電流補(bǔ)償傳遞函數(shù)、誤差量、開環(huán)傳遞函數(shù)、前饋補(bǔ)償傳遞函數(shù)構(gòu)成，計(jì)算系統(tǒng)誤差，以拉氏變換求解，確定雙向變換器升降壓傳遞函數(shù)。之后，以Boost設(shè)計(jì)電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，如系統(tǒng) 20kHz 開關(guān)頻率，相角裕度 75^° ，內(nèi)環(huán)穿越頻率 2kHz ，將其代入控制系統(tǒng)，求解補(bǔ)償系數(shù)0.395與753.3，以此改善低頻段系統(tǒng)控制性能，穩(wěn)定閉環(huán)電流。

四、結(jié)論

綜上所述，針對(duì)新型電力系統(tǒng)光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能影響因素探討，構(gòu)建雙層規(guī)劃模型開展協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，以算例驗(yàn)證方案有效性。并提出智能調(diào)控、優(yōu)化控制與協(xié)同控制策略，獲得以下結(jié)論：一是光伏系統(tǒng)受光照強(qiáng)度輸出功率存在波動(dòng)，需立足用戶負(fù)荷、電價(jià)等引入儲(chǔ)能，使其參與新型電力系統(tǒng)供能服務(wù)；二是在電力系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)峰運(yùn)行中，構(gòu)建動(dòng)態(tài)化的輔助服務(wù)定價(jià)機(jī)制，通過上層決策價(jià)格向下游傳導(dǎo)的價(jià)格信號(hào)，引導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)基于實(shí)時(shí)價(jià)格動(dòng)態(tài)優(yōu)化其運(yùn)行計(jì)劃與容量配置，以增加儲(chǔ)能設(shè)備參與調(diào)頻和調(diào)峰服務(wù)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)；三是光伏系統(tǒng)儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制中，可采取復(fù)合分頻協(xié)調(diào)控制方法，動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而保證新型電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

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（作者單位：華能西藏雅魯藏布江水電開發(fā)投資有限公司新能源分公司）