基于電池能效曲線的電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站功率優(yōu)化控制策略

基于電池能效曲線的電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站功率優(yōu)化控制策略

0電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行特性隨著可支配能源發(fā)電能力在整個(gè)能源系統(tǒng)中的比重不斷提高，特別是水電和路燈的剛性、隨機(jī)性和預(yù)測(cè)性，給能源系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和控制帶來了重大挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能系統(tǒng)既可作為電源又可作為負(fù)荷，靈活的雙向互動(dòng)性能將使其在可再生能源發(fā)電消納中發(fā)揮重要作用近年來，我國電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能發(fā)展迅速，其中江蘇、河南、湖南、浙江等地陸續(xù)投資建設(shè)了一批電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站，這些電站可以為電網(wǎng)運(yùn)行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動(dòng)、需求側(cè)響應(yīng)等多種服務(wù)，提升電網(wǎng)運(yùn)行效率，緩解地區(qū)供電負(fù)荷壓力目前電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站主要受調(diào)度機(jī)構(gòu)控制，運(yùn)行過程中，儲(chǔ)能電站與調(diào)度系統(tǒng)通過最大可充放電進(jìn)行功率約束，調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）目標(biāo)值給儲(chǔ)能電站站端能量管理系統(tǒng)（EMS），由其進(jìn)行全站功率分配和下發(fā)。站端EMS在統(tǒng)計(jì)全站最大可充放電功率時(shí)，需要考慮各電池組和變流器的故障和告警信息，但是目前不考慮電池組的能效特性。由于電化學(xué)儲(chǔ)能電站電池?cái)?shù)量多，電池必然存在一致性偏差，導(dǎo)致在長期統(tǒng)一充放電過程中，各部分電池荷電狀態(tài)（SOC）和能效發(fā)生較大偏差，部分運(yùn)行工況下會(huì)出現(xiàn)全站損耗較大、效率較低的情況，既降低了電化學(xué)儲(chǔ)能電站的經(jīng)濟(jì)效益，也降低了電池壽命和可運(yùn)行時(shí)間。為了提升電化學(xué)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性，本文針對(duì)目前采用的磷酸鐵鋰電池的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，建立儲(chǔ)能電站優(yōu)化運(yùn)行控制模型并求解，模型以全站輸出功率以及綜合能效為目標(biāo)，以儲(chǔ)能電池、電池管理系統(tǒng)（BMS）、儲(chǔ)能變流器（PCS）、站端設(shè)備及大電網(wǎng)運(yùn)行工況為約束。1考慮到電池效率的動(dòng)態(tài)能量管理系統(tǒng)1.1主流電化學(xué)介質(zhì)介質(zhì)磷鐵鋰系統(tǒng)能效特性電化學(xué)儲(chǔ)能的能效特性相比其他儲(chǔ)能有所不同，不同材質(zhì)的電化學(xué)儲(chǔ)能能效特性也不同。本文以目前電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站采用的主流電化學(xué)儲(chǔ)能介質(zhì)磷酸鐵鋰為例。放電環(huán)節(jié)中，磷酸鐵鋰電池在合理放電深度范圍內(nèi)電壓基本不變，效率隨著充放電電流增大會(huì)有不同程度地下降。根據(jù)文獻(xiàn)1.2電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行目標(biāo)函數(shù)電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站優(yōu)化運(yùn)行的目標(biāo)為全站能效最大，經(jīng)濟(jì)性最高，這是優(yōu)化目標(biāo)，可以等效為站端儲(chǔ)能充放電損耗最小，即P假定儲(chǔ)能電站有i臺(tái)PCS，每臺(tái)PCS的充放電功率為P綜上所述，構(gòu)造電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù)F。將1.1節(jié)中磷酸鐵鋰電池的能效曲線近似線性化，構(gòu)造能效與充放電功率的關(guān)系為式中：α，β為磷酸鐵鋰電池的自特性，與儲(chǔ)能電站運(yùn)行方式無關(guān)，可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，其中能效范圍η1.3約束限制問題(1）滿足調(diào)度功率指令需求，包括調(diào)度系統(tǒng)下發(fā)的實(shí)時(shí)AGC指令或計(jì)劃曲線，這是主要優(yōu)化目標(biāo)。功率目標(biāo)為(2）滿足每臺(tái)PCS的運(yùn)行工況和最大可充放電功率約束。式中：P由于P上述模型約束條件已線性化，目標(biāo)函數(shù)為功率變量定義域上的凸函數(shù)，變量為連續(xù)型變量，對(duì)于非線性最優(yōu)化問題，可以采用凸規(guī)劃進(jìn)行求解。對(duì)于正常運(yùn)行工況下，儲(chǔ)能單元沒有限制功率運(yùn)行，可以采用Jensen不等式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。若f(x）是區(qū)間（a,b）上的凸函數(shù)，則對(duì)任意的x當(dāng)且僅當(dāng)x由式（8）和（9）可以推導(dǎo)出此時(shí)，P對(duì)于功率限制的工況，比如部分PCS告警或者BMS告警，平均分配越過了功率允許值，則需要采用凸規(guī)劃進(jìn)行求解。下文將基于算例仿真計(jì)算，對(duì)比多種運(yùn)行場(chǎng)景下，常數(shù)能效和動(dòng)態(tài)能效對(duì)儲(chǔ)能電站功率控制的影響。2計(jì)算以某5MW/10MW·h（即額定功率P下面將對(duì)不同運(yùn)行工況及不同功率目標(biāo)值情況下，本文及上述2種方式的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。2.1最大可充放電功率一致工況正常工況下，如果每臺(tái)PCS的運(yùn)行狀態(tài)均一樣，不管采用哪種分配方法，功率控制結(jié)果均一致。在電池堆SOC不一致，并且最大可充放電功率一致的情況下，對(duì)每種策略進(jìn)行求解分析，結(jié)果見表1。根據(jù)上述工況，分別對(duì)0.2P由仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，在電池堆SOC有偏差的情況下，基于SOC的比例分配方法能效偏低，但是策略可持續(xù)時(shí)間相比其他2種方法會(huì)增加很多。在接近額定功率充放電的情況下，各種算法形成的策略性能偏差較小。任何工況下，本文所提的方法均是能效最優(yōu)的算法。2.2最大可充放電功率分配在電池堆SOC不一致且功率限制的情況下，對(duì)每種策略進(jìn)行求解分析，結(jié)果見表3。對(duì)于限制功率輸出的情況，電化學(xué)儲(chǔ)能電站上送調(diào)度系統(tǒng)的最大可充放電功率會(huì)作相應(yīng)調(diào)整。對(duì)于表3中的工況，最大可放電功率為0.8P由表2仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，在有PCS功率限制的情況下，采用SOC比例分配方法在能效方面比最大功率比例分配方法更好，持續(xù)時(shí)間最長。本文方法在能效方面最優(yōu)，但是持續(xù)時(shí)間最短。因此目前儲(chǔ)能電站的實(shí)時(shí)控制算法各有特點(diǎn)，沒有哪一種方法在各方面均是最優(yōu)。這就需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)行分析考慮。3電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站主要工作場(chǎng)景分析對(duì)于電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站，響應(yīng)調(diào)度指令作為主要目標(biāo)，在滿足該目標(biāo)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，還有不同的次要目標(biāo)，對(duì)目前電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站主要工作的幾類場(chǎng)景進(jìn)行分析。3.1功率穩(wěn)定性約束對(duì)于調(diào)峰場(chǎng)景的應(yīng)用需求，主要需要功率穩(wěn)定輸出和放電時(shí)間滿足要求，因此，在功率滿足調(diào)度需求時(shí)，應(yīng)盡可能使功率穩(wěn)定時(shí)間最長。根據(jù)本文分析，宜采用SOC比例分配的運(yùn)行控制方式。3.2滿足性能要求儲(chǔ)能電站參與調(diào)頻，需要頻繁進(jìn)行淺充淺放操作，對(duì)于功率的持續(xù)時(shí)間要求不高，但是要求最大可充放電功率較大，從而提升調(diào)頻的性能指標(biāo)。在功率滿足調(diào)頻需求的情況下，次要優(yōu)化目標(biāo)是使全站的SOC維持在中間區(qū)域。根據(jù)本文分析，宜采用SOC比例分配的運(yùn)行控制方式。3.3源網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷緊急響應(yīng)源網(wǎng)荷緊急響應(yīng)需求，要求每臺(tái)PCS按照最大功率進(jìn)行放電，這時(shí)不需要EMS進(jìn)行控制，因此這里不予分析。3.4能力輸出能力分析源網(wǎng)荷緊急響應(yīng)后轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，需要按照儲(chǔ)能電站本身能力進(jìn)行功率輸出，這時(shí)需要EMS執(zhí)行最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略。此時(shí)需要考慮電站經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，從而最大化電站運(yùn)行效益。根據(jù)本文算法對(duì)比，宜采用最優(yōu)能效的運(yùn)行控制方式。4運(yùn)行控制方案設(shè)計(jì)依據(jù)場(chǎng)景化對(duì)于電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行控制，本文重點(diǎn)分析了基于磷酸鐵鋰電池能效特性的電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的最優(yōu)充放電策略，并且對(duì)比現(xiàn)有的充放電策略，針對(duì)不同的工