移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源關(guān)鍵技術(shù)研究

李建林，黃 健，許德智

（1.北京市變頻技術(shù)工程研究中心（北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院），北京 100144；2.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；3.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引言

緊急電源供給能力是一個(gè)城市應(yīng)急管理能力的標(biāo)志，是各種應(yīng)急措施的前提和保障。防災(zāi)應(yīng)急電源在確保供電可靠性方面作用突出，可以在短時(shí)間內(nèi)令因意外狀況中斷供電的重要負(fù)荷恢復(fù)運(yùn)行。但防災(zāi)應(yīng)急電源往往受成本、容量限制較多，而移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)以其配置靈活、易于現(xiàn)場(chǎng)安裝和操作、響應(yīng)迅速、可靠性高、可移動(dòng)性強(qiáng)、不受地域限制等特點(diǎn)，成為應(yīng)急電源的首選。

目前，移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)可解決季節(jié)性負(fù)荷問(wèn)題，具有抑制系統(tǒng)振蕩、保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定、配合實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)壓調(diào)頻等作用。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將會(huì)不斷擴(kuò)大，除了能夠?yàn)橐咔?、地震、冰?zāi)等自然災(zāi)害做應(yīng)急搶險(xiǎn)，還可以為手術(shù)室、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館、云服務(wù)器等重要設(shè)施提供應(yīng)急備用電源，可為覆冰線路消除融冰、線路檢修等工作提供能源，為郊區(qū)、城市商業(yè)區(qū)等地調(diào)整用電負(fù)荷峰谷，為電動(dòng)汽車(chē)充電，保障重大政治活動(dòng)電源供給等。如當(dāng)前的武漢新冠疫情，配置移動(dòng)式應(yīng)急電源可加快電力配套工程建設(shè)進(jìn)度，確?；鹕裆?雷神山醫(yī)院及時(shí)通電，并保障醫(yī)院可靠供電。

移動(dòng)儲(chǔ)能電源的缺點(diǎn)是受儲(chǔ)能系統(tǒng)容量限制，供電容量和時(shí)間有限。隨著分布式儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-4]，將配電網(wǎng)中大量、隨機(jī)的儲(chǔ)能設(shè)備通過(guò)匯聚技術(shù)接入到移動(dòng)儲(chǔ)能電源，不僅能夠增強(qiáng)移動(dòng)儲(chǔ)能電源的保障能力、拓展移動(dòng)儲(chǔ)能電源應(yīng)用場(chǎng)景，而且可以有效利用配電網(wǎng)閑置儲(chǔ)能資源。本文針對(duì)移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源設(shè)備和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述，討論“可調(diào)度”電源與移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模擬方法、分布式儲(chǔ)能資源匯聚技術(shù)、集群控制技術(shù)及其他相關(guān)研究，并對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)，最后分析移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵設(shè)備的研制。

1 移動(dòng)式儲(chǔ)能電源關(guān)鍵技術(shù)

1.1 “可調(diào)度”電源與移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行模擬方法

以疫情、地震、冰災(zāi)、礦難等突發(fā)事故應(yīng)急搶修、重大保電活動(dòng)場(chǎng)景為例，首先需研究移動(dòng)式電源系統(tǒng)的多種接入及運(yùn)行方式，根據(jù)接入方式的不同，研究能夠兼顧在線式系統(tǒng)接入和退出的并離網(wǎng)無(wú)縫切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的不間斷供電；根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的物理規(guī)律，研究適用于不同應(yīng)急場(chǎng)景下移動(dòng)式儲(chǔ)能技術(shù)約束條件，包括系統(tǒng)安全性約束、溫度場(chǎng)約束、機(jī)組技術(shù)出力約束，另外重要會(huì)議和賽事供電需要考慮電源的輸出電能質(zhì)量和過(guò)載能力，城市電網(wǎng)應(yīng)急和負(fù)荷保電則需要更多考慮電源的壞境適應(yīng)性、靈活可靠性及投運(yùn)、啟動(dòng)時(shí)間等。

然后收集重要會(huì)議、賽事、突發(fā)事故等歷史電力供需數(shù)據(jù)資料，基于ARMA 模型、線性相關(guān)系數(shù)和Copula 模型研究“可調(diào)度”電源時(shí)空相關(guān)性分析方法，搭建“可調(diào)度”電源之間的時(shí)空分布特性模型?？紤]移動(dòng)式電源設(shè)備技術(shù)與運(yùn)行特性，針對(duì)不同城市應(yīng)急管理場(chǎng)景選取合適的優(yōu)化目標(biāo)及約束條件，可采用合適的凸化或線性化技術(shù)，建立“可調(diào)度”電源與移動(dòng)式儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行模型，考慮不同運(yùn)行模擬時(shí)間周期的高效運(yùn)行模擬計(jì)算方法，可為不同城市應(yīng)急管理場(chǎng)景下的聯(lián)合運(yùn)行模擬提供支撐。

1.2 分布式儲(chǔ)能資源匯聚技術(shù)

針對(duì)目前移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源存在供電時(shí)間短、供電容量有限等問(wèn)題，需利用各種分布式儲(chǔ)能設(shè)備實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源的靈活高效，其中有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要解決，一是分布式儲(chǔ)能資源匯聚技術(shù)，二是多種儲(chǔ)能設(shè)備如何接入移動(dòng)式儲(chǔ)能電源，即直流變換器技術(shù)。直流變換器屬于電力電子設(shè)備，目前主要應(yīng)用在含有直流母線的設(shè)備中，功率較小，且未見(jiàn)與儲(chǔ)能應(yīng)急電源結(jié)合以提升應(yīng)急電源儲(chǔ)能系統(tǒng)供電容量的研究，因此以下主要討論分布式儲(chǔ)能資源匯聚技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)微電網(wǎng)控制的研究主要集中在下垂控制方面。根據(jù)下垂特性曲線可知，頻率f 與有功P 以及電壓U 與無(wú)功Q 之間均呈線性相關(guān)（如圖1 所示），分別獲取微電網(wǎng)頻率和電壓，這種控制方法在無(wú)需機(jī)組間通信協(xié)調(diào)的情況下按比例分配功率[5]，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)即插即用，具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)。

圖1 同步電機(jī)下垂特性曲線

文獻(xiàn)[6]提出了基于SOC（荷電狀態(tài)）的改進(jìn)下垂控制方法，應(yīng)用于功率等級(jí)差別小的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)各儲(chǔ)能單元的SOC 來(lái)對(duì)其出力大小進(jìn)行合理分配。

分布式儲(chǔ)能主要分為集中決策和分散決策兩類運(yùn)行方式。文獻(xiàn)[7]使用二階錐松弛技術(shù)獲得高比例光伏放射狀配電系統(tǒng)中分布式儲(chǔ)能規(guī)劃運(yùn)行的最優(yōu)解。而文獻(xiàn)[8]分析各儲(chǔ)能單元的迭代結(jié)果，經(jīng)過(guò)相鄰單元間的協(xié)調(diào)，獲得各裝置的最優(yōu)策略，在此基礎(chǔ)上提出一種完全分散式的分布式儲(chǔ)能運(yùn)行方法。

此外，匯聚技術(shù)涉及電動(dòng)汽車(chē)和能量信息化的研究。文獻(xiàn)[9]提出了電動(dòng)汽車(chē)分布式儲(chǔ)能的概念及其控制策略，將電動(dòng)汽車(chē)分成負(fù)責(zé)充電和放電的兩個(gè)群，提高了可調(diào)度性。文獻(xiàn)[10]在以單體電池為能量離散化單位的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用了能量信息化思想，并設(shè)計(jì)了可重構(gòu)電池架構(gòu)，大幅提升了系統(tǒng)效率。

分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的匯聚過(guò)程可以套用聚合理論[11]的概念，聚合理論中的疏松聚合體是指以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，在常規(guī)運(yùn)行中其結(jié)構(gòu)及組成將根據(jù)內(nèi)部資源和整體運(yùn)行環(huán)境、目標(biāo)的改變而可能改變的集合單元，體現(xiàn)聚合體的積極性。

1.3 集群控制技術(shù)

集群協(xié)調(diào)控制技術(shù)近年來(lái)得到快速發(fā)展，其在無(wú)人系統(tǒng)[12]、通信領(lǐng)域[13]及智能交通[14]等領(lǐng)域有不少應(yīng)用。集群控制作為協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域的一個(gè)重要方面，具有極強(qiáng)的自我組織能力和被控對(duì)象規(guī)模較大的特點(diǎn)[15]，尤其在復(fù)雜的廣域分散系統(tǒng)中，集群協(xié)調(diào)控制是完成控制目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制的一種行之有效的方法，符合高滲透率分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制要求。集群協(xié)調(diào)控制從簡(jiǎn)單的局部規(guī)則涌現(xiàn)出協(xié)調(diào)的全局行為，使被控對(duì)象行為趨于一致，體現(xiàn)了較強(qiáng)的適應(yīng)性、分散性、魯棒性、容錯(cuò)性和自主性。

目前，國(guó)內(nèi)外只有少部分專家學(xué)者對(duì)分布式儲(chǔ)能中的集群協(xié)調(diào)控制技術(shù)開(kāi)展研究，對(duì)其進(jìn)行了初步探討。分布式儲(chǔ)能集群控制目前主要側(cè)重于概念的提出和框架搭建，針對(duì)其匯聚應(yīng)用尚未開(kāi)展系統(tǒng)性理論研究及模型分析。文獻(xiàn)[16]提出了一種考慮SOC 的多儲(chǔ)能系統(tǒng)與可再生能源間的分布式有功功率協(xié)調(diào)控制策略。更多研究集中在大型風(fēng)電場(chǎng)的集群控制，包括風(fēng)電集群、風(fēng)儲(chǔ)集群和風(fēng)光集群的協(xié)調(diào)控制構(gòu)架和基本控制策略等方面，能夠?yàn)榉植际絻?chǔ)能集群之間以及上層變電站之間的協(xié)調(diào)控制提供一種思路和啟發(fā)。

集群協(xié)調(diào)控制的核心在于集群和協(xié)調(diào)控制。集群的首要任務(wù)是進(jìn)行動(dòng)態(tài)劃分，將相似度高的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)聚合劃分為一個(gè)子區(qū)域，各分區(qū)可獨(dú)立、并行進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，如圖2 所示。

在這個(gè)過(guò)程中，聚類理論可為研究提供分組思路，文獻(xiàn)[17]通過(guò)k-means 提取用戶的典型用電負(fù)荷曲線，并與群體行為進(jìn)行差異性比較，制定基于負(fù)荷曲線形態(tài)的用戶分類規(guī)則，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶的用電特征，采用“進(jìn)化”主元分析法對(duì)負(fù)荷形態(tài)相似的用戶進(jìn)行分類。

圖2 分布式儲(chǔ)能分區(qū)示意

MAS（多代理系統(tǒng)）是由多個(gè)智能代理形成，通過(guò)確定每個(gè)代理在系統(tǒng)中的作用及配合的準(zhǔn)則，使系統(tǒng)易于控制與管理。在調(diào)度層面統(tǒng)一調(diào)配廣域布局的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)，是一個(gè)包含資源分散、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)維數(shù)高且體量大、控制方式多樣化、涉及區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私的集群控制問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)靈活、有效的統(tǒng)一調(diào)度，因而需以MAS控制方式對(duì)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)配。目前MAS在微電網(wǎng)[18-20]、虛擬電廠[21]協(xié)調(diào)控制方面多有應(yīng)用，為開(kāi)展靈活供電的移動(dòng)式分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的匯聚應(yīng)用奠定了較好的基礎(chǔ)。

1.4 移動(dòng)式儲(chǔ)能技術(shù)展望

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)分布式儲(chǔ)能的研究主要集中在配電網(wǎng)或微電網(wǎng)，以促進(jìn)分布式間歇式電源消納、支撐電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行為背景[22-25]，或探討用戶側(cè)分布式儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性[26-27]，研究場(chǎng)景中僅包含單個(gè)或數(shù)個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究點(diǎn)涉及儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置、接入方式、與其他電源的協(xié)調(diào)控制及能量管理、運(yùn)營(yíng)模式、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等方面，為后續(xù)開(kāi)展多點(diǎn)布局分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)?；瘏R聚應(yīng)用提供了相關(guān)技術(shù)支撐。

未來(lái)移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)用范圍將會(huì)不斷擴(kuò)大，有望成為電力系統(tǒng)中極具發(fā)展前景的技術(shù)支撐，可真正實(shí)現(xiàn)“削峰填谷+保電+應(yīng)急+備用+擴(kuò)容+智能充售+移動(dòng)救援”多重應(yīng)用一體化的系統(tǒng)集成。因此有必要研究移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)不同場(chǎng)景的運(yùn)行技術(shù)，開(kāi)發(fā)并研制電池成組集成裝備，探索適合城市應(yīng)急管理的移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。

2 移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源

2.1 關(guān)鍵設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

目前廣泛應(yīng)用的移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)急電源主要基于化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是： 環(huán)境和噪聲污染低；可滿足用戶多種需求；輸出電能質(zhì)量高，可保證重要負(fù)荷連續(xù)供電；運(yùn)行和維護(hù)成本低。

常規(guī)的應(yīng)急電源車(chē)以柴油發(fā)電機(jī)為主，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源不僅消耗柴油，而且柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，噪音大，工作時(shí)對(duì)環(huán)境影響嚴(yán)重，并且供電的穩(wěn)定性不足。因此目前各種重要負(fù)荷仍依靠自備發(fā)電來(lái)維持供電。

圖3 柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源車(chē)的結(jié)構(gòu)

而采用鋰電池的移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)作為應(yīng)急電源，可以從根本解決上述問(wèn)題。截至2019 年底，我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)保有量381 萬(wàn)輛，單臺(tái)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載電池容量從20 kWh 到100 kWh 不等。文獻(xiàn)[28]研究發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)處于駕駛狀態(tài)的時(shí)間僅占全天的10%以下，同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)對(duì)系統(tǒng)需求的響應(yīng)足夠迅速，甚至不到60 s[29-30]。因此電動(dòng)汽車(chē)可以參與電動(dòng)汽車(chē)并網(wǎng)服務(wù)，成為配電網(wǎng)中一種典型的移動(dòng)式儲(chǔ)能設(shè)備。目前市場(chǎng)主流電動(dòng)車(chē)的儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如圖4 所示。

圖4 市場(chǎng)主流電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2.2 關(guān)鍵設(shè)備研制

按照實(shí)際負(fù)載運(yùn)行工況需求，設(shè)計(jì)相應(yīng)功率等級(jí)的儲(chǔ)能變流器、電池容量，并重點(diǎn)考慮車(chē)載式儲(chǔ)能系統(tǒng)面臨的通風(fēng)、散熱、運(yùn)行顛簸等特殊需求，具備交直流充電，輸出多路獨(dú)立不同電壓等級(jí)的輸出端口，需要重點(diǎn)考慮遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能運(yùn)維等多方面因素。

基于對(duì)電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)控制基本動(dòng)態(tài)模型的分析，結(jié)合車(chē)輛限制和用戶需求，提出了參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車(chē)控制策略[31]。文獻(xiàn)[32]針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的電力系統(tǒng)頻率控制與經(jīng)濟(jì)調(diào)度，研究了電動(dòng)汽車(chē)換電站輔助調(diào)頻和含電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度方法。文獻(xiàn)[33]通過(guò)設(shè)定電池SOC滯環(huán)區(qū)間和直流微電網(wǎng)母線電壓波動(dòng)閾值范圍,在滿足用戶用車(chē)需求的前提下,最大限度發(fā)揮電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能特性,穩(wěn)定直流母線電壓。文獻(xiàn)[34-35]提出一種基于電動(dòng)汽車(chē)的超級(jí)UPS 方案，利用MAS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能，實(shí)現(xiàn)集群電動(dòng)汽車(chē)的SOC 一致性均衡控制。

3 結(jié)論

移動(dòng)式儲(chǔ)能應(yīng)急電源的研究是一個(gè)綜合性的問(wèn)題，涉及到移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)急電源設(shè)備與分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)匯聚技術(shù)，由此可以得到如下結(jié)論：

（1）采用鋰電池、飛輪的移動(dòng)式儲(chǔ)能系統(tǒng)可以克服柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急電源的污染問(wèn)題，且具備更好的靈活性、穩(wěn)定性，是移動(dòng)應(yīng)急電源的主要發(fā)展方向。

（2）儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快速，從零到滿功率啟動(dòng)時(shí)間為百毫秒級(jí)，可以快速響應(yīng)緊急負(fù)載的特殊需求。

（3）將應(yīng)急電源設(shè)備、分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)匯聚技術(shù)以及直流變換器技術(shù)有機(jī)結(jié)合，有望拓展移動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)急電源的應(yīng)用空間，增強(qiáng)應(yīng)對(duì)突發(fā)緊急事件的保障能力，也為未來(lái)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)?；瘏R聚應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和應(yīng)用依據(jù)。