基于對側(cè)變電站主變狀態(tài)的儲能電站滾動計劃曲線生成

何大瑞，李 妍，程 亮，馮力勇，張 云

（1.國網(wǎng)江蘇電力設(shè)計咨詢有限公司，江蘇南京 210008；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京 210024；3.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東深圳 518057）

隨著大規(guī)?？稍偕茉唇尤胝麄€電力系統(tǒng)，尤其是風(fēng)電、光伏所具有波動性、隨機性、難預(yù)測等特點，給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行與控制帶來巨大挑戰(zhàn)。儲能系統(tǒng)既可作為電源又可作為負(fù)荷，靈活的雙向互動性能使其在可再生能源發(fā)電消納中發(fā)揮重要作用[1-5]。特別是電化學(xué)儲能，因其變流器具有響應(yīng)速度快、精度高的特點，相比其他電源和負(fù)荷，具有更優(yōu)良的調(diào)節(jié)控制性能。其中電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能電站可以為電網(wǎng)運行提供調(diào)峰、調(diào)頻、備用、黑啟動、需求側(cè)響應(yīng)等多種服務(wù)，提升電網(wǎng)運行效率，緩解地區(qū)供電負(fù)荷壓力[6-9]；用戶側(cè)儲能可以滿足企業(yè)的需量控制和削峰填谷；電源側(cè)儲能可以實現(xiàn)儲能與火電機組聯(lián)合參與AGC，儲能與新能源機組聯(lián)合參與AGC，平抑新能源波動，減少棄風(fēng)棄光的行為[10-16]。

目前電化學(xué)儲能電站的主要控制模式分為調(diào)度實時控制和計劃曲線模式。實時控制指令由上級調(diào)度直接下發(fā)到儲能電站，由儲能電站進(jìn)行指令分析和執(zhí)行。計劃曲線由上級調(diào)度機構(gòu)提前下發(fā)或者本地管理人員提前錄入，儲能電站根據(jù)實際運行情況進(jìn)行分析和執(zhí)行。計劃曲線一般提前1～3 天下發(fā)，故對于儲能電站所在區(qū)域電網(wǎng)（主要是對側(cè)變電站）的運行情況考慮不足，在一些極端情況下，存在著對側(cè)變電站重載時儲能電站充電，輕載時放電等情況，既增加了區(qū)域電網(wǎng)的運行風(fēng)險，又降低了區(qū)域電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

為了提升含有儲能電站的區(qū)域電網(wǎng)安全性和經(jīng)濟性，該文在綜合考慮儲能電站功率變換器（以下簡稱PCS）、電池管理系統(tǒng)（以下簡稱BMS）和儲能電站站端一二次設(shè)備約束的模型基礎(chǔ)上，將對側(cè)變電站主變狀態(tài)引入儲能電站運行控制的約束條件，以日前區(qū)域負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)和變電站主變重過載約束為輸入?yún)?shù)，對模型進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的儲能電站充放電計劃曲線。為了解決日前預(yù)測數(shù)據(jù)的偏差對實時控制造成的影響，采用站端實時控制加滾動優(yōu)化的方式，為儲能電站的運行控制提供安全性和經(jīng)濟性保障。

1 考慮對側(cè)變電站主變狀態(tài)的儲能電站運行模型

1.1 電化學(xué)儲能電站運行目標(biāo)

電化學(xué)儲能電站優(yōu)化運行的目標(biāo)是達(dá)到全站經(jīng)濟性最高，即儲能電站每天充放電收益最大。需要考慮峰谷電價和各個時段的功率輸出。

假定電價為Ci，i代表不同時間段。不同時間段的電量為該時段功率和時間的乘積Pi×Δt，其中充電功率為負(fù)，放電功率為正。則儲能電站每天的充放電收益為：

目標(biāo)函數(shù)為max{Y}。

1.2 儲能電站運行需求和約束

假設(shè)儲能電站每臺PCS 對應(yīng)一個儲能單元，則儲能電站的運行滿足以下約束條件：

1）每臺PCS 的運行工況和最大可充放點功率約束。

式中，Pimin和Pimax由各臺PCS 運行狀態(tài)以及BMS 運行狀態(tài)決定，各PCS 將數(shù)據(jù)上送給變電站端EMS 系統(tǒng)，由EMS 系統(tǒng)進(jìn)行累加計算各PCS 數(shù)據(jù)得到。

2）每組電池堆的電量上下限約束，即儲能單元SOC 約束?？紤]到儲能單元的充電效率和放電效率不同，將儲能單元的出力分為充電功率Pic和放電功率Pid兩部分。

式中，ηc和ηd是電化學(xué)儲能電站的綜合充放電效率。默認(rèn)各組儲能單元的充放電效率是相同的。Eimin和Eimax為各組儲能單元的能量上下限的總加。E0為儲能電站初始的電量狀態(tài)，ti為第i個時間段對應(yīng)的時間長度。根據(jù)目前的主流運行方式，一般設(shè)置為15 分鐘。

3）儲能單元充放電狀態(tài)約束，儲能單元可以單獨處于充電狀態(tài)或者放電狀態(tài)，也可以處于不充不放的狀態(tài)，但是不存在既充電又放電的狀態(tài)。因此，引入充電狀態(tài)εc和放電狀態(tài)εd兩個變量，其中εc和εd只有0 和1 兩種狀態(tài)。

4）對側(cè)變電站主變狀態(tài)約束。假設(shè)對側(cè)變電站主變?nèi)肇?fù)荷曲線為Li。主變?nèi)萘繛镾。輕載系數(shù)和重載系數(shù)分別為KA和KB，其中KA和KB和S為常量。對于儲能電站的運行控制，分為兩種情況，第一種是不要求調(diào)節(jié)對側(cè)變電站主變的輕載或者重載狀態(tài)，只需要避免在對側(cè)變電站輕載或者重載時，進(jìn)行放電或者充電行為；即當(dāng)Li+Pi≤S×KA時，εdi=0；當(dāng)Li+Pi≥S×KB，εci=0。這種情況下，只是在原先計劃曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行約束修正，雖然能夠減少對側(cè)變電站重過載的情況，但是儲能系統(tǒng)不能自適應(yīng)調(diào)節(jié)充放電功率，因此全站的經(jīng)濟效益會偏低。第二種情況如果需要儲能電站參與調(diào)節(jié)對側(cè)變電站主變的輕載或者重載，則約束條件描述如下：

式中，Pi為儲能電站的日發(fā)電曲線，其中充電為負(fù)，放電為正。

以上模型均為線性模型，可以采用線性優(yōu)化工具求解，該文采用GLPK 線性優(yōu)化工具進(jìn)行求解。

1.3 GLPK建模

假設(shè)計劃曲線為一天共有n個點，則每個點對應(yīng)的時間為24/n小時。根據(jù)上述優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，可以建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)和系數(shù)矩陣。

變量包括Pic、Pid、εic和εid。變量為Xi=[Pic,Pid,εic,εid]T。約束條件如1.2 節(jié)所描述，其中式（5）的系數(shù)矩陣為n×2n矩陣。

下邊界為：

上邊界為：

式（6）的系數(shù)矩陣為n×4n矩陣。

下邊界為RBmin=0，上邊界為RBmax=-Pimin。

式（7）的系數(shù)矩陣為n×4n矩陣。

下邊界為RCmin=-Pimax，上邊界為RCmax=0。

式（8）的系數(shù)矩陣為n×2 矩陣。

下邊界為RDmin=0，上邊界為RDmax=1。

儲能電站考慮對側(cè)變電站主變狀態(tài)的第一種情況，只需要判定實時參數(shù)即可。第二種情況，按照式（9），列出系數(shù)矩陣為n×2n矩陣。

下邊界為REmin=S×KA-Li，上邊界為REmax=S×KB-Li。

目標(biāo)函數(shù)可以描述為：

將矩陣A和E擴展為n×4n階的A′和E′，不足地方補0。即可獲取整個模型系數(shù)矩陣為

下限約束為：

上限約束為：

GLPK 的最終模型描述為：

2 考慮對側(cè)變電站主變狀態(tài)的儲能電站運行控制方法

在實際運行過程中，由于日前預(yù)測數(shù)據(jù)存在偏差，如實際負(fù)荷大于預(yù)測負(fù)荷，儲能充電則可能導(dǎo)致變壓器重過載，儲能電站的狀態(tài)也存在不確定性，不一定具備按照計劃值響應(yīng)的能力。因此，基于上述模型求解的優(yōu)化曲線僅僅作為理想運行情況下的最優(yōu)運行方式，無法處理運行過程中出現(xiàn)的不確定問題。

為了解決上述問題，可以采用站端實時控制加滾動優(yōu)化的方式。即式（2）中的PCS功率上下限由額定功率改為實時獲取，并作為后續(xù)優(yōu)化計算的基準(zhǔn)；式（5）中E0為當(dāng)前實時的儲能電站能量數(shù)據(jù)，而不是每天0點的數(shù)據(jù)。優(yōu)化的時間段數(shù)為當(dāng)前時間到優(yōu)化周期截止的時間段。即1.3 節(jié)中GLPK 的系數(shù)矩陣維數(shù)隨著每次優(yōu)化而逐次遞減。在每個優(yōu)化周期內(nèi)，以優(yōu)化數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，實時跟蹤對側(cè)變壓器主變數(shù)據(jù)，在儲能基準(zhǔn)功率的基礎(chǔ)上，對日前負(fù)荷預(yù)測偏差ΔP進(jìn)行實時修正，從而保證對側(cè)變電站主變不重過載。

3 算例分析

以某8 MW/16 MW·h儲能電站為例，該電站共配置16 臺PCS，每臺PCS 容量500 kW，假設(shè)充放電SOC區(qū)間為[10,90]。對側(cè)變電站為110/10 kV，2 臺主變?nèi)萘繛?0 MVA，輕載系數(shù)為30%，重載系數(shù)為80%。選取一個典型日負(fù)載曲線如圖1 所示的原負(fù)荷曲線。電價選取東部某省工業(yè)用電峰谷電價，其中高峰時段為8:00-12:00，17:00-21:00，平價時段12:00-17:00，21:00-24:00，低谷時段0:00-8:00，對應(yīng)電價分別為1.0752 元/kW·h，0.6451 元/kW·h，0.3150 元/kW·h。充電效率為95%，放電效率也為95%。每天初始電量Emin設(shè)置為0。

下面將針對儲能電站按照固定計劃運行方式、對側(cè)主變重載時禁止充電輕載時禁止放電的運行方式、儲能電站日前優(yōu)化和儲能電站滾動優(yōu)化4 種運行方式，進(jìn)行計算分析，并比較每種方式的特點。

3.1 儲能電站按照固定計劃充放電

目前很多儲能電站按照固定時間充放電的模式運行，常見的有單日一充一放，兩充兩放等模式。選取該站兩充兩放的計劃曲線，2:00-6:00 以4 MW 充電，10:00-12:00 以8 MW 放電，12:00-14:00 以8 MW充電到上限，20:00-22:00 以8 MW 放電。固定充放電計劃的儲能電站日運行曲線如圖1 所示。

圖1 固定計劃充放電計算結(jié)果曲線

由圖1的計算結(jié)果可以看出，該模式下，當(dāng)天充放電的收益為13 247.21元，其中有24個數(shù)據(jù)點處于變壓器重載運行。因此該種方案能夠使儲能電站經(jīng)濟性最大，但是不能解決對側(cè)變電站主變重載運行的問題，而且可能隨著儲能電站的充放電，造成新的重過載問題。

3.2 儲能電站主動參與對側(cè)變電站輕重載調(diào)節(jié)

儲能電站考慮對側(cè)變電站主變狀態(tài)的第一種情況，對計劃曲線進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 只考慮主變約束的充放電結(jié)果曲線

由圖2 計算結(jié)果可以看出，只針對對側(cè)變電站主變狀態(tài)進(jìn)行原有的計劃曲線優(yōu)化，會導(dǎo)致部分充電時段不能充電，從而在用電高峰期無電可放，該方案雖然能夠一定程度上減少對側(cè)變電站主變的重過載情況，但是并不能完全解決，依然有20 個數(shù)據(jù)點重載。而且儲能的運行方式由兩充兩放實際上變?yōu)橐怀湟环?，?jīng)濟效益為11 037.78 元。因此需要根據(jù)日負(fù)荷變化情況對儲能電站的計劃曲線進(jìn)行優(yōu)化。按照式（9），優(yōu)化后的曲線如圖3 所示。

圖3 自適應(yīng)充放電結(jié)果曲線

由圖3計算結(jié)果可以看出，采用優(yōu)化算法，能夠有效減少對側(cè)變電站主變的重過載情況。同時對于經(jīng)濟效益也有一個顯著提高，充放電經(jīng)濟效益為14 947.72元。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)該方案在不影響儲能電站經(jīng)濟性的同時，能夠有效減少對側(cè)變電站主變的重過載情況。

3.3 儲能電站滾動計劃曲線調(diào)節(jié)

假設(shè)實際運行數(shù)據(jù)與預(yù)測數(shù)據(jù)存在一定偏差，作為示范，選取峰值時間點19：00 的功率與預(yù)測數(shù)據(jù)有+3%的偏差，平值時間點14：00 的功率與預(yù)測數(shù)據(jù)有-5%的偏差，谷值時間點4：00 的功率與預(yù)測數(shù)據(jù)有-10%的偏差。日前優(yōu)化采用圖3 中計算結(jié)果，日前預(yù)測后的計算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 日前優(yōu)化曲線與滾動優(yōu)化曲線對比

由圖4 可以看出，采用滾動優(yōu)化能夠有效減少對側(cè)變電站主變重過載的情況，對于負(fù)荷增加的19：00 點數(shù)據(jù)，如果按照原計劃，則必然會造成變壓器重載的情況，通過滾動優(yōu)化可以有效避免這種情況的發(fā)生。據(jù)圖可以計算得出全天充放電經(jīng)濟收益為14 950.28 元，經(jīng)濟性基本不受影響。由于預(yù)測數(shù)據(jù)存在偏差是普遍現(xiàn)象，因此采用滾動優(yōu)化能夠有效提升儲能電站的實際效果。

4 結(jié)論

該文將對側(cè)變電站的運行狀態(tài)加入儲能電站的運行約束條件，從而生成與對側(cè)變電站協(xié)調(diào)運行的儲能電站運行模型。并且結(jié)合分時電價，對其運行方式的經(jīng)濟效益進(jìn)行分析，同時采用滾動優(yōu)化的方法解決預(yù)測數(shù)據(jù)偏差帶來的不確定性。通過與目前常見的運行方式進(jìn)行對比，得出結(jié)論，儲能電站考慮對側(cè)變電站主變狀態(tài)的滾動優(yōu)化方法，能夠在不影響經(jīng)濟效益的前提下，有效減輕上級變電站重過載情況，提升區(qū)域電網(wǎng)的運行安全性和經(jīng)濟性。