摘要:以南方電網MW級電池儲能示范工程為背景，以求解采用恒功率充放電策略運行的電池儲能系統削峰填谷策略為目的，提出了電池儲能系統恒功率削峰填谷優化模型及求解該模型的實用簡化算法。該算法令電池以*大功率充放電，可以快速求解電池1d充電1次、放電多次情況下的電池儲能系統充放電策略，給出了削峰填谷實時控制策略。

關鍵詞:電池儲能系統；削峰填谷；恒功率

0.引言

電力系統削峰填谷是負荷管理的重要方面。對電網運營者來說，負荷峰值降低有利于推遲設備容量升級，提高設備利用率，節省設備更新的費用，降低供電成本,對電力用戶來說，可以利用峰谷電價差獲得經濟效益。大規模電池儲能系統(batteryenergystoragesystem，BESS)以其優勢在削峰填谷方面能夠發揮巨大作用。在國外已有許多大規模BESS在運行；在國內，南方電網開展了MW級電池儲能系統示范項目，建成了深圳寶清電池儲能站(接入深圳碧嶺變電站)。本文的研究基于南方電網MW級電池儲能項目，并應用于監控系統的*級應用控制部分。

電池儲能系統的削峰填谷功能可以分為兩步來完成。*一步是日前優化，在新的一天開始前，根據預測出的日負荷曲線，優化出24h的BESS*優充放電策略，即每個時刻電池是否充放電，充放電的功率大小為多少。*二步是實時控制，根據日前優化給出的充放電策略，以及當前時刻的負荷值、電池狀態等數據，計算出充放電功率指令并下發給每組電力電子變流器

求解電池儲能系統削峰填谷策略的算法主要包括梯度類算法、智能算法、動態規劃算法。文獻提出用序列二次規劃方法求解BESS的運行策略，使其在實時電價系統中獲得*大的利潤。梯度類算法要求模型連續。文獻中提出用智能算法來求解含儲能裝置的系統*優策略問題，包括遺傳算法、模擬退火法、粒子群算法。智能算法的缺點是無法保證收斂到全局*優解。提出用動態規劃方法求解BESS削峰填谷日前優化問題，以電池剩余電量或荷電狀態(stateofcharge，SOC)為狀態變量。采用動態規劃算法的好處包括：可以在模型中考慮電池的物理約束，如充放電功率限制，電池中與充放電過程有關的非線性內部損耗約束，電池電壓波動約束等；動態規劃算法不需要連續函數，且方便使用計算機求解。為了提高計算速度，文獻提出了多進程動態規劃算法。文獻針對微網中的儲能系統，提出了基于短期負荷預測的主動控制策略。

電池儲能系統采用恒功率的充放電策略，既方便對電池控制，又有利于削峰填谷實時控制。尤其是當負荷高峰提前到來時，若采用恒功率充放電策略，在實時控制時可以根據實際負荷值靈活地控制起始放電時間。本文針對采用恒功率充放電策略運行的電池儲能系統，提出恒功率充放電優化模型。為便于實際應用，提出求解該模型的實用簡化算法。通過對深圳碧嶺站的2組預測負荷數據進行優化，得到電池的充放電策略，驗證該實用簡化算法的實用性，并與序列二次規劃算法的求解結果進行比較。

1.電池儲能系統恒功率充放電優化模型

1.1模型假設

本文提出2點假設：

1. 忽略電池的爬坡速率約束；

2. 忽略電池組的內部損耗。

1.2優化變量

模型中的優化變量為電池每次充放電的功率p(j)以及電池每次充放電的起始時間Tstart(j)和結束時間Tstop(j)，j=1,2,…,n，其中n為1d中電池充放電次數，根據負荷曲線及電池使用狀況來確定?？紤]到充放電次數過多會影響電池使用壽命，可使電池每天充放電各1次。如負荷曲線在上午和下午有2個高峰，可令電池在1d中充放電各2次。如考慮到晚間民用負荷高峰，可讓電池充放電各3次。通過改變參數可靈活控制電池的充放電次數，利于延長電池的使用壽命。定義電池的充電功率為正，放電功率為負。

1.3目標函數

儲能系統可在套利模式和負荷轉移模式2種模式下工作。在套利模式下，目標函數f(b)是使套利*大化。根據給定的分時電價曲線，模型可給出電池充放電策略，帶來經濟效益。一般來說，負荷高峰期電價高，負荷低谷期電價低。電池在電價高時放電，在電價低時充電，起到了削峰填谷的作用。在負荷轉移模式下工作時，目標函數f(b)為*小化負荷的方差，因為在數學上，方差可反映隨機變量偏離其均值的程度。本文中采用*2種目標函數。將1d劃分成np個相等的時間段，目標函數為

minf(b)=D1(i)−D1(j)2(1)

式中：D1(i)為經過電池削峰填谷后*i個時間段上的負荷值，i=1,2,…,np。

1.3約束條件

1）負荷值約束為

D1(i)=D0(i)−[(sign(i−Tstart(j))−1)],

i=1,2,…,np(2)

式中：D0(i)(i=1,2,…,np)為已知的*i個時間段上的預測負荷數據；sign(x)為符號函數，當x≥0時sign(x)=1，當x<0時sign(x)=−1。當i在Tstart(j)和Tstop(j)(j=1,2,…,n)之間時，D1是D0與p(j)之和；當i取其他值時，D1與D0相等。

2）時序約束為

1≤Tstart(1)(3)

Tstart(j)<Tstop(j),j=1,2, n(4)

Tstop(i)<Tstart(i+1),i=1,2, n−1(5)

Tstop(n)≤np(6)

3）功率約束為

−Pmax≤p(i)≤Pmax,i=1,2, ,n(7)

式中Pmax為已知的*大充放電功率限值。

4）容量約束為

Slow<Sinitial+[(Tstop(i)−Tstart(i))p(i)]<Shigh,

k=1,2,…,n−1(8)

Sinitial+[(Tstop(i)−Tstart(i))p(i)]=Sfinal(9)

式中：Slow和Shigh分別為已知的電池電量的下限和上限；Sinitial和Sfinal分別為已知的電池電量的初值和希望的終值。

另外，還可以考慮電池物理約束等其他非線性約束。在上述模型中，目標函數、容量約束是非線性的，負荷值約束中包含的符號函數sign(x)是不連續的。因此模型求解非常困難，可以通過選取大量不同的初始點來尋找近似*優解，但這會增加計算量及計算時間。為方便實際應用，本文提出針對恒功率充放電模型的實用簡化求解算法。

2.電池儲能系統恒功率充放電模型的實用簡化求解算法

由于上述優化模型求解困難，不利于實際應用，可以根據所要優化的負荷特性，采用簡化求解算法。以深圳碧嶺站為例，1d的典型負荷曲線如下圖所示：

在上午、下午和晚上各有1個負荷高峰時段；在凌晨、中午和傍晚各有1個負荷低谷時段。為了延長電池的使用壽命，讓電池在凌晨充電1次，在上午和下午的負荷高峰時段各放電1次。由于電池總功率與負荷功率相比非常小，可以讓電池以*大功率充放電。總放電時間和總充電時間都為T=S/Pmax。

放電時段的起始時刻和終止時刻的選擇方法如下：將一條水平線從上到下以很小的步長ΔP移動，水平線會與負荷曲線上午和下午的2個高峰相交。若相交的2個時段的時間之和為T，則找到了電池的2個放電區間；若相交的2個時段的時間之和小于T，將水平線以ΔP向下移動再進行比較，直到相交的2個時段的時間之和等于T為止。

同樣，將水平線從下到上以一個很小的步長ΔP移動，求出凌晨的充電時段。目前，實用簡化算法已經應用于深圳寶清電池儲能站中。

3.電池儲能系統削峰填谷實時控制

在削峰填谷實時控制階段，需綜合考慮削峰填谷日前優化結果、實時負荷曲線、電池SOC等信息，計算出充放電起止時間和充放電功率來進行控制。

1）充放電起止時間的確定。實際負荷曲線與預測負荷曲線之間不可避免地存在誤差。研究表明，若實際負荷曲線與預測負荷曲線形狀相同，只是在垂直方向進行移動，則*優的電池充放電策略相同。若實際負荷曲線與預測負荷曲線的峰谷起止時刻相同，峰谷的高低有所變化，當儲能系統的功率遠小于負荷功率時，2者的*優充放電策略幾乎相同。因此，如果能夠保證預測負荷曲線的峰谷起止時間準確，則直接采用日前優化出的充放電起止時間作為實際的充放電起止時間。若無法保證預測負荷曲線的峰谷起止時刻的準確性，也就是說，實時負荷曲線的峰谷可能提前或推遲到來，此時采用負荷閾值來確定充放電開始時刻，當實時負荷達到閾值時開始充電或放電。充放電結束時刻采用日前優化的結果。

2）充放電功率的確定。若充放電起始時刻根據負荷閾值判斷，不同于日前優化出的起始時刻，此時的充放電功率需重新計算，用日前優化得到的充放電能量除以充放電時間，且保證滿足式(7)中的功率限制。另外，電池儲能系統除了執行削峰填谷功能外，還可能響應調峰調頻等其他功能，使電池SOC突然發生變化，在實時控制中，計算充放電功率時還需考慮電池的剩余電量。

4.測試結果

4.1序列二次規劃方法求解結果

假設電池容量S=20MW·h，*大充放電功率Pmax=5MW，Slow=0，Shig=S。零點時電池電量Sinitial=0，經1個周期后電量Sfinal=0。1d有np=288個時間段，每個時間段為5min。為便于控制，設定約束使電池在早上06:00處于充滿狀態，因此充電階段被限制在06:00以前。下面通過2組不同的預測負荷數據來驗證該算法的有效性。

首先隨機選取大量初始點，從每個初始點出發采用序列二次規劃方法(successivequadraticprogramming，SQP)來求解電池儲能系統恒功率充放電策略優化模型，再比較所有求解結果，從中選出使目標函數*優的解。序列二次規劃方法是一類求解含非線性不等式約束優化問題的很重要、很有效的方法。算法中采用變尺度方法構造海森矩陣，所以該方法又稱為約束變尺度法。這種方法不僅利用了目標函數和約束條件的1階導數信息，而且利用了目標函數的2階導數信息，收斂速度快。

在測試中，用于顯示優化結果的圖形包含2部分，上圖的虛線為原始負荷曲線，實線為經過儲能削峰填谷后的負荷曲線，下圖為儲能系統出力曲線。

針對2組不同的預測負荷曲線，采用1d充電1次、放電2次的策略，優化出的電池出力曲線如圖2和圖3所示。

針對2組不同的預測負荷曲線，采用1d充電2次、放電2次的策略，優化出的電池出力曲線如圖4和圖5所示。針對兩組不同的預測負荷曲線，采用1d充電1次、放電3次的策略，優化出的電池出力曲線如圖6和圖7所示。

由于求解時隨機選取了大量初始點，再將各初始點的優化結果進行比較，因此解的穩定性差，無法保證每次優化的計算結果都相同，且增加了計算時間。優點是可以用來求解任意次數充放電的優化模型。

4.2實用簡化算法求解結果

采用實用簡化算法，通過水平線與負荷曲線相交的位置確定出充電區間和放電區間。針對2組不同的曲線，優化出的結果為電池在1d中充電1次，放電2次，優化結果如圖8和圖9所示。簡化算法求出的結果與采用序列二次規劃法求出的結果類似。簡化算法的計算速度快，優化結果穩定，適于實際應用，但不適用于兩充兩放的情況。實用簡化算法已經應用于深圳寶清電池儲能站中。圖10為儲能站的監控系統顯示的削峰填谷優化結果。圖中：曲線1為碧嶺站預測負荷曲線；曲線2為經過削峰填谷后的負荷曲線。

5.Acrel-2000MG微電網能量管理系統概述

5.1概述

Acrel-2000MG微電網能量管理系統，是我司根據新型電力系統下微電網監控系統與微電網能量管理系統的要求，總結國內外的研究和生產的經驗，專門研制出的企業微電網能量管理系統。本系統滿足光伏系統、風力發電、儲能系統以及充電樁的接入，全天候進行數據采集分析，直接監視光伏、風能、儲能系統、充電樁運行狀態及健康狀況，是一個集監控系統、能量管理為一體的管理系統。該系統在安全穩定的基礎上以經濟優化運行為目標，促進可再生能源應用，提高電網運行穩定性、補償負荷波動；有效實現用戶側的需求管理、消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本。為企業微電網能量管理提供安全、可靠、經濟運行提供了全新的解決方案。

微電網能量管理系統應采用分層分布式結構，整個能量管理系統在物理上分為三個層：設備層、網絡通信層和站控層。站級通信網絡采用標準以太網及TCP/IP通信協議，物理媒介可以為光纖、網線、屏蔽雙絞線等。系統支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。

5.2技術標準

本方案遵循的標準有：

本技術規范書提供的設備應滿足以下規定、法規和行業標準：

GB/T26802.1-2011工業控制計算機系統通用規范*1部分：通用要求

GB/T26806.2-2011工業控制計算機系統工業控制計算機基本平臺*2部分：性能評定方法

GB/T26802.5-2011工業控制計算機系統通用規范*5部分：場地安全要求

GB/T26802.6-2011工業控制計算機系統通用規范*6部分：驗收大綱

GB/T2887-2011計算機場地通用規范

GB/T20270-2006信息安全技術網絡基礎安全技術要求

GB50174-2018電子信息系統機房設計規范

DL/T634.5101遠動設備及系統*5-101部分:傳輸規約基本遠動任務配套標準

DL/T634.5104遠動設備及系統*5-104部分:傳輸規約采用標準傳輸協議子集的IEC60870-5-網絡訪問101

GB/T33589-2017微電網接入電力系統技術規定

GB/T36274-2018微電網能量管理系統技術規范

GB/T51341-2018微電網工程設計標準

GB/T36270-2018微電網監控系統技術規范

DL/T1864-2018獨立型微電網監控系統技術規范

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC150-2018低壓微電網并網一體化裝置技術規范

T/CEC151-2018并網型交直流混合微電網運行與控制技術規范

T/CEC152-2018并網型微電網需求響應技術要求

T/CEC153-2018并網型微電網負荷管理技術導則

T/CEC182-2018微電網并網調度運行規范

T/CEC5005-2018微電網工程設計規范

NB/T10148-2019微電網*1部分：微電網規劃設計導則

NB/T10149-2019微電網*2部分：微電網運行導則

5.3適用場合

系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。

5.4型號說明

Acrel-2000

Acrel-2000系列監控系統

MG

MG—微電網能量管理系統。

5.5系統配置

5.5.1系統架構

本平臺采用分層分布式結構進行設計，即站控層、網絡層和設備層，詳細拓撲結構如下：

圖1典型微電網能量管理系統組網方式

5.6系統功能

（1）實時監測

微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。

系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。

系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。

微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。

圖2系統主界面

子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。

（2）光伏界面

圖3光伏系統界面

本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。

（3）儲能界面

圖4儲能系統界面

本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。

圖5儲能系統PCS參數設置界面

本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。

圖6儲能系統BMS參數設置界面

本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。

圖7儲能系統PCS電網側數據界面

本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。