李 鵬

（北京市供用電建設(shè)承發(fā)包公司，北京 100062）

基于我國電力系統(tǒng)峰谷差逐漸拉大以及電價機制不完善的現(xiàn)狀，依靠傳統(tǒng)的電力需求響應(yīng)以緩解系統(tǒng)在高峰時期的供電壓力存在一定的困難[1]。隨著智能電網(wǎng)負荷就地平衡的要求，分布式可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，因此從平衡電網(wǎng)供需角度看，解決分布式間歇性可再生能源的消納問題，是需求響應(yīng)的另一種可行模式[2]。而儲能技術(shù)因其對功率和能量的時間快速轉(zhuǎn)移能力，是目前國內(nèi)外提高間歇性能源消納能力的有效手段手段[3]。

在儲能結(jié)合間歇性能源研究中大致可歸為兩類：①平滑間歇性能源輸出；②提高間歇性能源在電力市場中的調(diào)度性研究[4-7]。其中：①主要包括一些簡單到復雜的儲能充放電算法，在這些算法中大多僅以電池荷電狀態(tài)（Stage of Charge）的上下限值作為儲能充放電的限制，少有根據(jù)當前SOC 和待充放電功率的判斷對儲能實際充放電做出自適應(yīng)調(diào)節(jié)以到達優(yōu)化儲能運行、延長電池壽命的目的；②主體思路是運用儲能在電力需求及電價低谷時段將間歇性能源發(fā)出過剩的電能存儲，在電力需求及電價高峰時段因間歇性能源發(fā)電不足而放電，實現(xiàn)自身盈利的同時，達到削峰填谷的效果，這種依據(jù)政策所設(shè)計的調(diào)度控制策略高度依賴于區(qū)域電力市場的規(guī)則。

本文將在電力市場機制下，提出并設(shè)計一種包含電池儲能的風光聯(lián)合控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)風光在電力市場機制下經(jīng)濟調(diào)度的同時，緩解系統(tǒng)在需求高峰時段的供電壓力。基于我國東部某區(qū)域電網(wǎng)的電力需求和分時電價數(shù)據(jù)對所提系統(tǒng)進行了仿真。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

與可再生能源集中式發(fā)電并網(wǎng)模式不同，采用分布式的接入模式直接接入低壓等級的電力需求側(cè)，以使功率就地平衡，基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 風/光分布式接入需求側(cè)示意圖

為使間歇性風/光發(fā)電系統(tǒng)在競爭的電力市場中通過控制達到自身盈利的同時削減系統(tǒng)在電力需求高峰時段的供應(yīng)電量，首先需要控制系統(tǒng)根據(jù)電力需求情況、不同需求時段電價信息生成一個參考功率值，并根據(jù)風光輸出預(yù)測值以及BESS 當前時刻充放電能力修正功率參考值。由圖1可知系統(tǒng)動態(tài)模型如式（1）所示。

式中，Pg為風光儲實際合成目標出力值，PW、Ppv分別為風、光實際出力值，Pb為BESS 充放電功率，放電時為Pb為正、充電時為負；Eb為儲能在當前時刻的存儲電量，η為BESS 能量轉(zhuǎn)換效率，分充電效率與放電效率。將式（1）表示成離散二階動態(tài)方程如式（2）所示。

式中，x1、x2為狀態(tài)變量，u1、u2為非控制輸入變量，v為受控輸入變量，y為輸出量。若寫成矩陣形式如式（3）所示。

式中，A、B、C、D為系數(shù)矩陣，分別如式（4）所示。

所設(shè)計控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。各模塊具體設(shè)計將依次在后文詳述。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2 參考功率信號發(fā)生模塊

借助BESS，風光系統(tǒng)可分別運行在峰谷電價模式和轉(zhuǎn)移峰荷模式下進行調(diào)度，兩者分別與電價信息和需求數(shù)據(jù)相關(guān)，且都對應(yīng)于時間。為兼顧兩種模式進行功率調(diào)度，采用模糊決策產(chǎn)生待跟蹤的功率信號y′(k)如式（5）所示。

式中，pL(k)、m(k)分別為調(diào)度間隔k內(nèi)負荷需求大小和電價大小，兩者作為參考信號發(fā)生器的輸入量。負荷需求峰、谷、平時段在一年的時間內(nèi)雖大致相似，但負荷大小以及電價信息在夏季和冬季有較大的不同，為簡化計算，采用聚類模糊對某地區(qū)一年的負荷需求數(shù)據(jù)及電價信息進行分析[8]，得到典型日負荷需求如圖3所示，及電價信息，此過程不是本文討論重點，不再詳述。

圖3 典型日負荷曲線

圖4中字母P 代表峰時電價，OP 代表谷時電價，S 代表平時電價。輸入、輸出變量模糊規(guī)則及隸屬度函數(shù)分別如表1、圖4所示。

其中定義L、M、SH、H、VH、MH代表負荷需求低、中、略高、高、非常高、極高；MS、MOP、MP、NOP、ANP、ANOP、EP、EOP是依據(jù)分時電價信息定義的早-平臺期、早-低谷期、早-高峰期、中午-低谷期、下午-高峰期、下午低谷期、晚-高峰期、晚-低谷期。

表1 模糊規(guī)則

圖4 輸入輸出隸屬函數(shù)

3 參考功率矯正模塊

在BESS 參與風電經(jīng)濟調(diào)度過程中，由于風電很強的隨機性，其無規(guī)則的頻繁充放電大小常常使得電池soc 處在或接近上下限附近，而不利于下一時刻的優(yōu)化調(diào)度。通過電池當前運行狀態(tài)的評估，來修正參考功率如圖2所示，以達到實時調(diào)整電池功率給定值，維持電池soc 在推薦值附近，提高BESS持續(xù)的充放電能力[9]。

3.1 BESS 運行評估指標

1）BESS 充放電平衡度指標B(k)：以衡量BESS充放電能力，如式（6）所示。

式中，Csoc。ref為電池soc 的推薦值，Csoc。max、Csoc。min分別為電池最大荷電值和最小荷電值，為防止Csoc。ref過高或過低導致下一次充電放電的能力降低，取Csoc。ref=(Csoc。max+Csoc。min)/2。當B(k) 越趨于1 時，表明BESS 放電能力越強，而充電能力越弱；當B(k)越趨于-1 時，表明BESS 放電能力越弱，而充電能力越強；當B(k) 趨于0 時，表明BESS 充放電能力平衡。

2）BESS 出力強度指標T(k)：以衡量BESS 每次充放電功率大小，如式（7）所示。

式中，PBESS。ref（k）表示k時刻BESS 功率指令參考值，PBESS.cmax、PBESS.dmax分別為BESS 最大充放電功率，wc、wd為權(quán)重因子。當T(k)越趨于1 時，表明BESS 放電功率指令趨于最大值；當T(k)越趨于-1 時，表明充電功率趨于最大值；當T(k)趨于0 時，表明參考功率指令為0。

3.2 功率矯正模塊

通過對BESS 充放電平衡指標和出力強度指標的計算，為使指標處在理想狀態(tài)，將修正參考功率信號，兩指標作為模塊的輸入與模塊輸出的修正功率關(guān)系方程如式（8）所示。

相應(yīng)模糊規(guī)則見表2。輸入與輸出隸屬函數(shù)如圖5所示。

表2 模糊規(guī)則

圖5 輸入輸出隸屬函數(shù)

其中定義NB、NM、NS、NVS、ZO、VS、PS、PM、PB代表負大、負中、負小、負略小、零、正略小、正小、正中、正大。

4 仿真分析

某地區(qū)峰時電價執(zhí)行價格為0.9875 元/kW·h，執(zhí)行時間段為14∶00—17∶00、19∶00—22∶00；平時電價執(zhí)行價格為0.61 元/kW·h，執(zhí)行時段為8∶00—14∶00、17∶00—19∶00、22∶00—24∶00；谷時電價執(zhí)行價格為0.3197 元/kW·h，執(zhí)行時段為24∶00—8∶00。選取鋰離子電池作為本文儲能系統(tǒng)，充放電效率同為90%，最大循環(huán)深度為80%[10]，配置容量為1MW/1MW·h。風電最大輸出功率為3MW，光伏最大輸出功率為1MW。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 待跟蹤功率及風光實際輸出功率

風電、光伏由于間歇性及預(yù)測誤差，導致無法較準確跟蹤指令；本文設(shè)計采用含功率矯正模塊下的風光儲聯(lián)合跟蹤指令效果明顯優(yōu)于未含矯正模塊下的風光儲跟蹤效果。由于功率矯正優(yōu)化了儲能充放電功率，因此較未含功率矯正模塊下儲能充放電要合理，兩種情況下儲能SOC 對比如圖7所示，SOC1 代表含功率矯正模塊下的儲能SOC 曲線，SOC2 代表未含功率矯正模塊下的SOC 曲線，SOC1較SOC2 更為平衡合理。

圖7 SOC 曲線對比圖

5 結(jié)論

本文將在電力市場機制下，提出并設(shè)計一種包含電池儲能的風光聯(lián)合控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含基于負荷需求及電價信息的參考功率發(fā)生器及及基于模糊理論的功率矯正器。通過仿真計算驗證了控制系統(tǒng)正確性與有效性，能夠很好的跟蹤參考功率，且在跟蹤過程中電池儲能每一次充放電功率較為合理。

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