电池储能系统参与电网削峰填谷实用算法

电池储能系统参与电网削峰填谷实用算法
董慧峰; 李文启; 牛文迪; 张露江; 杨旭强
【期刊名称】《《电测与仪表》》
【年(卷),期】2019(056)018
【总页数】5页(P74-78)
【关键词】电池储能系统; 削峰填谷; 优化模型; 实用算法
【作者】董慧峰; 李文启; 牛文迪; 张露江; 杨旭强
【作者单位】国网河南综合能源服务有限公司郑州450052; 哈尔滨工业大学电气学院哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】TM732
0 引言
近年来，随着中国经济的飞速发展，电力负荷谷峰差逐年增大，电力负荷供需不平衡现象日益严重[1-4]。

电池储能系统有快速吞吐特性，利用电池储能系统在负荷
高峰时释放能量，负荷低谷时吸收能量，以实现电力负荷的削峰填谷。

进而缓解负荷高峰用电紧张，间接延缓电力系统设备升级投资，提高输电和配电设备的利用率，有利于电网的经济运行[5-6]。

目前，削峰填谷的电力调度问题，主要是优化算法研究[7-11]。

本文提出一种电池储能系统参与电网削峰填谷实用算法，该算法充分考虑电池储能系统实际约束，实
用方便的规划电池储能系统充放电时间段及充放电功率。

1 电池储能系统参与电网削峰填谷功率优化模型
削峰填谷是为保证电网负荷的相对平稳，可通过负荷标准差对削峰填谷效果进行衡量。

负荷标准差越小，负荷也就越平稳。

1.1 目标函数
电池储能系统参与电网削峰填谷优化目标函数如下：
(1)
Pb=[Pb,1,Pb,2,......Pb,t,....Pb,T]
(2)
式中 Pl,t为第t时刻的实际电网负荷；Pb为目标函数优化对象变量的向量形式，即电池储能系统优化周期内对外功率构成的向量；Pb,t为第t时刻储能系统的充放电功率，放电时：Pb,t>0；充电时：Pb,t<0；Pb,t=0则为浮充状态，不充电也不放电；T为负荷采样周期；Pa为储能系统负荷平均值。

(3)
1.2 约束条件
(1) 功率约束。

充电时：
Pch,max≤Pb,t≤0
(4)
放电时：
0≤Pb,t≤Pdis,max
(5)
式中 Pch,max为电池储能系统的最大充电功率；Pdis,max为储能系统的最大放电功率。

(2)剩余电量约束。

储能系统的容量计算公式如下：
Et=Et-1-ξPb,tdt
(6)
式中 Et为t时刻电池储能系统所储存的能量；ξ为充电系数。

引入荷电状态(state of charge，SOC)对剩余电量进行评估：
(7)
(8)
(9)
SOCmin≤SOCt≤SOCmax
(10)
式中 E为当前电池储能系统所储存能量；C为电池储能系统额定容量；SOCmin 为储能系统荷电状态的最小值；SOCmax为储能系统荷电状态的最大值；SOCt为第t时刻的荷电状态；Δt为功率采样的时间间隔。

对剩余电量SOC约束(9)和(10)进行变换处理：
(11)
SOCt=SOCt-1+kPb,t
(12)
(13)
SOC=SOC0+kB·Pb
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
式中SOC为荷电状态向量；SOC0为初始荷电状态向量(T阶)；Pb为目标函数变量的向量形式；B为系数矩阵(T阶方阵)且|B|=1；
联系公式(10)可得：
SOCmin-SOC0≤A·Pb≤SOCmax-SOC0
(19)
(20)
(21)
A=kB
(22)
2 电池储能系统参与电网削峰填谷实用算法
本文提出一种电池储能系统参与电网削峰填谷实用算法，与传统算法相比，该算法更加简单实用。

该算法确定电池储能系统充放电时间段及充放电功率的原理如下：首先导入预测负荷数据，绘制负荷曲线，统计负荷谷峰值分别为Pmin与Pmax，确定算法功率迭代步长ΔP与迭代常数k=0，如图1所示作功率线：
P1=Pmax-Pe
(23)
P2=Pmin+Pe
(24)
式中Pe为电池储能系统额定功率。

计算S1与S2：
(25)
(26)
式中Pl为连续的预测负荷；Pl,t为离散化的预测负荷；m,n为t1,t2时对应的离散负荷编号；i,j为t3,t4时对应的离散负荷编号；Δt为功率采样的时间间隔。

分别比较S1,S2与电池储能系统容量C的大小关系：
(1)若S1>C则以如下方式进行迭代：
(27)
计算S1如式(25)直至S1≤C停止迭代，确定此时对应的(t3,t4)为电池储能系统放电时间段，功率差Pb,t为电池储能系统放电功率。

Pb,t=Pl,t-P1
(28)
principle
若S2>C则以如下方式进行迭代：
Pb,t=Pl,t-P1
(29)
根据式(26)计算S2，直至S2≤C停止迭代，确定此时对应的(t1,t2)为电池储能系统充电时间段，功率差Pb,t为电池储能系统充电功率。

Pb,t=Pl,t-P1
(30)
(2)若S1≤C则如图2所示作功率线Y1=P1+Pe并以如下方程式进行迭代：
(31)
计算S1如下：
(32)
直至S1≥C停止迭代，确定此时对应的(t3,t4)为电池储能系统放电时间段，在于时间
图2 实用算法原理示意图2Fig.2 Schematic diagram 2 of practicalalgorithm principle
段内放电功率为Pb,t=Pl,t-P1；在时间段内保持恒定放电功率Pe。

充电时间段及充电功率确定方法与上同理。

(3)若出现功率线P1与预测负荷曲线多交点情况，则S1计算如图3所示，迭代过程与放电时间段及放电功率确定方法与上同理。

principle
通过上述迭代方法，确定功率上下阈值P1,P2，当实际负荷大于上阈值P1时电池储能系统放电，放电功率为式(28)功率差，功率差超出电池储能系统额定功率时，电池储能系统将以额定功率Pe恒功率放电；当实际功率负荷小于下阈值P2时电
池储能系统充电，放电功率为式(30)功率差，功率差超出电池储能系统额定功率时，电池储能系统将以功率-Pe恒功率充电，此方法对于实际负荷与预测负荷谷峰出现时间存在偏差具有实时控制性。

3 实例分析
某地区日负荷如图4所示。

图4 某地区日负荷Fig.4 Daily load in a certain area
电池储能系统参数为1 MW/6 (MW·h)，ξ=0.8。

实用算法实例仿真结果如下文所述。

图5 削峰填谷前后对比图Fig.5 Comparison before and after in peak load shifting
图6 电池储能系统充放电功率Fig.6 Charge and discharge power of battery energy storage system
图7 电池储能系统荷电状态Fig.7 State of charge of the battery energy storage system
引入负荷标准差指标f与谷峰系数α对算法削峰填谷效果进行衡量：
(33)
(34)
负荷标准差指标f越小，负荷波动越小，负荷标准差指标在全局层面上衡量了负荷波动的大小，注重整体；谷峰系数α越大，负荷波动越小，谷峰系数指标主要以负荷谷峰值为衡量依据，注重局部。

将优化前后负荷数据代入公式(33)和式(34)可得，未进行削峰填谷的负荷标准差f=2 592.4，谷峰系数α=0.413 5；削峰填谷后负荷标准差f=2 081.2，谷峰系数α=0.512 2。

由此实例分析可以得出，本文提出的实用算法进行削峰填谷，可有效减小负荷谷峰差，指标性良好，算法简便可行。

4 结束语
本文提出的电池储能系统参与电网削峰填谷的实用算法，可根据预测的负荷数据，简单快速的计算出电池储能系统充放电阈值，并根据实际负荷值与阈值间关系规划出电池储能系统充放电时间段及充放电功率，该算法削峰填谷计算简单实用，效果良好，并具有一定实时控制性。

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