用戶側峰谷套利場景下儲能電站功率分配策略與需求側響應集成

摘要：電化學儲能電站對電能的時空遷移屬性使其成為提高電網電能質量的有效調節手段，而如何提高其調峰效率與調節能力是提升儲能電站利用率的關鍵。基于能量管理系統分配算法，設計了能提高目標值分配效率、減少調節次數的高效優化分配策略，并在現場進行了工程實施。首先，介紹了典型電網側儲能電站的基本組成結構及現場配置；其次，介紹了傳統的平均分配策略邏輯，并在此基礎上提出了基于高效調節的逐臺優化分配策略；*后，通過現場工程應用，驗證了優化后的分配算法具備穩定調節、減少調節次數的能力

關鍵詞：儲能電站；能量管理系統；策略優化；工程應用

0引言

儲能系統能夠存儲并釋放電能的特性是解決風光發電等新能源功率輸出分時波動等問題的重要手段。電化學儲能具有能量密度大、安全性高、占地面積小、調峰能力強等優點。與飛輪儲能、壓縮空氣儲能等機械儲能及熔融鹽儲能等熱力儲能方式相比，電化學儲能在我國已進入廣泛建設階段，各地政府及企業都在積極布局和推動電網側電池儲能電站建設。

電化學儲能電站由能量管理系統（EnergyManagementSystem，EMS）控制，其控制策略與分配邏輯決定了儲能電站的全站響應能力、穩定控制與運行壽命。穩定且高效的能管系統控制策略能夠幫助儲能電站實現良好的暫態支撐-穩態控制特性，同時能夠延長電池組的使用壽命，提高了系統操作的運行安全性及經濟效益。眾多學者針對儲能機組控制策略優化展開了大量研究。陳麗娟等根據AGC考核指標與調峰經濟性進行約束，提出了優化的儲能充放電策略，經過算例分析得到日均效益提升3.16倍的效果。彭昊等以多電池簇健康度優化為目標，利用層次分析法對多臺機組進行權重分配，借助模擬分析實現了電廠整體壽命相較傳統分配策略40.6%的延長。茆書睿等借助EMS系統實現儲能集群電站間SOC的平均分配調節，使用基于電池狀態的雙層調度優化模型能夠在考慮電池組SOH的基礎上，實現儲能廠站間的集群SOC調節。

為實現儲能電站調節的快速響應與功率分配優化，本文依托江蘇某儲能電站工程調試經驗，提出了一種高效分配且調節友好的儲能優化控制策略。首先，介紹儲能電站物理及通信結構；其次，建立以降低儲能調節次數及優化功率調節的優化控制策略，同時考慮儲能充放電轉換調節；*后，通過在儲能電站進行實際工程應用，驗證所提分配策略的有效性。

1儲能控制系統

儲能電站控制系統主要由能量管理系統、儲能變流器（PowerConversionSystem，PCS）、電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS）構成。其中，BMS對應單個電池堆，PCS對應單臺儲能機組，EMS對應全站［8］。EMS可借助 IEC104等通信規約與下屬PCS通信，獲取PCS上傳的實時信息，并可遠程對PCS進行遙控遙調等操作。同時，EMS可以與BMS通信，實時獲取電池單元的溫度、電壓以及告警等信息。EMS可以對這些信息進行匯總計算，并在PCS或BMS發送告警信號時進行保護動作，以保證整個儲能電站的運行安全性。

1.1電池管理系統（BMS）

BMS用于監測及管理電池單體及電池組，是儲能電站中維持電池安全運行的重要一環。儲能電站中的電池單體普遍采用磷酸鐵鋰電池，當電池因短路等故障導致溫度過高時，有可能導致電池自燃、爆炸等事故。作為BMS的組成單元，電池管理單元（BatteryManagementUnit，BMU）負責監控單個電池包中每個電池單體的狀態，并將信息匯集至BMS中。BMS提供的電池組SOC及電壓電流等電池狀態是儲能電站分配策略的重要參數之一。

1.2儲能變流器（PCS）

儲能變流器能夠實現電能的雙向轉換，是儲能電站重要的組成部分。PCS能夠將電網中的交流電轉化為直流電用于電池充電，也能將直流電轉化為交流電以供電網負荷使用。根據運行方式，PCS可分為并網以及離網兩種模式。并網模式下，PCS在提供站內負荷電能的同時，也能從電網接收或供給電能；離網模式下，PCS則直接為站內負荷供電。

1.3能量管理系統（EMS）

作為控制儲能單元分配的重要組成部分，儲能EMS的功能為接收充放電指令，并按一定分配策略將機組功率目標值下發給每臺儲能單元PCS，實現電網與儲能機組間的通信。同時，EMS也會從BMS實時獲取儲能電站電池的運行狀態、告警信息、電池組狀態等數據，并將其進行處理得到當前電站的整體運行狀態，實現優化調度、功率快速調節，使用基于電池狀態的雙層調度優化模型能夠在考慮電池組SOH的基礎上，實現儲能廠站間的集群SOC調節。

為實現儲能電站調節的快速響應與功率分配優化，本文依托江蘇某儲能電站工程調試經驗，提出了一種高效分配且調節友好的儲能優化控制策略。首先，介紹儲能電站物理及通信結構；其次，建立以降低儲能調節次數及優化功率調節的優化控制策略，同時考慮儲能充放電轉換調節；*后，通過在儲能電站進行實際工程應用，驗證所提分配策略的有效性。

2儲能分配策略優化

對于電網側儲能，現有的EMS普遍采用對有功功率目標值取平均的方式進行儲能分配，將目標值均勻分配給全部可用機組，其邏輯框圖如圖1所示。

圖1未優化的平均分配算法邏輯框圖

假設共有n臺機組，其中m臺為可用機組（n≥m≥1），每臺儲能機組的額定充/放電功率為Pn，下達的輸出目標值為Pt（Pt<n×Pn），目標值為正表示放電，目標值為負表示放電。根據平均分配策略，下達有功指令后，每臺可用機組收到的運行目標值Ps為：Ps=（1）

式中：m為可調機組數；Pt為有功目標值。

采用這種分配策略的EMS將在每次收到目標值后對所有可用機組下達指令進行功率調節，與當前的機組運行狀態無關。

這種分配策略結構簡單，能夠縮短調節時間，但由于其調節機組數量多，當調節頻率較高時，單臺機組調節出現調節精度偏差或響應不及時等問題會導致全站輸出功率出現波動，甚至出現超調或調節不達標等問題。

為解決該問題，優化后的算法將調節目標值Pt與單臺機組額定功率Pn進行比較，若有功目標值Pt低于單機額定功率Pn，則由單臺機組負責調節；若Pt大于Pn，則調節單臺機組至額定功率滿發，并將剩余目標值繼續與下臺可用機組進行比較分配，直到剩余的目標值小于額定功率為止，具體邏輯圖如圖2所示。不同情況下儲能機組的分配公式為：

（2）

式中：n>m>1；mPn>Pt>（m-1）Pn。

圖2優化算法邏輯框圖

與平均分配相比，這種優化分配策略理論上需要更多的運算時間，但通過逐臺判斷能避免儲能機組與PCS的頻繁啟停，提高了分配效率、延長了運行壽命。針對需根據指令頻繁調節有功出力的儲能機組，這種分配策略能有效減少調節次數，降低機組動作頻率。

3分配策略測試結果

3.1測試儲能電站簡述

江蘇某10MW/20MW·h儲能電站共配置單套容量為3.45MW/6.736MW·h的儲能集成系統3套，3套儲能單元接至10kV儲能開關站母線，每套儲能單元均包含2臺1.725MW/3.368MW·h儲能電池及2臺PCS，每套儲能電池接入1臺PCS。3個儲能單元共計6套電池艙，每套電池艙內含10組電池簇、60組電池堆，其中，40組電池堆內每個堆包括64個電池單體，其余20組電池堆內包括60個電池單體，全艙總計3760個電池單體；全站共計60組電池簇、360組電池堆、22560個電池單體。

圖3儲能電站結構圖

3.2測試工況

本文根據圖4展示的標準輸出功率階躍工況，測試優化前后分配策略的可靠性。標準階躍工況設定為每次輸出功率階躍為1MW，自0開始增加到額定充電功率后增加到額定放電功率，并逐漸降低至0，共計21次調節。實驗開始時的參數如下：儲能系統直流電壓為690V，電網電壓為10000V，SOC1為50%，SOC2為50%，SOC3為50%，SOH1為99%，SOH2為99%，SOH3為99%。

圖4實驗測試工況

3.3輸出功率階躍的影響

3.3.1小功率階躍的影響

首先進行了兩種算法在增加1MW輸出時的階躍響應測試，3臺機組的輸出功率響應曲線如圖5（a）所示。由圖5（a）可知，在不同分配策略下，機組均在下達指令后1s開始動作，并在4s內調節完畢。由于有功階躍為1MW，平均分配策略下3臺機組調節有功分別為0.34MW、0.34MW、0.36MW，其調節曲線基本符合線性關系。使用優化分配策略的機組將有功全部分配給1#機組，在調節至1.01MW后實現穩定，其調節曲線呈先快后慢的趨勢。圖5（b）展示了兩種分配策略下全站的機組有功。不同分配策略下的有功調節曲線與單臺機組相似，未優化下的平均分配策略呈線性關系，其在達到有功目標值后出現了短暫的超調現象，在1.04MW下維持1s的時間。優化后調節曲線變為先快后慢，且未出現超調情況。優化后的分配策略能夠在應對階躍調節時保證調節響應速度一致，同時由于其控制機組較平均分配調節更少，因此也不易出現超調或調節速度不穩定的情況。實驗數據1如表1所列。

表1實驗數據1

圖5兩種算法在增加1MW輸出時的階躍響應實驗

3.3.2大功率階躍的影響

進行了兩種算法在由放電10MW輸出調節至充電10MW輸出時的階躍響應測試，3臺機組的輸出功率響應曲線如圖6（a）所示。可以看到機組均在下達指令后1s開始動作，并在4s內調節完畢，優化后的機組相較優化前可將調節時間縮短至3s。有功階躍為20MW，平均分配策略下3臺機組調節有功分別由10MW調節至-3.346MW、-3.366MW、-3.284MW，其調節曲線基本符合線性關系。使用優化分配策略的機組將有功分配給3臺機組，其中，1#機組與2#機組功率較大，為3.459MW、3.462MW，3#機組分配功率較小，為3.041MW，其調節曲線呈先快后慢的趨勢。整體比較調節誤差，兩種分配策略調節精度均在99%以上，誤差較小。實驗數據2如表2所列。

表2實驗數據2

圖6兩種算法在由放電10MW輸出調節至充電10MW輸出時的階躍響應實驗

3.4調節次數的影響

圖7為全工況下的儲能機組動作次數。

測試工況共有21次調節指令下達。輸出功率出現調節階躍后，采用未優化的平均分配策略控制下的儲能電站，每次母線有功目標值的改變都會影響單臺機組目標值的變化，因此每臺機組都會進行調節，3臺機組各動作21次。使用優化算法后，機組在面對小功率階躍時能夠減少機組的啟停及調節次數，降低了電池組的電壓擾動。

由圖7可知，使用優化后的儲能分配策略能在儲能電站面對較小階躍目標時保持單臺調節，減少了多臺機組動作次數。3臺機組平均調節次數為9次，相較平均分配策略減少了60%的調節次數，證明優化的分配策略能顯著減少分配次數，降低機組調節頻率，有助于延長機組使用壽命。

圖7全工況下儲能機組動作次數

4 Acrel-2000ES儲能柜能量管理系統

4.1系統概述

安科瑞儲能能量管理系統Acrel-2000ES，專門針對工商業儲能柜、儲能集裝箱研發的一款儲能EMS，具有完善的儲能監控與管理功能,涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息,實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度,具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統結構

Acrel-2000ES，可通過直采或者通過通訊管理或串口服務器將儲能柜或者儲能集裝箱內部的設備接入系統。系統結構如下：

4.3系統功能

4.3.1實時監測

系統人機界面友好，能夠顯示儲能柜的運行狀態，實時監測PCS、BMS以及環境參數信息，如電參量、溫度、濕度等。實時顯示有關故障、告警、收益等信息。

4.3.2設備監控

系統能夠實時監測PCS、BMS、電表、空調、消防、除濕機等設備的運行狀態及運行模式。

PCS監控：滿足儲能變流器的參數與限值設置；運行模式設置；實現儲能變流器交直流側電壓、電流、功率及充放電量參數的采集與展示；實現PCS通訊狀態、啟停狀態、開關狀態、異常告警等狀態監測。

BMS監控：滿足電池管理系統的參數與限值設置；實現儲能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監測；實現電池充放電狀態、電壓、電流及溫度異常狀態的告警。

空調監控：滿足環境溫度的監測，可根據設置的閾值進行空調溫度的聯動調節，并實時監測空調的運行狀態及溫濕度數據，以曲線形式進行展示。

UPS監控：滿足UPS的運行狀態及相關電參量監測。

4.3.3曲線報表

系統能夠對PCS充放電功率曲線、SOC變換曲線、及電壓、電流、溫度等歷史曲線的查詢與展示。

4.3.4策略配置

滿足儲能系統設備參數的配置、電價參數與時段的設置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實時報警

儲能能量管理系統具有實時告警功能，系統能夠對儲能充放電越限、溫度越限、設備故障或通信故障等事件發出告警。

4.3.6事件查詢統計

儲能能量管理系統能夠對遙信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過每個設備下面的紅色按鈕對PCS、風機、除濕機、空調控制器、照明等設備進行相應的控制，但是當設備未通信上時，控制按鈕會顯示無效狀態。

4.3.8用戶權限管理

儲能能量管理系統為保障系統安全穩定運行，設置了用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控的操作，數據庫修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。

4.3.9安科瑞配套產品

5 結論

本文針對主流電網側儲能電站EMS采用的平均分配算法導致機組調節次數多、頻繁啟停等問題進行優化，開發了逐臺分配的優化分配策略，并借助儲能電站進行實際測試，證實優化后的儲能分配策略具備穩定出力，減少調節次數的優點，且調節時間與平均分配相近，主要結論如下。

（1）提出的優化算法能在保證與平均算法相同的調節速率下，在小功率階躍下在維持調節的穩定性同時提升2.9%的調節精度，同時能避免超調發生；在大功率階躍下調節穩定性與平均算法相同，且能保證更短的調節時間。

（2）采用優化后的分配策略在應對小功率調節時能夠有效減少機組動作次數，在應對20次小功率調節下，單臺機組調節次數能夠減少60%，應對充放電反向等大功率調節狀態則不受影響。