一种电池储能系统综合运行控制的新方法

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所属分类:储能电站

摘要

山东大学电气工程学院、南洋理工大学电气与电子工程学院、国网山东电力调度控制中心的研究人员李佳琪、陈健、张文、张逸成、鲍冠南,在2019年第2期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“高渗透率光伏配电网中电池储能系统综合运行控制策略”)指出,为解决配电网中高渗透率光伏及用电高峰负荷过重带来的电压越限问题,并在分时电价政策下通过低储高发获取经济收益以降低储能作为电压控制手段的成本,提出一种电池储能系统综合运行控制策略。

该策略包括电压控制和套利运作两部分,其中电压控制部分以防止电压越限为目标,建立包括电池剩余寿命(TOU)、荷电状态(SOC)、电压灵敏度特性、电池动作费用等在内的评价矩阵,选择综合评价指标最大者进行控制,以提高电压控制效率;套利运作部分以保证电压安全为前提,结合用电峰谷电价,尽量减少电池动作对节点电压的影响,选择电压灵敏度因数及动作费用最小、电池状态最优者进行控制。

该方法在实现削峰填谷,改善配网电压安全,提高储能安装用户收益的同时,兼顾电池储能系统的状态变化,实现了功率在各储能单元间的合理分配,提高了动作效率,均衡了各储能单元的使用率,延长了整个储能系统的使用寿命。最后通过算例分析验证了该控制方法的有效性。

当今世界,环境的恶化引发了各国对发展清洁能源的广泛关注,越来越多的分布式电源开始接入配电网。光伏(Photovoltaic, PV)发电作为一种高效的小容量发电技术,得到了迅速的发展与推广。然而,随着PV渗透率的逐渐提高,功率逆流、节点电压越限等问题日趋严重,这对配电网的安全经济运行提出了更高的要求。

当前,解决高渗透率PV导致的电压问题主要有削减PV出力、安装无功补偿设备和应用储能系统三种方法。其中,削减PV出力降低了光能资源利用率,减少了PV安装用户收益,从长远看,不利于未来PV的快速可持续发展;而无功补偿对电压控制的效果随网络R/X值的增加逐渐降低,针对某些R/X值较大的配电网,其控制效果并不理想,且PV的快速增长也会导致传统无功补偿设备的频繁升级。因此,随着配电网负荷的持续增长和PV渗透率的提高,新的适应配电网特点的电压控制方式有待进一步研究。

近年来,凭借其快速灵活的响应特性和逐渐降低的成本,电池储能(Battery Energy Storage, BES)作为配电网电压控制的重要手段受到了广泛关注。

文献[8]分析了PV大量接入对配电网的影响,并介绍了电池储能系统在电压管理、频率下降响应和功率因数修正等方面的应用。

当前有关电池储能系统运行策略的研究可分为两类。一类是通过构建并求解优化模型给出日前优化运行策略:文献[9]利用天气状况的预测数据计算分布式电源出力,将网络损耗、电压越限等折合为成本,并以系统运行成本最小为目标,对储能系统的配置及运行策略进行优化;文献[10]提出一种双层调度策略,上层以系统运行费用最少为目标提出储能系统的日前调度方案,下层利用实时数据与预测数据之间的误差对上层方案进行调整。

另一类以实现某一控制目标为目的,给出具体控制流程,实现储能系统在线控制:如文献[7]根据农村和城市电网的不同特点(主要是R/X值不同)和相应电压问题,提出了不同的储能系统协调控制策略,对于R/X值较小的城市电网,电压管理主要依赖于PV的无功控制,而对于R/X值较大的农村电网,电压管理主要依赖于电池储能系统的充放;

文献[11]提出了一种基于电压和负荷管理的储能系统控制策略,该策略将储能系统的有功与无功解耦控制,有功充放与配电网和大电网间的功率交换有关,无功充放与配电网各节点电压状态有关;文献[12]将储能系统与传统的变压器有载分接头调压相结合,提出一种协调控制策略用以解决高渗透率PV带来的电压越限问题,但传统调压手段由于调节速度和不连续性等因素制约,难以有效抑制PV出力波动引起的电压波动,仅能作为一种辅助调节手段。

第一类研究多涉及优化计算,计算量较大,且电池储能系统多以容量和功率进行约束,未充分考虑动作过程中功率在各储能单元间的合理分配;第二类研究控制目标单一,多以防止电压越限为目标,但电池储能系统成本较高,仅作为电压控制手段而忽略峰谷电价政策下低储高发的套利机会,极大地降低了其利用价值。

对于某些R/X值较大的配电网系统,通过调节线路传输的有功功率来调节节点电压的效果比调节无功更为显著,在此本文以电池储能系统充放的有功功率为研究对象,提出了储能系统综合运行控制策略。

该策略分为电压控制和套利运作两部分,电压控制部分以防止电压越限为目标,根据各备选电池的剩余寿命(Time-of-Use, TOU)、当前荷电状态(State of Charge, SOC)状态、运行费用及灵敏度特性等参数建立评价矩阵,选择综合性能最佳的电池进行控制;套利运作部分以保证电压安全为前提,结合用电峰谷电价并尽量减少电池动作对节点电压的影响,选择电压灵敏度因数及运行费用最小、电池状态最优者进行控制。最后,通过对41节点配电网系统仿真分析和储能系统净收益比较,验证了该策略模型的有效性和经济性。

一种电池储能系统综合运行控制的新方法

图2 电池储能系统综合运行控制策略流程

结论

本文提出了一种同时考虑电压控制与套利运作的电池储能系统综合运行控制策略。电池储能系统的选择依据包含电池剩余寿命、SOC状态、灵敏度特性及运行费用等在内的评价矩阵;电池储能系统的控制依据具体控制目标和相应参数。该策略解决了高渗透率PV带来的电压越限问题,改善了配电网电压安全;均衡了各电池储能系统间的利用率,提高了整个储能系统的使用寿命;增加了储能安装用户的经济收益。

算例仿真验证了本方法的有效性和经济性。本文研究为电池储能系统的运行控制提供了指导,具有一定的实际意义和参考价值,在该运行策略的基础上考虑储能系统的优化配置将是下一步的研究方向。

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