蓄電池儲(chǔ)能削峰填谷的簡(jiǎn)便算法

李留學(xué)，韓 冬，李 明

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012;2.吉林省吉林市供電公司 用電營(yíng)銷(xiāo)部，吉林 吉林 132011)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力消費(fèi)用戶不斷增加［1－2］，使得用電的峰谷差急劇變大。為有效使用電能，并滿足電力用戶需求，通常利用蓄電池儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷，用電高峰時(shí)一部分負(fù)荷由蓄電池來(lái)供應(yīng)，用電低谷時(shí)一部分電能用蓄電池來(lái)儲(chǔ)存［3－5］。這樣用電的峰谷差就會(huì)變得小一些，負(fù)荷曲線就會(huì)變得相對(duì)平坦，從而延遲了系統(tǒng)容量的升級(jí)，提高了設(shè)備的利用效率，有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［6］。

要實(shí)現(xiàn)蓄電池的削峰填谷，首先應(yīng)對(duì)已經(jīng)預(yù)測(cè)的日負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化［7］，以便得出24 h的蓄電池儲(chǔ)能裝置的最優(yōu)充放電方法，也就是電池在每個(gè)時(shí)刻是否應(yīng)該充放電以及充放電的功率是多少;其次就是實(shí)時(shí)地進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)最優(yōu)方法的分析計(jì)算，得出變流器中可控開(kāi)關(guān)器件的工作狀態(tài)并發(fā)給變流器［6，8］。本文提出了蓄電池儲(chǔ)能削峰填谷的簡(jiǎn)便算法。

1 蓄電池儲(chǔ)能裝置充放電優(yōu)化模型

本模型不計(jì)電池自身能量的耗損以及電池爬坡約束的影響。

1.1 優(yōu)化對(duì)象

在使用這種方法時(shí)，需要優(yōu)化的對(duì)象是每次電池充放電功率p(i)和充放電的開(kāi)始時(shí)間Tstart(i)及結(jié)束時(shí)間 Tstop(i)，i=1，2，…，n，n 是一天當(dāng)中蓄電池的充放電次數(shù)。這里規(guī)定，電池充電時(shí)功率是正值，放電時(shí)功率是負(fù)值。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是使負(fù)荷的方差最小化。方差越大，負(fù)荷曲線峰谷差越大，曲線就越不平坦;方差越小，負(fù)荷曲線峰谷差越小，曲線也就越平坦［9］。這里將一天平均分成a個(gè)時(shí)間段，目標(biāo)函數(shù)如下:

式中，D1(j)是通過(guò)削峰填谷后第i個(gè)時(shí)間段上負(fù)荷的大小，j=1，2，…，a。

1.3 約束條件

1)負(fù)荷大小的約束為

式中:D0(j)(j=1，2，…，a)是第 j個(gè)時(shí)間段中負(fù)荷的預(yù)測(cè)值;sign(x)是符號(hào)函數(shù)。

當(dāng) j在 Tstart(i)與 Tstop(i)(i=1，2，…，a)之間時(shí)，D1=D0+p(i)，當(dāng) j為其它值時(shí)，D1=D0。

2)時(shí)序約束為

3)功率約束為

式中，Pmax為允許的電池最大充放電功率。

4)蓄電池容量約束為

式中:Vlow和Vhigh分別表示蓄電池電量的最低值與最高值，Vinitial和Vfinal分別表示蓄電池電量的初始值與終值。

從上面所列出的模型可以看出，約束中有很多表達(dá)式都是非線性的，再加上sign(x)的不連續(xù)性，給求解帶來(lái)了很大的難度。

2 蓄電池儲(chǔ)能削峰填谷的簡(jiǎn)便算法

典型日負(fù)荷曲線如圖1所示。

圖1 典型日負(fù)荷曲線Fig.1 Typical daily load curve

從圖1可以看出，大約在09:00－11:00、14:00－17:00和18:00－22:00這三個(gè)時(shí)間段中各有一個(gè)負(fù)荷高峰，在02:00－08:30、11:30－13:00和22:00－00:00這三個(gè)時(shí)間段中各有一個(gè)負(fù)荷低谷。根據(jù)每個(gè)負(fù)荷高峰與負(fù)荷低谷的持續(xù)時(shí)間，可以在02:00－08:30期間給電池充電一次，在09:00－11:00和14:00－17:00這兩個(gè)負(fù)荷高峰時(shí)間段讓電池放電。因?yàn)樨?fù)荷的功率要比蓄電池功率大很多，所以用最大功率使電池進(jìn)行充放電。放電時(shí)間和充電時(shí)間是相等的，即

確定充放電的起止時(shí)刻的原理如下:

將一條平行于時(shí)間軸的水平線從下到上以很慢的速度平移，這時(shí)水平線將與負(fù)荷曲線的02:0008:00區(qū)間的低谷相交，直到相交區(qū)間的時(shí)間為T(mén)，這樣就找到了充電時(shí)段。這個(gè)時(shí)段的起始時(shí)刻就是電池開(kāi)始充電的時(shí)刻，時(shí)段的結(jié)束時(shí)刻就是電池充電的結(jié)束時(shí)刻。以同樣的方法，當(dāng)水平線從上到下平移時(shí)，就會(huì)找到電池的放電時(shí)段。

3 蓄電池儲(chǔ)能裝置的實(shí)時(shí)控制

為了能更好地對(duì)蓄電池儲(chǔ)能削峰填谷實(shí)現(xiàn)控制，需要將事先已經(jīng)優(yōu)化出的最優(yōu)充放電方法、實(shí)際的負(fù)荷曲線以及電池的荷電狀態(tài)加以綜合考慮，最終確定充放電起止時(shí)刻和充放電功率的大小，從而實(shí)現(xiàn)控制。

3.1 電池充放電起止時(shí)刻

1)如果預(yù)測(cè)的負(fù)荷曲線和實(shí)際負(fù)荷曲線二者的負(fù)荷高峰時(shí)段與低谷時(shí)段完全相同，只是高峰與低谷的高低有些不同，那么當(dāng)負(fù)荷功率遠(yuǎn)大于蓄電池儲(chǔ)能裝置的功率時(shí)，最優(yōu)充放電方法與之前預(yù)測(cè)得出的最優(yōu)充放電方法相同。

2)如果預(yù)測(cè)的負(fù)荷曲線和實(shí)際負(fù)荷曲線在形狀上相同，而在垂直方向不同，則此時(shí)的最優(yōu)充放電方法與之前預(yù)測(cè)得出的相同。

3)如果實(shí)際負(fù)荷曲線的負(fù)荷高峰和負(fù)荷低谷延遲到達(dá)或提前到達(dá)，則應(yīng)用負(fù)荷閾值來(lái)決定電池的充電和放電的起始時(shí)間，當(dāng)實(shí)際負(fù)荷達(dá)到閾值時(shí)，開(kāi)始充電和放電。充放電的終止時(shí)刻則與之前優(yōu)化的相同。

3.2 電池充放電的功率

如果充放電的開(kāi)始時(shí)間由負(fù)荷閾值來(lái)確定，那么這時(shí)需重新計(jì)算充放電的功率，此時(shí)的充放電功率是之前預(yù)測(cè)得出的充放電總能量與充放電時(shí)間之比，而且充放電功率應(yīng)該滿足－Pmax≤p(j)≤Pmax;j=1，2，…，n。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

深圳寶清儲(chǔ)能站監(jiān)控頁(yè)面如圖2所示。圖2中上部的實(shí)線是儲(chǔ)能站的預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線，虛線是儲(chǔ)能裝置削峰填谷后的結(jié)果;下部是蓄電池的出力曲線。其中橫坐標(biāo)代表時(shí)間，縱坐標(biāo)的單位是功率。

圖2 深圳寶清儲(chǔ)能站監(jiān)控頁(yè)面Fig.2 Shenzhen Baoqing storage station monitoring page

由深圳寶清儲(chǔ)能站的削峰填谷案例可以看出，運(yùn)用此簡(jiǎn)便算法削峰填谷，有效地減小了負(fù)荷的峰谷差，有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

提出的應(yīng)用于蓄電池儲(chǔ)能削峰填谷的簡(jiǎn)便算法，可根據(jù)預(yù)測(cè)出的日負(fù)荷曲線進(jìn)行優(yōu)化并快速地求解出蓄電池裝置在一天中的充放電情況。實(shí)際應(yīng)案例表明，該算法用起來(lái)方便快捷，能夠適用于蓄電池儲(chǔ)能裝置一天充電一次、多次放電的情形，但對(duì)一天中充電與放電混合交叉的情形不適用。

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