引言

儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)并釋放電能的特性是解決風(fēng)光發(fā)電等新能源功率輸出分時(shí)波動(dòng)等問(wèn)題的重要手段。電化學(xué)儲(chǔ)能具有能量密度大、安全性高、占地面積小、調(diào)峰能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等機(jī)械儲(chǔ)能及熔融鹽儲(chǔ)能等熱力儲(chǔ)能方式相比，電化學(xué)儲(chǔ)能在我國(guó)已進(jìn)入廣泛建設(shè)階段，各地政府及企業(yè)都在積極布局和推動(dòng)電網(wǎng)側(cè)電池儲(chǔ)能電站建設(shè)。

電化學(xué)儲(chǔ)能電站由能量管理系統(tǒng)（EnergyManagementSystem，EMS）控制，其控制策略與分配邏輯決定了儲(chǔ)能電站的全站響應(yīng)能力、穩(wěn)定控制與運(yùn)行壽命。穩(wěn)定且高效的能管系統(tǒng)控制策略能夠幫助儲(chǔ)能電站實(shí)現(xiàn)良好的暫態(tài)支撐-穩(wěn)態(tài)控制特性，同時(shí)能夠延長(zhǎng)電池組的使用壽命，提高了系統(tǒng)操作的運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)效益。眾多學(xué)者針對(duì)儲(chǔ)能機(jī)組控制策略優(yōu)化展開了大量研究。陳麗娟等根據(jù)AGC考核指標(biāo)與調(diào)峰經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行約束，提出了優(yōu)化的儲(chǔ)能充放電策略，經(jīng)過(guò)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(yōu)化為目標(biāo)，利用層次分析法對(duì)多臺(tái)機(jī)組進(jìn)行權(quán)重分配，借助模擬分析實(shí)現(xiàn)了電廠整體壽命相較傳統(tǒng)分配策略40.6%的延長(zhǎng)。茆書睿等借助EMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能集群電站間SOC的平均分配調(diào)節(jié)，使用基于電池狀態(tài)的雙層調(diào)度優(yōu)化模型能夠在考慮電池組SOH的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能廠站間的集群SOC調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)與功率分配優(yōu)化，本文依托江蘇某儲(chǔ)能電站工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，提出了一種高效分配且調(diào)節(jié)友好的儲(chǔ)能優(yōu)化控制策略。首先，介紹儲(chǔ)能電站物理及通信結(jié)構(gòu)；其次，建立以降低儲(chǔ)能調(diào)節(jié)次數(shù)及優(yōu)化功率調(diào)節(jié)的優(yōu)化控制策略，同時(shí)考慮儲(chǔ)能充放電轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)；*后，通過(guò)在儲(chǔ)能電站進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證所提分配策略的有效性。

1儲(chǔ)能控制系統(tǒng)

儲(chǔ)能電站控制系統(tǒng)主要由能量管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器（PowerConverem，PCS）、電池管理系統(tǒng)（BatteryManagementSystem，BMS）構(gòu)成。其中，BMS對(duì)應(yīng)單個(gè)電池堆，PCS對(duì)應(yīng)單臺(tái)儲(chǔ)能機(jī)組，EMS對(duì)應(yīng)全站［8］。EMS可借助 IEC104等通信規(guī)約與下屬PCS通信，獲取PCS上傳的實(shí)時(shí)信息，并可遠(yuǎn)程對(duì)PCS進(jìn)行遙控遙調(diào)等操作。同時(shí)，EMS可以與BMS通信，實(shí)時(shí)獲取電池單元的溫度、電壓以及告警等信息。EMS可以對(duì)這些信息進(jìn)行匯總計(jì)算，并在PCS或BMS發(fā)送告警信號(hào)時(shí)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，以保證整個(gè)儲(chǔ)能電站的運(yùn)行安全性。

1.1電池管理系統(tǒng)（BMS）

BMS用于監(jiān)測(cè)及管理電池單體及電池組，是儲(chǔ)能電站中維持電池安全運(yùn)行的重要一環(huán)。儲(chǔ)能電站中的電池單體普遍采用磷酸鐵鋰電池，當(dāng)電池因短路等故障導(dǎo)致溫度過(guò)高時(shí)，有可能導(dǎo)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(fù)責(zé)監(jiān)控單個(gè)電池包中每個(gè)電池單體的狀態(tài)，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(tài)是儲(chǔ)能電站分配策略的重要參數(shù)之一。

1.2儲(chǔ)能變流器（PCS）

儲(chǔ)能變流器能夠?qū)崿F(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換，是儲(chǔ)能電站重要的組成部分。PCS能夠?qū)㈦娋W(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)化為直流電用于電池充電，也能將直流電轉(zhuǎn)化為交流電以供電網(wǎng)負(fù)荷使用。根據(jù)運(yùn)行方式，PCS可分為并網(wǎng)以及離網(wǎng)兩種模式。并網(wǎng)模式下，PCS在提供站內(nèi)負(fù)荷電能的同時(shí)，也能從電網(wǎng)接收或供給電能；離網(wǎng)模式下，PCS則直接為站內(nèi)負(fù)荷供電。

1.3能量管理系統(tǒng)（EMS）

作為控制儲(chǔ)能單元分配的重要組成部分，儲(chǔ)能EMS的功能為接收充放電指令，并按一定分配策略將機(jī)組功率目標(biāo)值下發(fā)給每臺(tái)儲(chǔ)能單元PCS，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲(chǔ)能機(jī)組間的通信。同時(shí)，EMS也會(huì)從BMS實(shí)時(shí)獲取儲(chǔ)能電站電池的運(yùn)行狀態(tài)、告警信息、電池組狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行處理得到當(dāng)前電站的整體運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度、功率快速調(diào)節(jié)，使用基于電池狀態(tài)的雙層調(diào)度優(yōu)化模型能夠在考慮電池組SOH的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能廠站間的集群SOC調(diào)節(jié)。

為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)與功率分配優(yōu)化，本文依托江蘇某儲(chǔ)能電站工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，提出了一種高效分配且調(diào)節(jié)友好的儲(chǔ)能優(yōu)化控制策略。首先，介紹儲(chǔ)能電站物理及通信結(jié)構(gòu)；其次，建立以降低儲(chǔ)能調(diào)節(jié)次數(shù)及優(yōu)化功率調(diào)節(jié)的優(yōu)化控制策略，同時(shí)考慮儲(chǔ)能充放電轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)；*后，通過(guò)在儲(chǔ)能電站進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證所提分配策略的有效性。

2儲(chǔ)能分配策略優(yōu)化

對(duì)于電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能，現(xiàn)有的EMS普遍采用對(duì)有功功率目標(biāo)值取平均的方式進(jìn)行儲(chǔ)能分配，將目標(biāo)值均勻分配給全部可用機(jī)組，其邏輯框圖如圖1所示。

圖1未優(yōu)化的平均分配算法邏輯框圖

假設(shè)共有n臺(tái)機(jī)組，其中m臺(tái)為可用機(jī)組（n≥m≥1），每臺(tái)儲(chǔ)能機(jī)組的額定充/放電功率為Pn，下達(dá)的輸出目標(biāo)值為Pt（Pt<n×Pn），目標(biāo)值為正表示放電，目標(biāo)值為負(fù)表示放電。根據(jù)平均分配策略，下達(dá)有功指令后，每臺(tái)可用機(jī)組收到的運(yùn)行目標(biāo)值Ps為：Ps=（1）

式中：m為可調(diào)機(jī)組數(shù)；Pt為有功目標(biāo)值。

采用這種分配策略的EMS將在每次收到目標(biāo)值后對(duì)所有可用機(jī)組下達(dá)指令進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，與當(dāng)前的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)無(wú)關(guān)。

這種分配策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，但由于其調(diào)節(jié)機(jī)組數(shù)量多，當(dāng)調(diào)節(jié)頻率較高時(shí)，單臺(tái)機(jī)組調(diào)節(jié)出現(xiàn)調(diào)節(jié)精度偏差或響應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致全站輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)，甚至出現(xiàn)超調(diào)或調(diào)節(jié)不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題。

為解決該問(wèn)題，優(yōu)化后的算法將調(diào)節(jié)目標(biāo)值Pt與單臺(tái)機(jī)組額定功率Pn進(jìn)行比較，若有功目標(biāo)值Pt低于單機(jī)額定功率Pn，則由單臺(tái)機(jī)組負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)；若Pt大于Pn，則調(diào)節(jié)單臺(tái)機(jī)組至額定功率滿發(fā)，并將剩余目標(biāo)值繼續(xù)與下臺(tái)可用機(jī)組進(jìn)行比較分配，直到剩余的目標(biāo)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(chǔ)能機(jī)組的分配公式為：

（2）

式中：n>m>1；mPn>Pt>（m-1）Pn。

圖2優(yōu)化算法邏輯框圖

與平均分配相比，這種優(yōu)化分配策略理論上需要更多的運(yùn)算時(shí)間，但通過(guò)逐臺(tái)判斷能避免儲(chǔ)能機(jī)組與PCS的頻繁啟停，提高了分配效率、延長(zhǎng)了運(yùn)行壽命。針對(duì)需根據(jù)指令頻繁調(diào)節(jié)有功出力的儲(chǔ)能機(jī)組，這種分配策略能有效減少調(diào)節(jié)次數(shù)，降低機(jī)組動(dòng)作頻率。

3分配策略測(cè)試結(jié)果

3.1測(cè)試儲(chǔ)能電站簡(jiǎn)述

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

圖3儲(chǔ)能電站結(jié)構(gòu)圖

3.2測(cè)試工況

本文根據(jù)圖4展示的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率階躍工況，測(cè)試優(yōu)化前后分配策略的可靠性。標(biāo)準(zhǔn)階躍工況設(shè)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(jì)21次調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的參數(shù)如下：儲(chǔ)能系統(tǒng)直流電壓為690V，電網(wǎng)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(jìn)行了兩種算法在增加1MW輸出時(shí)的階躍響應(yīng)測(cè)試，3臺(tái)機(jī)組的輸出功率響應(yīng)曲線如圖5（a）所示。由圖5（a）可知，在不同分配策略下，機(jī)組均在下達(dá)指令后1s開始動(dòng)作，并在4s內(nèi)調(diào)節(jié)完畢。由于有功階躍為1MW，平均分配策略下3臺(tái)機(jī)組調(diào)節(jié)有功分別為0.34MW、0.34MW、0.36MW，其調(diào)節(jié)曲線基本符合線性關(guān)系。使用優(yōu)化分配策略的機(jī)組將有功全部分配給1#機(jī)組，在調(diào)節(jié)至1.01MW后實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，其調(diào)節(jié)曲線呈先快后慢的趨勢(shì)。圖5（b）展示了兩種分配策略下全站的機(jī)組有功。不同分配策略下的有功調(diào)節(jié)曲線與單臺(tái)機(jī)組相似，未優(yōu)化下的平均分配策略呈線性關(guān)系，其在達(dá)到有功目標(biāo)值后出現(xiàn)了短暫的超調(diào)現(xiàn)象，在1.04MW下維持1s的時(shí)間。優(yōu)化后調(diào)節(jié)曲線變?yōu)橄瓤旌舐椅闯霈F(xiàn)超調(diào)情況。優(yōu)化后的分配策略能夠在應(yīng)對(duì)階躍調(diào)節(jié)時(shí)保證調(diào)節(jié)響應(yīng)速度一致，同時(shí)由于其控制機(jī)組較平均分配調(diào)節(jié)更少，因此也不易出現(xiàn)超調(diào)或調(diào)節(jié)速度不穩(wěn)定的情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1如表1所列。

表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1

圖5兩種算法在增加1MW輸出時(shí)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3.3.2大功率階躍的影響

進(jìn)行了兩種算法在由放電10MW輸出調(diào)節(jié)至充電10MW輸出時(shí)的階躍響應(yīng)測(cè)試，3臺(tái)機(jī)組的輸出功率響應(yīng)曲線如圖6（a）所示。可以看到機(jī)組均在下達(dá)指令后1s開始動(dòng)作，并在4s內(nèi)調(diào)節(jié)完畢，優(yōu)化后的機(jī)組相較優(yōu)化前可將調(diào)節(jié)時(shí)間縮短至3s。有功階躍為20MW，平均分配策略下3臺(tái)機(jī)組調(diào)節(jié)有功分別由10MW調(diào)節(jié)至-3.346MW、-3.366MW、-3.284MW，其調(diào)節(jié)曲線基本符合線性關(guān)系。使用優(yōu)化分配策略的機(jī)組將有功分配給3臺(tái)機(jī)組，其中，1#機(jī)組與2#機(jī)組功率較大，為3.459MW、3.462MW，3#機(jī)組分配功率較小，為3.041MW，其調(diào)節(jié)曲線呈先快后慢的趨勢(shì)。整體比較調(diào)節(jié)誤差，兩種分配策略調(diào)節(jié)精度均在99%以上，誤差較小。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2如表2所列。

表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2

圖6兩種算法在由放電10MW輸出調(diào)節(jié)至充電10MW輸出時(shí)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3.4調(diào)節(jié)次數(shù)的影響

圖7為全工況下的儲(chǔ)能機(jī)組動(dòng)作次數(shù)。

測(cè)試工況共有21次調(diào)節(jié)指令下達(dá)。輸出功率出現(xiàn)調(diào)節(jié)階躍后，采用未優(yōu)化的平均分配策略控制下的儲(chǔ)能電站，每次母線有功目標(biāo)值的改變都會(huì)影響單臺(tái)機(jī)組目標(biāo)值的變化，因此每臺(tái)機(jī)組都會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，3臺(tái)機(jī)組各動(dòng)作21次。使用優(yōu)化算法后，機(jī)組在面對(duì)小功率階躍時(shí)能夠減少機(jī)組的啟停及調(diào)節(jié)次數(shù)，降低了電池組的電壓擾動(dòng)。

由圖7可知，使用優(yōu)化后的儲(chǔ)能分配策略能在儲(chǔ)能電站面對(duì)較小階躍目標(biāo)時(shí)保持單臺(tái)調(diào)節(jié)，減少了多臺(tái)機(jī)組動(dòng)作次數(shù)。3臺(tái)機(jī)組平均調(diào)節(jié)次數(shù)為9次，相較平均分配策略減少了60%的調(diào)節(jié)次數(shù)，證明優(yōu)化的分配策略能顯著減少分配次數(shù)，降低機(jī)組調(diào)節(jié)頻率，有助于延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命。

圖7全工況下儲(chǔ)能機(jī)組動(dòng)作次數(shù)

4 Acrel-2000ES儲(chǔ)能柜能量管理系統(tǒng)

4.1系統(tǒng)概述

安科瑞儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)Acrel-2000ES，專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能柜、儲(chǔ)能集裝箱研發(fā)的一款儲(chǔ)能EMS，具有完善的儲(chǔ)能監(jiān)控與管理功能,涵蓋了儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備(PCS、BMS、電表、消防、空調(diào)等)的詳細(xì)信息,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。在高級(jí)應(yīng)用上支持能量調(diào)度,具備計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Acrel-2000ES，可通過(guò)直采或者通過(guò)通訊管理或串口服務(wù)器將儲(chǔ)能柜或者儲(chǔ)能集裝箱內(nèi)部的設(shè)備接入系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

4.3系統(tǒng)功能

4.3.1實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)人機(jī)界面友好，能夠顯示儲(chǔ)能柜的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS以及環(huán)境參數(shù)信息，如電參量、溫度、濕度等。實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警、收益等信息。

4.3.2設(shè)備監(jiān)控

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)PCS、BMS、電表、空調(diào)、消防、除濕機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行模式。

PCS監(jiān)控：滿足儲(chǔ)能變流器的參數(shù)與限值設(shè)置；運(yùn)行模式設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器交直流側(cè)電壓、電流、功率及充放電量參數(shù)的采集與展示；實(shí)現(xiàn)PCS通訊狀態(tài)、啟停狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)、異常告警等狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

BMS監(jiān)控：滿足電池管理系統(tǒng)的參數(shù)與限值設(shè)置；實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的電芯、電池簇的溫度、電壓、電流的監(jiān)測(cè)；實(shí)現(xiàn)電池充放電狀態(tài)、電壓、電流及溫度異常狀態(tài)的告警。

空調(diào)監(jiān)控：滿足環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)，可根據(jù)設(shè)置的閾值進(jìn)行空調(diào)溫度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)及溫濕度數(shù)據(jù)，以曲線形式進(jìn)行展示。

UPS監(jiān)控：滿足UPS的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)電參量監(jiān)測(cè)。

4.3.3曲線報(bào)表

系統(tǒng)能夠?qū)CS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(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的配置、電價(jià)參數(shù)與時(shí)段的設(shè)置、控制策略的選擇。目前支持的控制策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5實(shí)時(shí)報(bào)警

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)?chǔ)能充放電越限、溫度越限、設(shè)備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

4.3.6事件查詢統(tǒng)計(jì)

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)能夠?qū)b信變位，溫濕度、電壓越限等事件記錄進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，方便用戶對(duì)系統(tǒng)事件和報(bào)警進(jìn)行歷史追溯，查詢統(tǒng)計(jì)、事故分析。

4.3.7遙控操作

可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備下面的紅色按鈕對(duì)PCS、風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、空調(diào)控制器、照明等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，但是當(dāng)設(shè)備未通信上時(shí)，控制按鈕會(huì)顯示無(wú)效狀態(tài)。

4.3.8用戶權(quán)限管理

儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)為保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)置了用戶權(quán)限管理功能。通過(guò)用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作（如遙控的操作，數(shù)據(jù)庫(kù)修改等）。可以定義不同級(jí)別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限，為系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、管理提供可靠的安全保障。