蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法

李留學，韓 冬，李 明

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012;2.吉林省吉林市供電公司 用電營銷部，吉林 吉林 132011)

隨著經濟的飛速發展，電力消費用戶不斷增加［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，通常利用蓄電池儲能進行削峰填谷，用電高峰時一部分負荷由蓄電池來供應，用電低谷時一部分電能用蓄電池來儲存［3－5］。這樣用電的峰谷差就會變得小一些，負荷曲線就會變得相對平坦，從而延遲了系統容量的升級，提高了設備的利用效率，有利于電網的經濟運行［6］。

要實現蓄電池的削峰填谷，首先應對已經預測的日負荷曲線進行優化［7］，以便得出24 h的蓄電池儲能裝置的最優充放電方法，也就是電池在每個時刻是否應該充放電以及充放電的功率是多少;其次就是實時地進行控制，通過對最優方法的分析計算，得出變流器中可控開關器件的工作狀態并發給變流器［6，8］。本文提出了蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法。

1 蓄電池儲能裝置充放電優化模型

本模型不計電池自身能量的耗損以及電池爬坡約束的影響。

1.1 優化對象

在使用這種方法時，需要優化的對象是每次電池充放電功率p(i)和充放電的開始時間Tstart(i)及結束時間 Tstop(i)，i=1，2，…，n，n 是一天當中蓄電池的充放電次數。這里規定，電池充電時功率是正值，放電時功率是負值。

1.2 目標函數

目標函數是使負荷的方差最小化。方差越大，負荷曲線峰谷差越大，曲線就越不平坦;方差越小，負荷曲線峰谷差越小，曲線也就越平坦［9］。這里將一天平均分成a個時間段，目標函數如下:

式中，D1(j)是通過削峰填谷后第i個時間段上負荷的大小，j=1，2，…，a。

1.3 約束條件

1)負荷大小的約束為

式中:D0(j)(j=1，2，…，a)是第 j個時間段中負荷的預測值;sign(x)是符號函數。

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

2)時序約束為

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，約束中有很多表達式都是非線性的，再加上sign(x)的不連續性，給求解帶來了很大的難度。

2 蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法

典型日負荷曲線如圖1所示。

圖1 典型日負荷曲線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這三個時間段中各有一個負荷高峰，在02:00－08:30、11:30－13:00和22:00－00:00這三個時間段中各有一個負荷低谷。根據每個負荷高峰與負荷低谷的持續時間，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這兩個負荷高峰時間段讓電池放電。因為負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行充放電。放電時間和充電時間是相等的，即

確定充放電的起止時刻的原理如下:

將一條平行于時間軸的水平線從下到上以很慢的速度平移，這時水平線將與負荷曲線的02:0008:00區間的低谷相交，直到相交區間的時間為T，這樣就找到了充電時段。這個時段的起始時刻就是電池開始充電的時刻，時段的結束時刻就是電池充電的結束時刻。以同樣的方法，當水平線從上到下平移時，就會找到電池的放電時段。

3 蓄電池儲能裝置的實時控制

為了能更好地對蓄電池儲能削峰填谷實現控制，需要將事先已經優化出的最優充放電方法、實際的負荷曲線以及電池的荷電狀態加以綜合考慮，最終確定充放電起止時刻和充放電功率的大小，從而實現控制。

3.1 電池充放電起止時刻

1)如果預測的負荷曲線和實際負荷曲線二者的負荷高峰時段與低谷時段完全相同，只是高峰與低谷的高低有些不同，那么當負荷功率遠大于蓄電池儲能裝置的功率時，最優充放電方法與之前預測得出的最優充放電方法相同。

2)如果預測的負荷曲線和實際負荷曲線在形狀上相同，而在垂直方向不同，則此時的最優充放電方法與之前預測得出的相同。

3)如果實際負荷曲線的負荷高峰和負荷低谷延遲到達或提前到達，則應用負荷閾值來決定電池的充電和放電的起始時間，當實際負荷達到閾值時，開始充電和放電。充放電的終止時刻則與之前優化的相同。

3.2 電池充放電的功率

如果充放電的開始時間由負荷閾值來確定，那么這時需重新計算充放電的功率，此時的充放電功率是之前預測得出的充放電總能量與充放電時間之比，而且充放電功率應該滿足－Pmax≤p(j)≤Pmax;j=1，2，…，n。

4 實際應用案例

深圳寶清儲能站監控頁面如圖2所示。圖2中上部的實線是儲能站的預測負荷曲線，虛線是儲能裝置削峰填谷后的結果;下部是蓄電池的出力曲線。其中橫坐標代表時間，縱坐標的單位是功率。

圖2 深圳寶清儲能站監控頁面Fig.2 Shenzhen Baoqing storage station monitoring page

由深圳寶清儲能站的削峰填谷案例可以看出，運用此簡便算法削峰填谷，有效地減小了負荷的峰谷差，有利于電網的經濟運行。

5 結語

提出的應用于蓄電池儲能削峰填谷的簡便算法，可根據預測出的日負荷曲線進行優化并快速地求解出蓄電池裝置在一天中的充放電情況。實際應案例表明，該算法用起來方便快捷，能夠適用于蓄電池儲能裝置一天充電一次、多次放電的情形，但對一天中充電與放電混合交叉的情形不適用。

［1］ 丁明，張穎媛，茆美琴，等.包含鈉硫電池儲能的微網系統經濟運行優化［J］.中國電機工程學報，2011，31(4):7 －14.DING Ming，ZHANG Yingyuan，MAO Meiqin，et al.Economic operation optimization for microgrids including Na/S battery storage［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31(4):7 －14.

［2］ 唐捷，任震，高志華，等.峰谷分時電價的成本效益分析模型及其應用［J］.電網技術，2007，31(6):61 －66.TANG Jie，REN Zhen，GAO Zhihua，et al.Cost－ benefit analysis model and its application of peak－valley time－of－use electricity price ［J］.Power System Technology，2007，31(6):61－66.

［3］ 李正爍，郭慶來，孫宏斌，等.計及電動汽車充電預測的實時充電優化方法［J］.電力系統自動化，2014，38(9):61 －67.LI Zhengshuo，GUO Qinglai，SUN Hongbin，et al.Real time charging optimization strategy considering the prediction of electric vehicles charging ［J］.Automation of Electric Power Systems，2014，38(9):61 －67.

［4］ 汪衛華，張慧敏，陳方.用削峰填谷方法提高供電企業效益的分析［J］.電網技術，2004，28(18):79 －81.WANG Weihua，ZHANG Huimin，CHEN Fang.Analysis of improving profit of power supply enterprises by peak load shifting［J］.Power System Technology，2004，28(18):79 －81.

［5］ 張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用［J］.電網技術，2008，32(7):1 －9.ZHANG Wenliang，QIU Ming，LAI Xiaokang.Application of energy storage technologies in power grids［J］.Power System Technology，2008，32(7):1 －9.

［6］ 陳滿，陸志剛，劉怡，等.電池儲能系統恒功率削峰填谷優化策略研究［J］.電網技術，2012，36(9):1 －5.CHEN Man，LU Zhigang，LIU Yi，et al.Research on optimal peak load shifting strategy of battery energy storage system operated in constant power mode［J］.Power System Technology，2012，36(9):1－5.

［7］ 李國慶，張慧杰，王鶴，等.計及儲能裝置削峰填谷的微網優化運行［J］.電測與儀表，2013，50(10):73 －78.LI Guoqing，ZHANG Huijie，WANG He，et al.Optimal operation of microgrid considering energy storage device to peak load shifting［J］.Electrical Measurement and Instrumentation，2013，50(10):73－78.

［8］ 鮑冠南，陸超，袁志昌，等.基于動態規劃的電池儲能系統削峰填谷實時優化［J］.電力系統自動化，2012，36(12):11 －15.BAO Guannan，LU Chao，YUAN Zhichang，et al.Load shift real time optimization strategy of battery energy storage system based on dynamic programming［J］.Automation of Electric Power Systems，2012，36(12):11 －15.

［9］ 易文，劉志祥.大工業用戶運用峰谷電價差參與電網削峰填谷的實踐［J］.電力需求側管理，2004，5(6):25 －28.YI Wen，LIU Zhixiang.The role of TOU for large industry consumers participating power grid peak shaving and valley filling［J］.Power DSM，2004，5(6):25 －28.