多站融合場景下的系統配置及協調運行策略

馬會萌，李相俊，賈學翠

(新能源與儲能運行控制國家重點實驗室(中國電力科學研究院有限公司)，北京市100192)

0 引 言

近年來，伴隨能源加快向清潔低碳方向轉型和信息化產業快速發展，在城市區域內，電動汽車、5G通信基站、數據中心、分布式發電、儲能等蓬勃發展，對土地資源及變配電資源的需求量快速增長。利用城市變電站供電資源及閑余空間資源，建立電動汽車充電站、數據中心等可實現資源集約化開發，構建多站融合場景可提高城市變電站的土地和變配電資源利用率，同時可結合各站間資源稟賦實現站間功能融合互補支撐。

目前針對多站融合場景，已有業內人士開展了部分研究。文獻[1-2]探討了“多站融合”的一體化運營模式，文獻[3-4]開展了儲能站的容量設計和運行問題研究，文獻[5]開展了多站融合場景下的供電系統拓撲及控制技術研究。目前在該技術方向的研究較少，且多為探討商業模式和經濟效益方向，還缺乏參照集約化、模塊化設計理念的多站融合一體化統籌規劃設計。

雖然目前針對多站融合特定場景下的研究尚少，但針對上述相關系統的功能融合研究，如分布式光儲系統、光儲充一體化電站、園區型微電網、虛擬電廠等，已有較多的研究基礎，該部分研究也為本文提供了可借鑒的研究基礎和思路。文獻[6-14]是關于光儲充一體化電站、園區光儲型微電網的研究，研究涉及多系統的容量配置和協調運行策略等方面。文獻[15-19]是關于虛擬電廠規劃、調度方面的研究，其中文獻[15]研究了包含電動汽車參與需求側響應的虛擬電廠優化規劃方案和協調調度策略；在多能源系統之間的耦合逐漸加深的背景下，文獻[17]探究了電力系統和天然氣系統的協同規劃問題。另外，在分布式光儲的容量優化配置和協調控制方面相關研究成果更為廣泛，文獻[20-25]均為分布式光儲系統在協調控制策略方面的研究。

本文在研究過程中，借鑒前述研究成果中光儲聯合供電、光儲充一體化運行控制，以及不同資源規劃布局過程中的多目標優化思路，針對多站融合場景下各站的優化配置和協調運行策略開展研究。本文在綜合考慮各站功能融合方案基礎上，提出具有較高普適性的多站配置方法及支撐功能融合方案的協調運行策略。

1 多站融合場景下的功能融合方案

利用現有變電站的空余場地和屋頂面積，建設數據中心、儲能站、分布式光伏、電動汽車充電站、5G通信基站等系統或部分系統，具體建設需求應根據多站融合的商業模式和站點周邊業務需求而定。下面就各站的功能輸出、資源需求和相關發展痛點，分析各站間可能的功能融合點，如表1所示，進而形成多站功能融合方案。

表1 多站間的融合功能分析Table 1 Analysis of the integration function among stations

在該融合方案下各站間的能量流交互關系和電氣拓撲如圖1和圖2所示。變電站就近為數據中心、電動汽車充電站和5G通信基站供電，降低損耗；儲能站的部分容量替代數據中心/5G通信基站的不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)設備，其余容量與分布式光伏組成光儲系統給站內負荷供電，實現分布式光伏最大化就地消納，并可基于峰谷電價政策價差套利，降低整站用電成本。

圖1 各站間能量流交互圖Fig.1 Flow chart of energy interaction among stations

圖2 多站融合電氣拓撲Fig.2 Electrical topology of multi-station integration

在多站融合場景下，如果采用鋰電池，通過UPS備用和峰谷價差套利功能聯合應用，在該工況下，將降低鋰電池的充放電深度，進而延長儲能設備的使用年限，為項目收益提供保證，并且在該應用場景下儲能設備每天充放電，從每天的放電電壓數據情況可以觀察電池的健康狀況。圖3為儲能站兼容UPS服務和價差套利功能的容量分配示意圖。

2 多站容量優化配置模型

為使各站的配置滿足在現有變電站內擴展建設方便、后期運行維護方便、系統運行安全等要求，首先設定下列配置原則：

1)數據中心配置原則。數據中心采用室外集裝箱式建設形式，采用40尺標準集裝箱，1臺數據中心40尺集裝箱(包括安全距離)占地面積不小于84 m2(14 m×6 m)。

2)儲能站配置原則。儲能站采用室外集裝箱式建設形式，采用40尺標準集裝箱，1臺儲能站40尺集裝箱(包括安全距離)占地面積不小于153 m2(18 m×8.5 m)。

3)電動汽車充電站配置原則。參考GB/T 51313—2018《電動汽車分散充電設施技術標準》，小型汽車充電停車位面積約2.5 m×5.5 m，計14 m2。

4)分布式光伏配置原則。以最大化利用空間為原則，分布式光伏利用變電站的可用屋頂面積建設，據目前屋頂鋪設分布式光伏的工程經驗，1 kW分布式光伏占用屋頂面積為15～20 m2。

5)5G通信基站配置原則。5G通信基站利用變電站的可用屋頂面積建設，要求可用屋頂滿足5G通信基站的建設要求，面積大于4.5 m2，屋頂高度超過13 m。

基于第1節提出的多站功能融合方案，建立容量優化配置模型。

圖3 儲能站兼容UPS服務和價差套利功能示意圖Fig.3 Schematic diagram of energy storage station compatible with UPS service and price-difference arbitrage

2.1 目標函數

數據中心、電動汽車充電站和5G通信基站均為高用電負荷系統，在變電站內建設上述各站，除滿足周邊業務需求外，還應該著重考慮降低成本。通過儲能系統低儲高發，可以實現降低數據中心、電動汽車充電站和5G通信基站的電費支出。

在此需要注意的是，通過儲能站為數據中心/5G通信基站提供UPS服務，是替換數據中心/5G通信基站原有必須配置的電池設備，是必須的投入，所以用于提供UPS服務的儲能成本不需要考慮。而通過在變電站有限的場地上，建設儲能站通過低儲高發降低多站融合整站電費的應用涉及到儲能的投資收益問題，在優化整站經濟性時，該部分儲能成本必須考慮。

因此，以最低化多站融合場景下整站的年度電費支出和用于價差套利的儲能年投資成本為目標。

(1)

用于低儲高發降低整站電費支出的儲能站年投資成本，假定不考慮儲能正常使用期內的設備更換，為便于分析，根據儲能設備的使用壽命和基準收益率，可將儲能站的總投資成本在壽命期內進行成本分攤，與年維護成本疊加，得到儲能站的費用年值。儲能站的費用年值CA為：

(2)

式中：CP為儲能設備的單位功率成本；CE為儲能設備的單位容量成本；n為儲能設備的使用年限；i為儲能項目投資收益率；Cm為儲能設備的單位運維成本；Q為儲能設備的年放電總量；N1為集裝箱式數據中心臺數；P1、E1分別為單臺集裝箱式數據中心配置UPS設備的電池額定功率和額定容量；N2為集裝箱式儲能系統臺數；PESS、EESS分別為單臺集裝箱式儲能系統的額定功率和額定容量；N5為5G通信基站數量；P2、E2分別為單臺5G通信基站配置UPS設備的電池額定功率和額定容量。

綜上，最低化多站融合場景下整站的年度電費支出和用于價差套利的儲能年投資成本的目標函數可表述為：

(3)

其中：

(4)

2.2 約束條件

1)各設備數量均為非負整數。

2)可用場地約束如下：

規劃建設面積不超出可用場地面積：

84N1+153N2+14N4≤S1

(5)

式中：S1為變電站可利用空地總面積。

以最大化滿足業務需求為原則使用可用場地面積：

(6)

式中：Q1為單臺集裝箱式數據中心計算能力；Qdata為數據中心業務需求量；Cnum為電動汽車充電位需求量。

3)可用屋頂面積約束如下：

最大化使用可用屋頂面積建設分布式光伏：

(7)

式中：S2為變電站可利用屋頂總面積。

4)數據中心配置以業務需求量為上限邊界：

N1Q1≤Qdata

(8)

5)電動汽車充電位配置以業務需求量為上限邊界：

N4≤Cnum

(9)

6)5G通信基站約束如下：

N5≤1

(10)

7)UPS服務約束。由儲能站為數據中心和5G通信基站提供UPS服務時，根據相關國家標準要求，以數據中心的信息技術(information technology，IT)負荷和非IT負荷總最大負荷的1.2倍雙路×15 min配置替換UPS設備的儲能容量，雙路電源需要物理隔離，因此需要配置在2個儲能集裝箱內。為5G通信基站提供UPS服務時，需要滿足提供4 h不間斷電源的容量要求。

(11)

8)布局建設優先級。

從經濟價值角度出發，數據中心的建設優先級高于儲能站和電動汽車充電站，即當N1

儲能站在多站融合場景中起到能源流融合的關鍵支撐作用，儲能系統建設優先級高于電動汽車充電站，但在儲能功率、容量能滿足為數據中心和5G通信基站提供UPS服務的情況下，電動汽車充電位的建設優先級高于更多儲能集裝箱的建設，即當N5

9)儲能站的數學模型[26]。

在運行過程中，儲能站滿足額定功率約束、提供UPS服務的容量備用荷電狀態(state of charge，SOC) 下限約束和安全運行的SOC上限約束：

(12)

SOCmin+(2N1E1+N5E2)/(N2EESS)≤SOCk≤SOCmax

(13)

(14)

(15)

式中：P′kBESS為k時段儲能站的輸出功率；γch為儲能站的充電效率；γdisch為儲能站的放電效率；SOCk為k時段儲能站的荷電狀態；SOC0為儲能站初始時刻的荷電狀態；SOCmax、SOCmin分別為儲能站的荷電狀態上、下限值。

3 多站協調控制策略

多站融合場景由變電站、數據中心、5G通信基站、電動汽車充電站、儲能站、分布式光伏站等構成，其中變電站和分布式光伏站承擔供電作用，數據中心、5G通信基站、電動汽車充電站為負荷，儲能站兼具電源和負荷兩種角色。在供電過程中，數據中心和5G通信基站的供電優先級高于電動汽車充電站，當出現市電中斷情況，由光儲系統繼續為數據中心和5G通信基站供電，覆蓋數據中心和5G通信基站UPS設備的功能范圍。在市電正常供電時段內，以保證用電需求、分布式光伏最大化就地消納、最低化整站的電費支出為原則。在電價高峰時段，儲能系統承擔電源角色，由分布式光儲能系統優先為各負荷系統供電；在電價低谷時段，儲能系統轉換為負荷角色，由市電和分布式光伏系統為各負荷系統供電。協調運行策略流程如圖4所示，具體運行策略如下：

1)實時獲取電動汽車充電站、數據中心和5G通信基站的負荷需求。

2)判斷當前分布式光伏的發電情況。若光伏輸出功率可滿足數據中心、5G通信基站和電動汽車充電站的用電需求，則由光儲系統聯合供電，由儲能系統保證供需平衡和電能質量，多余電力存入儲能系統或饋入電網；若光伏不能滿足用電需求，轉入第3步，判斷市電情況。

3)判斷市電是否正常。若市電故障，則電動汽車充電站停止工作，直到市電正常，由光儲聯合系統為數據中心和5G通信基站供電，至少覆蓋數據中心和5G通信基站UPS設備的功能范圍。若市電正常，轉入第4步，判斷電價時段。

4)判斷電價時段。判斷是否為電價高峰時段，若為電價高峰時段，判斷儲能系統荷電狀態；若為電價低谷時段，由光伏系統和市電為包括儲能系統在內的所有負荷系統供電，該時段儲能系統充電。

5)判斷儲能狀態。根據電池管理系統反饋的SOC狀態，判斷SOC是否滿足約束，若儲能系統的荷電量大于儲能系統最小荷電量與提供UPS服務所需的備用電量之和，且光儲供電功率滿足負荷要求，則由光儲供電；若儲能系統不可放電，由光伏供電、市電補充，儲能系統提供UPS服務，保證給數據中心和5G通信基站的供電電能質量；若儲能系統可放電但光儲供電功率不足，由光儲系統和市電共同供電。

4 算例分析

基于下述計算條件開展典型算例計算：

圖4 協調運行策略流程Fig.4 Flow chart of coordinated operation strategy

1)可用場地面積為1 100 m2；

2)可用屋頂面積為2 000 m2；

3)數據中心集裝箱需求量為10臺；

4)電動汽車充電樁需求量為10個；

5)5G通信基站需求量為1座。

基于前述協調控制策略，在分時電價下，整站的供電情況、儲能站出力及SOC情況如圖5和圖6所示。限于場地有限，分布式光伏配置規模較少，經統計分布式光伏輸出電量約占站內電量總需求的5%，實現了分布式光伏全部就地消納，儲能系統部分容量(SOC的0.10～0.35部分)為數據中心和5G通信基站提供UPS服務，所以該部分電量通常處于備用狀態，其余容量(SOC的0.35～0.90部分)與光伏系統聯合應用，在峰谷價差正常下降低整站電費。從圖6看出，儲能站在電價高峰時段放電，在電價低谷時段充電，經統計儲能站在高峰時段為整站供電電量占整站總電量需求的20%，年度節約電費支出約28萬元，年度儲能投入成本約11萬元，儲能系統帶來凈效益約17萬元/a，用于峰谷價差套利的儲能設備投資回收期不到8 a。

在系統配置過程中選用某數據中心、儲能設備、電動汽車充電樁等產品參數作為計算的邊界條件，計算所涉及參數如下：

1)鋰電池儲能系統單臺儲能集裝箱額定功率為1 MW，容量為1 MW·h；單臺儲能集裝箱(含電池管理系統+集裝箱+儲能變流器)成本約為160萬元；SOC上下限值分別為0.1、0.9；充放電效率為0.95；單位運維成本為0.05元/(kW·h)；循環壽命為4 000次@80%放電深度、10 000次@55%放電深度；項目投資收益率為8%。

2)單臺數據中心UPS設備的電池額定功率為100 kW ，容量為25 kW·h。

3)單臺5G通信基站UPS設備的電池額定功率為4.5 kW，容量為18 kW·h。

基于前述配置模型及算例參數，采用YALMIP/CPLEX進行求解，得到的配置結果為：

1)數據中心集裝箱為10臺；

2)儲能集裝箱1臺(限于場地有限，僅能為數據中心提供1路UPS服務，數據中心需保留1路UPS設備)；

3)電動汽車充電位為7個；

圖5 正常情況下整站供電情況Fig.5 Power supply of the whole station under normal condition

圖6 分時電價政策下儲能系統出力及SOCFig.6 Power output and SOC of energy storage system under TOU price policy

4)5G通信基站為1座；

5)分布式光伏裝機容量為133 kW。

仿真市電故障情況，結果如圖7—9所示。在站內系統正常工作過程中，模擬中午12:00電網發生故障情況(圖7黑色虛線框位置)，市電停止供電， 此時處于電價低谷時段，儲能系統正在充電，SOC約為0.7，故障發生后站內停止為電動汽車充電站供電，由光儲系統為數據中心和5G通信基站提供UPS服務。從圖7看出，由于此時儲能系統荷電狀態較高，為數據中心和5G通信基站供電可超過1 h，覆蓋UPS供電要求。

圖8展示故障發生瞬間由市電切換到儲能系統為數據中心和5G通信基站供電時逆變模塊輸入電壓情況，可看出電壓稍有波動后很快穩定。

圖7 市電故障情況下整站用電情況Fig.7 Power supply of the whole station in case of grid power supply failure

圖8 逆變器輸入側電壓波形Fig.8 Voltage waveform of the input-side of the inverter

圖9 負荷側電壓和電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms on the load side

圖9為數據中心和5G通信基站負荷側電壓波形和電流波形，從仿真結果看，切換過程電壓、電流均沒有較明顯波動，證明了控制策略有效。

5 結 論

本文在分析多站的功能融合方案基礎上，提出了多站融合場景下的配置方法和協調運行策略。以文中變電站可用場地及周邊業務需求為例，推薦的系統配置為數據中心集裝箱10臺、儲能集裝箱1臺、電動汽車充電位7個、5G通信基站1座、分布式光伏裝機容量133 kW。在該場景下，儲能兼容UPS服務和峰谷套利，年度節約電費支出約28萬元，年度儲能投入成本約11萬元，儲能系統帶來凈效益約17萬元/a，用于峰谷價差套利的儲能設備投資回收期不到8 a，同時保證了電動汽車充電、數據中心、分布式光伏等業務拓展，體現了多站融合集約化開發理念的優勢。