高速公路隧道儲能電站的優(yōu)化控制與經(jīng)濟(jì)性分析

■黃培庭 趙維裕 黃鵬程

（福建省高速集團(tuán)泉州管理分公司，泉州 362008）

1 引言

隨著清潔能源生產(chǎn)和使用技術(shù)的快速發(fā)展，核電、 風(fēng)電和電動汽車在電網(wǎng)的應(yīng)用范圍越來越廣，隨之帶來的用電峰谷差值持續(xù)增加、電能分配不均衡等問題加重了電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)的負(fù)擔(dān)[1]。 電化學(xué)儲能技術(shù)具有造價(jià)低、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，因此電化學(xué)儲能技術(shù)可以作為削峰填谷的一種解決方案，深受工程師的重視。 電化學(xué)儲能系統(tǒng)接入高速公路隧道供電系統(tǒng)，不僅可以避開供電系統(tǒng)用電高峰期接入電網(wǎng)以減少電費(fèi)開支、提高用電的均衡性和經(jīng)濟(jì)性、減小設(shè)備維護(hù)次數(shù)和難度、延長設(shè)備更新?lián)Q代的周期，而且有助于清潔能源的消納，同時(shí)獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

在確保行車安全的同時(shí)，還需要考慮用電的均衡性和經(jīng)濟(jì)性，要從根本上對高速公路隧道的供電系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，因此對于高速公路隧道供電系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化控制已成為當(dāng)今交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 本研究中選用的基于鋰電池構(gòu)成的儲能系統(tǒng)具有能量利用率高、 工作電壓大等優(yōu)勢。 儲能系統(tǒng)的應(yīng)用既提升了高速公路隧道供電的可靠性， 又可通過削峰填谷產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。 為高速公路隧道關(guān)鍵設(shè)備提供大容量后備為應(yīng)急供電保障提供可行性方案，而且參與谷時(shí)風(fēng)電、核電等的消納，為國家清潔能源的推廣做出貢獻(xiàn)[2]。

本文的研究目的和研究目標(biāo)如下：（1）隧道是事故多發(fā)地點(diǎn)同時(shí)也是運(yùn)行維護(hù)中較為薄弱的環(huán)節(jié)之一。 一般情況下，高速公路隧道地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，供電規(guī)模較大且分散，建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)等都十分困難。 因此為了更好地保證項(xiàng)目的可行性必須考慮成本的增加和供電穩(wěn)定性要求的提高。 （2）在保證高速公路隧道運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目基于鋰電池構(gòu)成的儲能供電系統(tǒng)可以為高速公路隧道的供電提供一定程度的保證。 在實(shí)際工作中，鋰電池的電極材料會隨著運(yùn)行導(dǎo)致容量損失和電阻增加，甚至可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。 因此鋰電池作為儲能系統(tǒng)的核心，在保障安全運(yùn)行下的控制及經(jīng)濟(jì)性分析也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)。 （3）由于清潔能源的發(fā)展將有更多清潔能源接入到電網(wǎng)中，可能導(dǎo)致用電高峰與低谷差距在不斷拉大導(dǎo)致電網(wǎng)的運(yùn)行困難，因此電網(wǎng)公司通過實(shí)行峰谷高低電價(jià)來鼓勵用戶將用電負(fù)荷從峰時(shí)轉(zhuǎn)移到谷時(shí)。 為了更好地體現(xiàn)該項(xiàng)目中儲能系統(tǒng)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，該儲能系統(tǒng)必須針對電網(wǎng)電價(jià)的情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略。

2 儲能系統(tǒng)概況

朋山嶺隧道由泉州北線路與洛江線路2 條10 kV 高壓母線接入（見圖1）。主供電電源為泉州北線路，備用供電電源供電為洛江線路[3]。 根據(jù)2018 年5 月的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)分析可得負(fù)荷有功功率平均值為41 kW·h。 其中，8∶30-11∶30 為70 kW·h，14∶30-17∶30 為57 kW·h，19∶00-21∶00 為23 kW·h。 因此，經(jīng)過計(jì)算， 計(jì)劃選用的隔離變壓器裝機(jī)容量為696 kW，50 kW/150 kW·h 的儲能系統(tǒng)的額定功率為50 kW，總?cè)萘繛?50 kW·h。 與此同時(shí)，儲能系統(tǒng)還可以作為朋山嶺隧道隧道備用電源，減少了隧道監(jiān)控及應(yīng)急電源UPS 的投入及鉛酸電池的定期檢測和更換需求，減少了技術(shù)人員的工作量。 經(jīng)過估算儲能系統(tǒng)及相應(yīng)線纜預(yù)計(jì)費(fèi)用在70 萬左右。儲能系統(tǒng)不僅可以作為應(yīng)急電源使用，還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，降低用戶的發(fā)電成本，提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。 投入使用后預(yù)計(jì)可運(yùn)行10 年左右，節(jié)約費(fèi)用48 萬元左右。

圖1 儲能系統(tǒng)的組成

由圖1 所示，儲能系統(tǒng)主要由鋰電池儲能單元、能量轉(zhuǎn)換模塊、智能管理系統(tǒng)和輔助設(shè)備組成[4]。 儲能單元由鋰離子電池組級聯(lián)構(gòu)成， 采用集成式設(shè)計(jì)，裝配、更換和維護(hù)難度低；能量轉(zhuǎn)換模塊由功率變換器構(gòu)成，主要進(jìn)行電能形式的變換和并網(wǎng)離網(wǎng)狀態(tài)的切換，用戶可以通過能量轉(zhuǎn)換模塊自動或手動實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)能量流動方向的切換；智能管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對儲能單元進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與保護(hù)，對系統(tǒng)的故障進(jìn)行預(yù)警和消除，是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵所在；輔助設(shè)備由監(jiān)控、安防、環(huán)境監(jiān)測模塊構(gòu)成，隧道儲能電站地處偏僻山區(qū)， 一般情況下無人值守，輔助設(shè)備不僅可以減少公司人力資源管理的壓力，還可以避免人為誤操作導(dǎo)致的事故。 此外，儲能系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至電腦端和移動端，方便用戶查看。

3 智能優(yōu)化控制策略

利用儲能系統(tǒng)在負(fù)荷谷時(shí)從電網(wǎng)吸收電能，在負(fù)荷峰時(shí)釋放電能以避免從電網(wǎng)輸入功率的“快速吞吐”特性，不僅可以緩解高峰期電能“供不應(yīng)求”的問題，還可以減少用電設(shè)備的維護(hù)次數(shù)，延長用電設(shè)備更新?lián)Q代的周期，實(shí)現(xiàn)多贏的局面。 該項(xiàng)目針對的儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷的智能優(yōu)化控制策略，主要有兩步設(shè)計(jì)[5]：一是根據(jù)單日預(yù)測負(fù)荷曲線，確定單日大致的運(yùn)行計(jì)劃，即規(guī)劃儲能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)充放電狀態(tài)；二是根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷值及系統(tǒng)運(yùn)行情況，確定儲能系統(tǒng)充放電功率的大小，并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)初步制定的充放電計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。

鋰電池儲能系統(tǒng)在參與電網(wǎng)的削峰填谷時(shí)具有各種約束條件， 只有保持在約束條件下工作，儲能系統(tǒng)才能可靠的運(yùn)行，發(fā)揮其最大的優(yōu)勢。 本項(xiàng)目加入了對電池儲能基本單元的容量、充放電功率約束和備用電源剩余電量約束。 此外，還加入了對電池儲能基本單元的動作次數(shù)約束來延長電池儲能系統(tǒng)的工作年限。 本項(xiàng)目所采用的智能優(yōu)化控制策略，就是根據(jù)預(yù)測出的日負(fù)荷數(shù)據(jù)，考慮上述對電池儲能基本單元的約束，確定儲能系統(tǒng)的充放電功率最大值與最小值，再與預(yù)測負(fù)荷數(shù)據(jù)相比確定每一時(shí)刻的充放電功率，具體公式如下所示：

式 （1） 中，Pd、Pc分別為負(fù)荷峰谷期間的負(fù)荷值；P1為儲能系統(tǒng)充電功率最小值；P2為儲能系統(tǒng)放電功率最大值；Δt 為單位時(shí)間；E 為電池儲能系統(tǒng)的容量；Pmax、Pmin為負(fù)荷的峰谷值；Pav為日負(fù)荷平均功率，T 為單日儲能系統(tǒng)運(yùn)行總時(shí)間，t 為儲能系統(tǒng)工作的某一時(shí)刻。 此外，充電總功率要大于等于放電總功率以保持儲能系統(tǒng)存在剩余電量作為備用電源容量，且單次充放電的電量均要小于儲能系統(tǒng)的總?cè)萘俊?/p>

綜上所述得出基于此種智能優(yōu)化控制策略的主要步驟如下：

（1）根據(jù)預(yù)測出的負(fù)荷數(shù)據(jù)的峰谷值確定充放電功率P1與P2；

同時(shí)應(yīng)滿足以下約束條件[6]：

式中，Ec表示充電總能量，Ed表示放電總能量，ε 為接近零的常數(shù)。 當(dāng)上述約束條件沒有同時(shí)滿足時(shí)，需要返回P1=P1+ΔP,P2=P2-ΔP 迭代過程。

（3）計(jì)算出儲能系統(tǒng)動作狀態(tài)切換的臨界功率值， 根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的負(fù)荷數(shù)據(jù)判斷儲能系統(tǒng)工作在什么狀態(tài)。 當(dāng)實(shí)際負(fù)荷小于所確定的儲能系統(tǒng)放電功率最小值P1時(shí)， 儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際負(fù)荷在區(qū)間[P1, P2]內(nèi)時(shí)，儲能系統(tǒng)不動作；當(dāng)實(shí)際負(fù)荷大于所確定的儲能系統(tǒng)充電功率最大值P2時(shí)，儲能系統(tǒng)工作在充電狀態(tài)。 其具體流程圖見圖2。

圖2 儲能系統(tǒng)控制流程

由圖2 所示，首先預(yù)測出單日負(fù)荷用于確定充放電功率P1和P2的大致范圍， 并計(jì)算日負(fù)荷平均功率，確定迭代步長；其次，以Pav為中心，為步長△P 進(jìn)行迭代， 在迭代的同時(shí)需要滿足約束條件公式（2）、（3）、（4）；接著在迭代完成后計(jì)算出儲能系統(tǒng)動作狀態(tài)切換的臨界功率值；最后將實(shí)際負(fù)荷和臨界負(fù)荷作實(shí)時(shí)比較來確定儲能系統(tǒng)動作與狀態(tài)切換的時(shí)間。 經(jīng)過上述方法對儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制能夠很好地降低峰谷差， 從而達(dá)到削峰填谷的效果。

4 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本主要由初始投資成本和保證儲能系統(tǒng)正常工作運(yùn)行所花費(fèi)的成本即運(yùn)維成本組成。

4.1 初始投資成本

儲能系統(tǒng)主要由電池組、變壓器、控制模塊和功率變換器（PCS）組成。 投資成本即為購買和安裝這些設(shè)備所花費(fèi)的成本。 儲能系統(tǒng)的投資成本主要與電池儲能基本單元的額定容量和額定功率相關(guān)。容量投資成本由電池儲能基本單元的容量有關(guān)，不同容量的電池制造工藝不同，電池的容量投資成本也不同。 與此同時(shí)，儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換模塊主要由PCS 和控制部分組成，因此與之相關(guān)的成本稱為功率投資成本。 綜上，初始投資成本如式（5）所示：

SP.E=Ci_p·Pi+Ci_E·Ei（5）

式中，Ci_p表示儲能系統(tǒng)單位功率成本；Ci_E表示儲能系統(tǒng)單位容量成本，Pi表示儲能系統(tǒng)的單位功率，Ei表示儲能系統(tǒng)的單位容量。

4.2 系統(tǒng)運(yùn)維成本

儲能系統(tǒng)的運(yùn)維成本主要分為其運(yùn)作時(shí)所需的費(fèi)用和為了保證其正常運(yùn)作所投入的檢修等費(fèi)用。 具體包括電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與維護(hù)，電池的日常狀態(tài)監(jiān)測，儲能系統(tǒng)的故障預(yù)警與消除等。 一般情況下， 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性收益大致包含：（1）儲能系統(tǒng)延長使用年限和升級周期獲得的年收益；（2）儲能系統(tǒng)在減少輸送電能時(shí)產(chǎn)生損耗獲得的年收益；（3）儲能系統(tǒng)參與削峰填谷同時(shí)作為備用電源降低其他備用電源的容量獲得的年收益；（4）儲能系統(tǒng)的環(huán)境收益；（5）儲能系統(tǒng)運(yùn)行所獲得的直接收益；（6）政策補(bǔ)貼。

4.3 基于遺傳算法的經(jīng)濟(jì)型評估算法

根據(jù)上述對儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的分析，儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行建模，以經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行全局搜素尋優(yōu)。 本項(xiàng)目將遺傳算法與儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷的模型相結(jié)合對儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析研究，基于遺傳算法的經(jīng)濟(jì)性評估算法流程見圖3。

圖3 基于遺傳算法的經(jīng)濟(jì)型評估算法流程

通過經(jīng)濟(jì)評估算法可以更好地對儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估，以便更好地保障儲能系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。 計(jì)劃選用的儲能系統(tǒng)的額定功率為50 kW，總?cè)萘繛?50 kW·h。與此同時(shí)，儲能系統(tǒng)還可以作為朋山嶺隧道隧道備用電源，減少了隧道監(jiān)控及應(yīng)急電源UPS 的投入，鉛酸電池的定期檢測和更換需求，減少了技術(shù)人員的工作量，即為延長使用年限和升級周期所獲得的收益。 經(jīng)過估算儲能系統(tǒng)及相應(yīng)線纜預(yù)計(jì)費(fèi)用在70 萬元左右，但是也減少了電能長距離運(yùn)輸?shù)膿p耗。 儲能系統(tǒng)不僅可以作為應(yīng)急電源使用， 還可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷， 降低用戶的發(fā)電成本， 提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，且為國家早日實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰做出了貢獻(xiàn)。 最終，投入使用后預(yù)計(jì)可運(yùn)行10 年左右，節(jié)約費(fèi)用48 萬元左右。

4.4 仿真實(shí)例

從智能優(yōu)化控制策略與經(jīng)濟(jì)效益分析兩個(gè)方面，對泉三高速公路朋山嶺隧道采用儲能系統(tǒng)進(jìn)行削峰填谷進(jìn)行仿真； 一方面基于峰谷分時(shí)電價(jià)，控制優(yōu)化目標(biāo)為最佳，采用智能優(yōu)化控制，得出泉三高速公路朋山嶺隧道單日充放電控制策略；另一方面構(gòu)建儲能系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)成本和峰谷分時(shí)電價(jià)影響下的經(jīng)濟(jì)性模型，突出儲能系統(tǒng)的合理優(yōu)化運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)成本、峰谷分時(shí)電價(jià)等方面的優(yōu)勢，并預(yù)測在不同的經(jīng)濟(jì)成本與峰谷分時(shí)電價(jià)時(shí)儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益走勢；為儲能系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行與優(yōu)化控制提供參考依據(jù)。

圖4 為福建省泉州市地區(qū)某一天不同時(shí)間段的電價(jià)。 經(jīng)過優(yōu)化控制后的儲能系統(tǒng)在當(dāng)天的充放電仿真曲線如圖5 所示。 遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)由儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性收益構(gòu)成，以經(jīng)濟(jì)性收益最高為目標(biāo)， 同時(shí)滿足優(yōu)化控制策略制定的所有約束條件，且在主電源供電正常的情況下單日內(nèi)的儲能系統(tǒng)充放電電量相等，既保證了儲能系統(tǒng)作為備用電源的使用，同時(shí)也使儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)削峰填谷后降低了用電成本，響應(yīng)國家增效減排的倡議。

圖4 峰平谷分時(shí)電價(jià)

圖5 儲能系統(tǒng)充放電出力曲線

5 結(jié)語

近年來，經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、用電量逐年上升，電力系統(tǒng)的負(fù)荷峰谷差值不斷拉大， 暴露出用電不均衡、設(shè)備利用率不足等問題。 儲能作為一種實(shí)現(xiàn)簡單、成本低廉、技術(shù)成熟的手段成為了電網(wǎng)削峰填谷的重要組成部分。 儲能技術(shù)不僅能平滑負(fù)荷，還能提升項(xiàng)目的效益。 為了最大化地提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制和經(jīng)濟(jì)效益研究是十分重要的。 本文以泉三高速段的朋山嶺隧道儲能系統(tǒng)為例，分析了儲能系統(tǒng)在新能源調(diào)度控制上的優(yōu)勢并說明了工程概況，進(jìn)而對該項(xiàng)目所用的智能優(yōu)化控制策略進(jìn)行了說明，并且在其基礎(chǔ)上對儲能電站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了簡要分析；提出了可以利用儲能系統(tǒng)削峰填谷時(shí)的高低電價(jià)差進(jìn)行盈利的優(yōu)化策略， 驗(yàn)證了所提優(yōu)化控制策略的有效性和經(jīng)濟(jì)性，最終為該項(xiàng)目的供電保障功能和經(jīng)濟(jì)性提供了理論基礎(chǔ)。