用户侧峰谷套利场景下储能电站功率分配策略与需求侧响应集成

摘要：电化学储能电站对电能的时空迁移属性使其成为提高电网电能质量的有效调节手段，而如何提高其调峰效率与调节能力是提升储能电站利用率的关键。基于能量管理系统分配算法，设计了能提高目标值分配效率、减少调节次数的高效优化分配策略，并在现场进行了工程实施。首先，介绍了典型电网侧储能电站的基本组成结构及现场配置；其次，介绍了传统的平均分配策略逻辑，并在此基础上提出了基于高效调节的逐台优化分配策略；*后，通过现场工程应用，验证了优化后的分配算法具备稳定调节、减少调节次数的能力

关键词：储能电站；能量管理系统；策略优化；工程应用

0引言

储能系统能够存储并释放电能的特性是解决风光发电等新能源功率输出分时波动等问题的重要手段。电化学储能具有能量密度大、安全性高、占地面积小、调峰能力强等优点。与飞轮储能、压缩空气储能等机械储能及熔融盐储能等热力储能方式相比，电化学储能在我国已进入广泛建设阶段，各地政府及企业都在积极布局和推动电网侧电池储能电站建设。

电化学储能电站由能量管理系统（EnergyManagementSystem，EMS）控制，其控制策略与分配逻辑决定了储能电站的全站响应能力、稳定控制与运行寿命。稳定且高效的能管系统控制策略能够帮助储能电站实现良好的暂态支撑-稳态控制特性，同时能够延长电池组的使用寿命，提高了系统操作的运行安全性及经济效益。众多学者针对储能机组控制策略优化展开了大量研究。陈丽娟等根据AGC考核指标与调峰经济性进行约束，提出了优化的储能充放电策略，经过算例分析得到日均效益提升3.16倍的效果。彭昊等以多电池簇健康度优化为目标，利用层次分析法对多台机组进行权重分配，借助模拟分析实现了电厂整体寿命相较传统分配策略40.6%的延长。茆书睿等借助EMS系统实现储能集群电站间SOC的平均分配调节，使用基于电池状态的双层调度优化模型能够在考虑电池组SOH的基础上，实现储能厂站间的集群SOC调节。

为实现储能电站调节的快速响应与功率分配优化，本文依托江苏某储能电站工程调试经验，提出了一种高效分配且调节友好的储能优化控制策略。首先，介绍储能电站物理及通信结构；其次，建立以降低储能调节次数及优化功率调节的优化控制策略，同时考虑储能充放电转换调节；*后，通过在储能电站进行实际工程应用，验证所提分配策略的有效性。

1储能控制系统

储能电站控制系统主要由能量管理系统、储能变流器（PowerConversionSystem，PCS）、电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）构成。其中，BMS对应单个电池堆，PCS对应单台储能机组，EMS对应全站［8］。EMS可借助 IEC104等通信规约与下属PCS通信，获取PCS上传的实时信息，并可远程对PCS进行遥控遥调等操作。同时，EMS可以与BMS通信，实时获取电池单元的温度、电压以及告警等信息。EMS可以对这些信息进行汇总计算，并在PCS或BMS发送告警信号时进行保护动作，以保证整个储能电站的运行安全性。

1.1电池管理系统（BMS）

BMS用于监测及管理电池单体及电池组，是储能电站中维持电池安全运行的重要一环。储能电站中的电池单体普遍采用磷酸铁锂电池，当电池因短路等故障导致温度过高时，有可能导致电池自燃、爆炸等事故。作为BMS的组成单元，电池管理单元（BatteryManagementUnit，BMU）负责监控单个电池包中每个电池单体的状态，并将信息汇集至BMS中。BMS提供的电池组SOC及电压电流等电池状态是储能电站分配策略的重要参数之一。

1.2储能变流器（PCS）

储能变流器能够实现电能的双向转换，是储能电站重要的组成部分。PCS能够将电网中的交流电转化为直流电用于电池充电，也能将直流电转化为交流电以供电网负荷使用。根据运行方式，PCS可分为并网以及离网两种模式。并网模式下，PCS在提供站内负荷电能的同时，也能从电网接收或供给电能；离网模式下，PCS则直接为站内负荷供电。

1.3能量管理系统（EMS）

作为控制储能单元分配的重要组成部分，储能EMS的功能为接收充放电指令，并按一定分配策略将机组功率目标值下发给每台储能单元PCS，实现电网与储能机组间的通信。同时，EMS也会从BMS实时获取储能电站电池的运行状态、告警信息、电池组状态等数据，并将其进行处理得到当前电站的整体运行状态，实现优化调度、功率快速调节，使用基于电池状态的双层调度优化模型能够在考虑电池组SOH的基础上，实现储能厂站间的集群SOC调节。

为实现储能电站调节的快速响应与功率分配优化，本文依托江苏某储能电站工程调试经验，提出了一种高效分配且调节友好的储能优化控制策略。首先，介绍储能电站物理及通信结构；其次，建立以降低储能调节次数及优化功率调节的优化控制策略，同时考虑储能充放电转换调节；*后，通过在储能电站进行实际工程应用，验证所提分配策略的有效性。

2储能分配策略优化

对于电网侧储能，现有的EMS普遍采用对有功功率目标值取平均的方式进行储能分配，将目标值均匀分配给全部可用机组，其逻辑框图如图1所示。

图1未优化的平均分配算法逻辑框图

假设共有n台机组，其中m台为可用机组（n≥m≥1），每台储能机组的额定充/放电功率为Pn，下达的输出目标值为Pt（Pt<n×Pn），目标值为正表示放电，目标值为负表示放电。根据平均分配策略，下达有功指令后，每台可用机组收到的运行目标值Ps为：Ps=（1）

式中：m为可调机组数；Pt为有功目标值。

采用这种分配策略的EMS将在每次收到目标值后对所有可用机组下达指令进行功率调节，与当前的机组运行状态无关。

这种分配策略结构简单，能够缩短调节时间，但由于其调节机组数量多，当调节频率较高时，单台机组调节出现调节精度偏差或响应不及时等问题会导致全站输出功率出现波动，甚至出现超调或调节不达标等问题。

为解决该问题，优化后的算法将调节目标值Pt与单台机组额定功率Pn进行比较，若有功目标值Pt低于单机额定功率Pn，则由单台机组负责调节；若Pt大于Pn，则调节单台机组至额定功率满发，并将剩余目标值继续与下台可用机组进行比较分配，直到剩余的目标值小于额定功率为止，具体逻辑图如图2所示。不同情况下储能机组的分配公式为：

（2）

式中：n>m>1；mPn>Pt>（m-1）Pn。

图2优化算法逻辑框图

与平均分配相比，这种优化分配策略理论上需要更多的运算时间，但通过逐台判断能避免储能机组与PCS的频繁启停，提高了分配效率、延长了运行寿命。针对需根据指令频繁调节有功出力的储能机组，这种分配策略能有效减少调节次数，降低机组动作频率。

3分配策略测试结果

3.1测试储能电站简述

江苏某10MW/20MW·h储能电站共配置单套容量为3.45MW/6.736MW·h的储能集成系统3套，3套储能单元接至10kV储能开关站母线，每套储能单元均包含2台1.725MW/3.368MW·h储能电池及2台PCS，每套储能电池接入1台PCS。3个储能单元共计6套电池舱，每套电池舱内含10组电池簇、60组电池堆，其中，40组电池堆内每个堆包括64个电池单体，其余20组电池堆内包括60个电池单体，全舱总计3760个电池单体；全站共计60组电池簇、360组电池堆、22560个电池单体。

图3储能电站结构图

3.2测试工况

本文根据图4展示的标准输出功率阶跃工况，测试优化前后分配策略的可靠性。标准阶跃工况设定为每次输出功率阶跃为1MW，自0开始增加到额定充电功率后增加到额定放电功率，并逐渐降低至0，共计21次调节。实验开始时的参数如下：储能系统直流电压为690V，电网电压为10000V，SOC1为50%，SOC2为50%，SOC3为50%，SOH1为99%，SOH2为99%，SOH3为99%。

图4实验测试工况

3.3输出功率阶跃的影响

3.3.1小功率阶跃的影响

首先进行了两种算法在增加1MW输出时的阶跃响应测试，3台机组的输出功率响应曲线如图5（a）所示。由图5（a）可知，在不同分配策略下，机组均在下达指令后1s开始动作，并在4s内调节完毕。由于有功阶跃为1MW，平均分配策略下3台机组调节有功分别为0.34MW、0.34MW、0.36MW，其调节曲线基本符合线性关系。使用优化分配策略的机组将有功全部分配给1#机组，在调节至1.01MW后实现稳定，其调节曲线呈先快后慢的趋势。图5（b）展示了两种分配策略下全站的机组有功。不同分配策略下的有功调节曲线与单台机组相似，未优化下的平均分配策略呈线性关系，其在达到有功目标值后出现了短暂的超调现象，在1.04MW下维持1s的时间。优化后调节曲线变为先快后慢，且未出现超调情况。优化后的分配策略能够在应对阶跃调节时保证调节响应速度一致，同时由于其控制机组较平均分配调节更少，因此也不易出现超调或调节速度不稳定的情况。实验数据1如表1所列。

表1实验数据1

图5两种算法在增加1MW输出时的阶跃响应实验

3.3.2大功率阶跃的影响

进行了两种算法在由放电10MW输出调节至充电10MW输出时的阶跃响应测试，3台机组的输出功率响应曲线如图6（a）所示。可以看到机组均在下达指令后1s开始动作，并在4s内调节完毕，优化后的机组相较优化前可将调节时间缩短至3s。有功阶跃为20MW，平均分配策略下3台机组调节有功分别由10MW调节至-3.346MW、-3.366MW、-3.284MW，其调节曲线基本符合线性关系。使用优化分配策略的机组将有功分配给3台机组，其中，1#机组与2#机组功率较大，为3.459MW、3.462MW，3#机组分配功率较小，为3.041MW，其调节曲线呈先快后慢的趋势。整体比较调节误差，两种分配策略调节精度均在99%以上，误差较小。实验数据2如表2所列。

表2实验数据2

图6两种算法在由放电10MW输出调节至充电10MW输出时的阶跃响应实验

3.4调节次数的影响

图7为全工况下的储能机组动作次数。

测试工况共有21次调节指令下达。输出功率出现调节阶跃后，采用未优化的平均分配策略控制下的储能电站，每次母线有功目标值的改变都会影响单台机组目标值的变化，因此每台机组都会进行调节，3台机组各动作21次。使用优化算法后，机组在面对小功率阶跃时能够减少机组的启停及调节次数，降低了电池组的电压扰动。

由图7可知，使用优化后的储能分配策略能在储能电站面对较小阶跃目标时保持单台调节，减少了多台机组动作次数。3台机组平均调节次数为9次，相较平均分配策略减少了60%的调节次数，证明优化的分配策略能显著减少分配次数，降低机组调节频率，有助于延长机组使用寿命。

图7全工况下储能机组动作次数

4 Acrel-2000ES储能柜能量管理系统

4.1系统概述

安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。

4.2系统结构

Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下：

4.3系统功能

4.3.1实时监测

系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。

4.3.2设备监控

系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。

PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。

BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。

空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。

UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。

4.3.3曲线报表

系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。

4.3.4策略配置

满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。

4.3.5实时报警

储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。

4.3.6事件查询统计

储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。

4.3.7遥控操作

可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。

4.3.8用户权限管理

储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

4.3.9安科瑞配套产品

5 结论

本文针对主流电网侧储能电站EMS采用的平均分配算法导致机组调节次数多、频繁启停等问题进行优化，开发了逐台分配的优化分配策略，并借助储能电站进行实际测试，证实优化后的储能分配策略具备稳定出力，减少调节次数的优点，且调节时间与平均分配相近，主要结论如下。

（1）提出的优化算法能在保证与平均算法相同的调节速率下，在小功率阶跃下在维持调节的稳定性同时提升2.9%的调节精度，同时能避免超调发生；在大功率阶跃下调节稳定性与平均算法相同，且能保证更短的调节时间。

（2）采用优化后的分配策略在应对小功率调节时能够有效减少机组动作次数，在应对20次小功率调节下，单台机组调节次数能够减少60%，应对充放电反向等大功率调节状态则不受影响。