蓄电池储能削峰填谷的简便算法

李留学，韩 冬，李 明

(1.东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉林省吉林市供电公司 用电营销部，吉林 吉林 132011)

随着经济的飞速发展，电力消费用户不断增加［1－2］，使得用电的峰谷差急剧变大。为有效使用电能，并满足电力用户需求，通常利用蓄电池储能进行削峰填谷，用电高峰时一部分负荷由蓄电池来供应，用电低谷时一部分电能用蓄电池来储存［3－5］。这样用电的峰谷差就会变得小一些，负荷曲线就会变得相对平坦，从而延迟了系统容量的升级，提高了设备的利用效率，有利于电网的经济运行［6］。

要实现蓄电池的削峰填谷，首先应对已经预测的日负荷曲线进行优化［7］，以便得出24 h的蓄电池储能装置的最优充放电方法，也就是电池在每个时刻是否应该充放电以及充放电的功率是多少;其次就是实时地进行控制，通过对最优方法的分析计算，得出变流器中可控开关器件的工作状态并发给变流器［6，8］。本文提出了蓄电池储能削峰填谷的简便算法。

1 蓄电池储能装置充放电优化模型

本模型不计电池自身能量的耗损以及电池爬坡约束的影响。

1.1 优化对象

在使用这种方法时，需要优化的对象是每次电池充放电功率p(i)和充放电的开始时间Tstart(i)及结束时间 Tstop(i)，i=1，2，…，n，n 是一天当中蓄电池的充放电次数。这里规定，电池充电时功率是正值，放电时功率是负值。

1.2 目标函数

目标函数是使负荷的方差最小化。方差越大，负荷曲线峰谷差越大，曲线就越不平坦;方差越小，负荷曲线峰谷差越小，曲线也就越平坦［9］。这里将一天平均分成a个时间段，目标函数如下:

式中，D1(j)是通过削峰填谷后第i个时间段上负荷的大小，j=1，2，…，a。

1.3 约束条件

1)负荷大小的约束为

式中:D0(j)(j=1，2，…，a)是第 j个时间段中负荷的预测值;sign(x)是符号函数。

当 j在 Tstart(i)与 Tstop(i)(i=1，2，…，a)之间时，D1=D0+p(i)，当 j为其它值时，D1=D0。

2)时序约束为

3)功率约束为

式中，Pmax为允许的电池最大充放电功率。

4)蓄电池容量约束为

式中:Vlow和Vhigh分别表示蓄电池电量的最低值与最高值，Vinitial和Vfinal分别表示蓄电池电量的初始值与终值。

从上面所列出的模型可以看出，约束中有很多表达式都是非线性的，再加上sign(x)的不连续性，给求解带来了很大的难度。

2 蓄电池储能削峰填谷的简便算法

典型日负荷曲线如图1所示。

图1 典型日负荷曲线Fig.1 Typical daily load curve

从图1可以看出，大约在09:00－11:00、14:00－17:00和18:00－22:00这三个时间段中各有一个负荷高峰，在02:00－08:30、11:30－13:00和22:00－00:00这三个时间段中各有一个负荷低谷。根据每个负荷高峰与负荷低谷的持续时间，可以在02:00－08:30期间给电池充电一次，在09:00－11:00和14:00－17:00这两个负荷高峰时间段让电池放电。因为负荷的功率要比蓄电池功率大很多，所以用最大功率使电池进行充放电。放电时间和充电时间是相等的，即

确定充放电的起止时刻的原理如下:

将一条平行于时间轴的水平线从下到上以很慢的速度平移，这时水平线将与负荷曲线的02:0008:00区间的低谷相交，直到相交区间的时间为T，这样就找到了充电时段。这个时段的起始时刻就是电池开始充电的时刻，时段的结束时刻就是电池充电的结束时刻。以同样的方法，当水平线从上到下平移时，就会找到电池的放电时段。

3 蓄电池储能装置的实时控制

为了能更好地对蓄电池储能削峰填谷实现控制，需要将事先已经优化出的最优充放电方法、实际的负荷曲线以及电池的荷电状态加以综合考虑，最终确定充放电起止时刻和充放电功率的大小，从而实现控制。

3.1 电池充放电起止时刻

1)如果预测的负荷曲线和实际负荷曲线二者的负荷高峰时段与低谷时段完全相同，只是高峰与低谷的高低有些不同，那么当负荷功率远大于蓄电池储能装置的功率时，最优充放电方法与之前预测得出的最优充放电方法相同。

2)如果预测的负荷曲线和实际负荷曲线在形状上相同，而在垂直方向不同，则此时的最优充放电方法与之前预测得出的相同。

3)如果实际负荷曲线的负荷高峰和负荷低谷延迟到达或提前到达，则应用负荷阈值来决定电池的充电和放电的起始时间，当实际负荷达到阈值时，开始充电和放电。充放电的终止时刻则与之前优化的相同。

3.2 电池充放电的功率

如果充放电的开始时间由负荷阈值来确定，那么这时需重新计算充放电的功率，此时的充放电功率是之前预测得出的充放电总能量与充放电时间之比，而且充放电功率应该满足－Pmax≤p(j)≤Pmax;j=1，2，…，n。

4 实际应用案例

深圳宝清储能站监控页面如图2所示。图2中上部的实线是储能站的预测负荷曲线，虚线是储能装置削峰填谷后的结果;下部是蓄电池的出力曲线。其中横坐标代表时间，纵坐标的单位是功率。

图2 深圳宝清储能站监控页面Fig.2 Shenzhen Baoqing storage station monitoring page

由深圳宝清储能站的削峰填谷案例可以看出，运用此简便算法削峰填谷，有效地减小了负荷的峰谷差，有利于电网的经济运行。

5 结语

提出的应用于蓄电池储能削峰填谷的简便算法，可根据预测出的日负荷曲线进行优化并快速地求解出蓄电池装置在一天中的充放电情况。实际应案例表明，该算法用起来方便快捷，能够适用于蓄电池储能装置一天充电一次、多次放电的情形，但对一天中充电与放电混合交叉的情形不适用。

［1］ 丁明，张颖媛，茆美琴，等.包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化［J］.中国电机工程学报，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，高志华，等.峰谷分时电价的成本效益分析模型及其应用［J］.电网技术，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］ 李正烁，郭庆来，孙宏斌，等.计及电动汽车充电预测的实时充电优化方法［J］.电力系统自动化，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］ 汪卫华，张慧敏，陈方.用削峰填谷方法提高供电企业效益的分析［J］.电网技术，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］ 张文亮，丘明，来小康.储能技术在电力系统中的应用［J］.电网技术，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］ 陈满，陆志刚，刘怡，等.电池储能系统恒功率削峰填谷优化策略研究［J］.电网技术，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］ 李国庆，张慧杰，王鹤，等.计及储能装置削峰填谷的微网优化运行［J］.电测与仪表，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］ 鲍冠南，陆超，袁志昌，等.基于动态规划的电池储能系统削峰填谷实时优化［J］.电力系统自动化，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，刘志祥.大工业用户运用峰谷电价差参与电网削峰填谷的实践［J］.电力需求侧管理，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.