用于应急的移动储能系统集群协同控制综述

2022-03-18李建林方知进李雅欣曾伟

电力建设 2022年3期

李建林,方知进,李雅欣,曾伟

(1.北方工业大学储能技术工程研究中心,北京市 100144；2.国网江西省电力有限公司电力科学研究院,南昌市 330096)

0 引言

近年来，移动式储能技术的研究和应用受到全世界的重点关注，取得了很大进步。美国、俄罗斯、英国等国家均制定了有关产业发展规划，并实施了很多促进和支持移动储能技术发展的政策。在中国，随着“碳达峰、碳中和”的提出，清洁能源大量并入电网，储能配套设施占比越来越高，储能行业得到空前发展。移动式储能技术被看作智能配电网建设和微电网发展不可或缺的关键技术，在实现“十四五”及中长期新型储能发展目标的过程中，在面对可再生新能源、应急场景新需求带来的挑战中发挥重要作用。移动储能关键技术的发展符合绿色能源可持续发展需求，有助于促进我国“碳达峰、碳中和”工作的加速进行。

目前，国家发改委发布的《电力可靠性管理办法》征求意见公告，明确指出鼓励电网、发电企业和电力用户合理配置必要的储能设施，推进源网荷储一体化和多能互补发展，增强电力系统的综合调节能力。并且，重要电力用户需按规定配置自备应急电源，容量需达到保安负荷的120%。区外来电、新能源发电、不可中断用户占比高的地区，应适当提高负荷备用容量。各项政策与措施为移动储能技术的有序发展提供了保障。

应用移动储能系统可以有效改善使用传统移动式应急储能电源储能容量少、储能时间短的缺点，满足现实场景需求。合理的移动储能系统控制策略可以实现储能系统在多元复杂环境下灵活、安全、快速响应，可以实现储能系统在广域中的多点调度。因此，建设面向应急场景的移动储能系统的优势明显、需求迫切，研究移动储能系统和移动储能系统协同控制技术有重大意义。

本文以应急需求为背景，首先结合应急场景特性梳理移动储能的发展历程与应用现状；其次，分析移动储能系统的模型与架构；然后，归纳移动储能系统集群控制的研究现状，分析移动储能集群与多电力主体多智能体协同控制技术，并对其可行性进行分析；最后，对移动储能系统及其控制的发展给出意见，为后续的移动储能系统建设提供借鉴与参考。

1 应急移动储能的发展历程与现状

1.1 移动储能发展历程

移动式应急电源是移动储能的初级形态。移动式应急电源一般以车载为主，由最初的柴油发电机供电发展到现在的化学电池供电。相较以往柴油发电机，化学电池具有环境、噪声污染低，可满足用户的多种需求、输出电能质量较高、运行和维护成本低等优点。但是，受移动式应急电源储能车容量的影响，应急电源的供电时间和容量得不到保证。文献[1-2]讨论了目前我国移动式储能应急电源设备与移动式储能电源的关键技术，对“可调度”单元与移动式储能系统联合运行的模拟方法进行了介绍，对移动式储能应急电源的发展做了初步分析。

随着移动储能系统的发展，移动式应急储能电源成为了移动储能系统的重要部分。移动储能系统可以克服移动式应急储能电源的限制，在保证自身荷电状态足以满足电力服务需求的同时，参与应急场合突发需求和备用辅助等多种应用场景。且移动储能系统可为电力系统预留上下调节的备用容量，以应对随时可能发生的应急情况。在经济性方面，移动储能系统的功率余量、荷电裕量提供备用还可增加移动储能系统的收益[3-4]。

1.2 移动储能发展现状

随着智能电网的普及和储能技术的发展，移动储能系统作为一种新兴模式，逐渐得到重视。移动储能系统可以支持供电系统的应急情况和孤岛运行，当故障发生时快速接入，有效提高供电系统的可靠性和灵活性[5]。并且移动储能系统可以为配电系统提供多种服务，解决配电系统中的许多问题，包括负荷平衡、调峰调频、无功补偿、延迟配电网络升级等。与固定储能系统(solid energy storage system,SESS)不同的是，移动储能系统(mobile energy storage system,MESS)是由移动储能车连接到不同的分布式系统。移动储能系统的这种特点能够有效降低储能系统运营成本并且提高分布式系统的韧性，使得移动储能系统不仅可以增强配电系统应对极端天气的能力，还可以提高灾后恢复能力[6]。

移动储能集群与多电力主体间的协同控制是使系统智能化、实现灵活调控的关键，合理的协同控制可优化储能系统的控制效率，降低系统响应时间。目前，国际上移动式储能系统协同控制平台正处在探索的初期，主要是对已有的储能系统控制平台进行拓展。国内的移动式储能第三方协同调度平台相关产品还不够完善，仅部分可以实现广域的协调控制，主要是借用微网控制器实现类似功能，然而微网控制器多用于本地控制，很少涉及到广域多点调度相关功能。同时微网控制器缺乏对电池储能系统在线检测、充放电优化控制和保护的相关功能，难以实现对具备灵活供电的移动分布式储能系统的全面控制和管理。综上，推进移动储能系统协同控制的发展，对其进行深入的系统性理论研究及模型分析是大势所趋。

2 移动储能系统结构

2.1 移动储能系统模型

移动储能系统是集群协同控制中的重要主体，移动储能系统的协同控制会受到移动储能系统特点与场景的影响。移动储能系统模型由电池系统、多端口储能变流器、多端口直流变换器组成。本文围绕移动储能系统的电池系统、储能变流器与直流变换器分析其集成过程、控制方法以及管理策略。该模型突出了移动储能系统的电力服务特性与应急区域响应特性，使移动储能系统在面向多元复杂应急交直流电力场景下具备灵活性和广泛性的特点。

2.2 移动储能系统构成

1)电池系统。移动储能系统的电池系统以模块化为基础，可实现储能电池检测、连接、监控、通信、保护等功能。为了满足移动储能系统额定的电压、容量和能量等级，采用相应的电池成组技术，将电池大量串并联成组使用，串联使用可以提高电池输出端电压，并联使用可以倍增电池组的容量。移动储能系统的电池由单体电池通过串并联方式组成，以达到系统的容量要求，储能电池柜由电池模块与电池管理系统(battery management system,BMS)组成。

储能电池成组与大规模集成是实现移动储能装置容量规模化的主要手段与必要条件。由于电池连接和集成技术限制，电池组达不到单体电池的水平，而且电池组存在容量衰减、寿命缩短、安全等问题。目前储能装置电池主要受到单体电池不一致性、串并联方式、连接技术、运行工况等因素影响。

2)多端口储能变流器。多端口移动储能变流器可匹配配电区域复杂的交流电力事件。具有多电压等级、多端口的单级型储能变流器(power conversion system,PCS)，主要由DC/AC环节构成。在储能系统集成测试中，变流器需要满足不同工况下移动储能电源对多种储能设备灵活、高性能接入交流电力应急服务的需求。

移动储能变流器采用三相脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)变流器拓扑，可四象限运行。变流器整流运行时，将交流电整流成直流电给蓄电池充电，逆变运行时电池放电，供给电网或负载。

3)多端口直流变换器。多端口移动储能直流变换器可匹配多种直流电力场景需求。直流变换器考虑了功率变换部分扩容备用，可满足多储能设备及直流负荷灵活接入且可靠有序控制的直流电力应急服务需求与辅助服务需求。

双向多端口模块化的直流变换器可以快速接入不同电气特性的直流储能设备，将储能设备电能变换后给移动电源车充电。直流变换器的每个端口功率流向都是双向且独立的，使得移动式储能电源既可以接受储能设备支持，也可以为其充电。模块化双向多端口直流功率变换器可以同时接入多个不同电气特性的直流MESS，扩展移动储能系统的储能容量，并且可以为储能设备充电。直流变换器接受移动电源车的调度控制，工作在2种工作模式下：移动电源车工作在紧急供电模式时，直流变换器将储能设备直流电变换后为移动电源车的储能系统电池充电，此时储能设备作为电源为负荷供电；当移动电源车接入电网或闲置时，可以为储能设备充电，此时储能设备作为负荷。移动电源车根据当前储能电池状态、储能变流器状态，动态调节接入MESS的功率方向和大小。

移动储能系统对分布式电网内的重要负荷进行分级，以确定负荷供电和切除优先级。储能变流器提供两路交流供电，满足单相220 V和三相380 V的负荷需求，如图1所示，不同的移动储能设备将接入不同的分级负荷。

图1 含移动储能的电网结构Fig.1 Grid structure with mobile energy storage

3 移动储能系统协同控制研究现状

移动储能系统的集群协同控制是移动储能系统发展的关键。移动储能系统的集群协同控制在于移动储能系统与多电力主体之间的协同控制。传统的集中式控制方法，存在响应慢、灵活性差、计算复杂程度大等缺点[7]，不适用于移动储能系统的控制模式与未来发展。集群分布式系统的控制在性能、可靠性、灵活性方面具有相对较大的优势，符合移动储能系统的发展与应用需求。

集群协同控制技术近年来发展迅速[8]，在无人系统[9-12]、通信[13]、生物[14]及智能交通[15]等方向有很多应用。集群控制作为协同控制领域的一个重要方面，具有较强的自我管理能力和被控对象规模大等特点，尤其在复杂的广域分散系统中，集群协同控制是完成控制目标、实现高效最优控制的方法之一，符合灵活、广泛的移动式储能系统的控制要求。集群协同控制从简单的局部规则发展成协调的全局行为，使被控对象行为趋于一致，体现了较强的适应性、分散性、鲁棒性、容错性及自主性。当前只有部分专家对移动储能系统的集群协同控制进行了初步探讨。现阶段移动储能系统集群控制主要侧重于概念的提出和体系的搭建，针对其汇聚应用目前尚未有系统性理论研究及模型分析。对于集群动态划分过程，聚类理论可为研究提供分组思路，文献[16]提出了一种融合自适应行为的分群控制方法，验证了分群控制的可行性和有效性。

关于集群与协同控制在电网中的应用已有研究，文献[17]设计了间歇式电源集群控制平台整体框架及各部分具体功能，提出了包含各部分的集群分层控制体系。文献[18]提出了一种考虑荷电状态的多储能系统与可再生能源间的分布式有功功率协调控制策略。文献[19]提出了一种广义储能参与配电网的协同控制策略，建立了广义储能集群控制架构，并验证了控制策略的有效性。文献[20-21]提出了基于拓扑优化的微电网集群协同控制方法，实现了微电网全局协同控制。文献[22]针对电池与虚拟储能的协调控制策略进行了研究。文献[23]对大型风电场中风电集群、风储集群和风光集群的协调控制策略进行了分析。这些方案为移动储能系统与多电力主体集群之间以及上层变电站之间的协调控制提供了思路。

合理应用多智能体技术是实现移动储能集群协同控制的关键手段。多智能体技术的应用与发展是当前控制策略研究的热点，也是当今人工智能前沿发展的重要分支之一，同时也是解决现有实际问题的一种架构[24]。多智能体系统(multi-agent system，MAS)或称为多代理系统，是由多个能够双向通信的智能代理合作、协调组合而成，整个系统易于控制与管理。多智能体系统可以让多个简单的系统相互协作、智能控制，将复杂的大系统分解成协调的易于管理的小系统[25]。

目前多智能体协同控制在智能电网的应用居多。文献[26]探讨了电网的多智能体控制体系与分布式电网的协同控制。文献[27]展示了多智能体技术在含有云储能的微电网上的运用，考虑了微电网生态系统内部的相互制约以及能量的平衡关系，建立了微电网多智能体协调优化调度模型。文献[28]通过多智能体的一致性对智能电网的调度进行研究，设计了一种完全分布式一致性算法对智能电网和储能系统进行控制。文献[29-30]分析了多智能体技术在电网调度策略上的应用，开发了基于多智能体的电网调度决策支持系统。相较于智能电网，多智能体代理在微电网[31-35]、虚拟电厂[36]等方面的应用也逐渐成熟。文献[37]提出了用于微电网二次电压控制的分布式多代理系统，文献[38]验证了多代理系统在直流微网稳定控制中的有效性，文献[39]将多代理系统应用在虚拟发电厂技术与智能电网中。综上，这些多代理技术的应用为本文采用该技术开展灵活供电移动储能系统的汇聚奠定了较好的基础

4 移动储能系统的集群协同控制分析

智能电网分层分群的控制结构[40]为移动储能系统与多电力主体之间的协同控制提供了启发。采用分层分群的移动储能系统控制结构可通过网络的交互与协调完成系统的优化，提高储能系统的控制效率。由于移动储能与多电力主体的分布式连接特点，采用多智能体系统可以有效提升能量交换效率，降低系统响应时间。多智能体控制配合移动储能系统符合应急场景快速响应、可移动性强、可靠性高的使用要求。对于移动储能与多电力主体的集群系统，多智能体技术是实现广域协调控制的较好方法。在调度层面统一调配的广域布局储能系统是一种包含分散资源、监控数据维数高、体量大、控制方式多样化的系统，文献[41]对集群风储联合系统广域控制进行了讨论与研究。广域储能系统涉及区域电网数据隐私的集群控制问题，使得采用以往由调度中心统一判断、调度的集中式控制方式难以实现灵活、有效调度，采用多智能体系统能明显改善控制与调度的灵活性，为移动储能系统发展提供帮助。

4.1 移动储能集群与多电力主体协同控制

在构建以新能源为主体的新型电力系统背景下，储能系统与多电力主体的互动将越来越频繁。要发挥多智能体控制在移动式储能中的作用，多电力主体与移动储能集群间的协同控制、仿真以及软硬件平台的讨论尤为重要。基于多智能体的移动储能系统从本地供需关系和储能自身状态出发，提出了多目标下的集群协同控制方法，对系统的关键单元进行建模仿真，建设软硬件平台。移动储能系统与多电力主体的互动如图2所示。

图2 移动储能系统与多电力主体控制模型Fig.2 Control model of mobile energy storage system with multi-power subjects

1)移动储能系统与多电力主体的集群协同控制方法。针对本地电力能源和负荷等多电力主体的运行机理和特点与不同电力事件的多元服务需求指标，建立移动储能状态估计方法及配电网内电力需求服务水平评价方法，以移动储能系统需求响应灵敏度为约束，建立网损最小及参与配网服务需求最大的多目标移动储能集群协同控制方法。移动储能系统与电力主体系统自适应分配功率，完成多智能体控制互动过程。

2)移动储能系统与多电力主体系统控制架构的建模与仿真。移动储能系统模型可以表征移动储能系统的动态性能，局域电网多元场景需求模型包含分布式光伏、微电网、用户侧、电动汽车等元素，并且以典型配电网为背景。通过动、稳态全过程仿真和实时在线计算分析，实现移动储能系统集群及与多电力主体的协同控制。

3)集群控制系统的软硬件平台建设。依据移动储能系统中变流器的拓扑结构以及容量等特征，对控制系统的功能及性能需求进行分析，构建移动储能系统响应配电台区内电力事件需求架构平台，平台具体包含移动储能系统协同控制器、储能设备控制器、控制器系统架构、通信管理、保护控制等内容。

4.2 多智能体控制可行性分析

未来的电网将具有超高的复杂程度，移动储能系统的融入使得整个系统的协调控制变得更为困难。移动储能系统与多电力主体间的控制策略决定了移动储能系统能否高效、灵活地应用。分层分群的控制结构对于移动式储能系统提供了一种可行的概念[40]。移动储能系统通过集群的层次结构和协同互动实现系统像互联网一样智能化。分层分群的结构可以有效克服储能系统分散性的特点，协同的行为模式有利于共享所创造的利益，各个集群能够充分、有效、合理利用能源，通过合作、共利实现系统经济可持续发展。

多智能体代理控制在保证移动储能系统自身荷电状态满足配电台区电力事件服务需求的同时，能够参与目前电力能量市场和备用辅助服务等多种应用场景。在电力系统运行时，多智能体控制可使移动储能系统预留上下调节的备用容量以应对随时可能发生的应急情况。在储能运行状态方面，考虑储能系统的功率余量、荷电状态裕量，多智能体控制可提供备用实现移动式储能系统更高的收益。

另外，移动储能系统不同的初始荷电状态初值会对应急、移动救援等电力事件产生影响。需要说明的是，移动储能系统提供的备用容量应低于系统的备用容量总需求，移动储能系统作为改善电力系统运行的装置，安装容量远小于系统总负荷容量。

4.3 移动储能系统的多智能体控制框架

对于局域网内部多点分布式移动储能系统集群协同控制，将含有大量移动式储能系统的区域网视为一个复杂网络，并采用社团分区理论进行分区。考虑移动式储能系统的动态特性、接入方式、控制方式等，对相似度高的移动储能系统进行划分聚合。基于多代理的移动储能系统集群控制框架分为3层，分别为设备层、设备汇聚层和调度层。各层之间通过合作网协议进行交互，满足汇聚系统整体及各移动式储能设备的约束和需求，以动态响应系统需求变化。

多代理控制系统分层控制功能如图3所示，其中包括多代理子系统采集与存储的信息量等内容以及多代理子系统与移动储能系统、协调控制设备、上层调度系统之间的信息交互内容。结合移动储能系统的容量以及拓扑结构等信息，考虑移动储能系统参与配电网、用户侧应用的需求，可以根据实际需求提出各层级的功能，搭建包含分布式光伏、微电网、用户侧、电动汽车等元素的局域配电网不同电力事件需求系统模型。

图3 移动储能系统多智能体分层控制Fig.3 Multi-agent hierarchical control for mobile energy storage systems

移动储能系统的能量管理方案由系统之间的功率协调控制策略以及系统的能量管理策略得到。考虑移动储能系统结合分布式光伏、微电网、用户侧的电力需求系统模型，实现各移动储能系统就地的控制管理。通过移动储能多代理控制系统结构、通信方式与协议、采集与存储信息量以及分布式储能系统参与配网用户侧、网侧运行的控制与能量管理策略开发设备的软硬件，以实现移动储能集群和多电力主体的协同控制。

多代理控制系统的功能、性能和需求由移动储能系统的拓扑结构以及容量特征决定。移动储能多代理系统利用储能变流器调节控制电池组功率输出，通过电气接口并入交流电网。移动储能系统多代理控制器与设备汇聚层通信受平台的统一调度和管控，将新加入的移动储能系统与传统的备用电源及配电系统等进行有效的整合，汇聚广域分布的移动式储能资源，从而参与到电网运行中。在功能上包括4部分：分布式储能就地控制功能、广域调度功能、计量计费及保护功能。

构建基于多智能体代理的移动储能系统集群控制框架分为3步：1)面向多场景需求响应的移动储能与电力主体系统多代理控制互动；2)基于多代理控制架构的移动储能系统与电力主体系统响应配电网内多元电力需求建模与仿真；3)多代理控制系统的软硬件平台建设。移动储能的控制框架为实际工程建设提供了参考，为移动储能系统的应急响应和辅助服务提供了技术支撑。通过对地区源-网-荷-储分析，结合移动储能系统当前状态、位置等信息形成移动储能系统相似度分区指标，对移动储能系统进行分区，以便更好地对移动储能集群进行协同控制。并通过移动储能的协同控制防止储能设备闲置或出力重复造成资源浪费。