高渗透率光伏配网中电池储能系统综合运行控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种电池储能系统综合运行控制系统及方法，包括电压控制和经济优化两部分子策略，其中电压控制部分以防止电压越限为目标，建立包括电池剩余寿命、SoC状态、电压灵敏度特性、运行费用等在内的评价矩阵，并选择综合指标最大者进行控制；经济优化部分以保证电压安全为前提，结合用电峰谷电价，尽量减少电池动作对节点电压的影响，选择电压灵敏度因数及运行费用最小、电池状态最优者进行控制。该方法不仅解决了高渗透率光伏及用电高峰负荷过重带来的电压越限问题，实现了削峰填谷，改善了配网电压安全，还在分时电价政策下实现盈利，提高了储能安装用户的收益。

说明书

技术领域

本发明涉及电网技术领域，特别是涉及高渗透率光伏配网中电池储能系统综合运行控制系统及方法。

背景技术

当今世界，燃烧化石燃料引发的环境恶化问题愈发严重，可再生清洁能源的发展得到了广泛关注，越来越多的分布式电源接入配网。光伏发电(Photovoltaic powergeneration)作为一种高效的小容量发电技术，得到了迅速的发展与推广。光伏发电过程简单，不包括机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声、无污染，且太阳能资源分布广泛，取之不尽、用之不竭。然而，高渗透率光伏电源并网会引起电压波动或者过电压导致其脱网，严重制约了主动配电网消纳可再生能源发电的能力，造成了电网资源和可再生能源的浪费。

当前，解决高渗透率光伏导致的电压问题的方式主要有三种：

(1)削减PV出力；(2)安装无功补偿设备；(3)应用储能系统。

削减PV出力，造成了太阳能资源的浪费，降低了光伏发电的效率，违背了发展光伏的初衷；配网R/X值较大使得传统的无功补偿效果并不理想。近年来，随着科学技术的发展，电池储能系统的成本逐渐降低，其在配网电压管理中的应用日趋提高。

当前有关电池储能系统运行策略的研究可分为两类：一类是通过构建并求解优化模型给出相应的优化运行策略；另一类研究以实现某一控制目标为目的，提出相应的控制策略。其中，第一类研究多涉及优化计算，计算量较大；第二类研究多以防止电压越限为目标，未考虑电池储能系统运行过程中的经济优化问题，忽略了峰谷电价政策下的盈利机会，极大地降低了储能系统的利用价值。

综上所述，现有的电池储能系统运行控制策略均缺乏对电压控制和经济优化的综合考虑。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种高渗透率光伏配网中电池储能系统综合运行控制系统及方法，实现了电池储能系统在电压控制与经济优化之间的协调平衡。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高渗透率光伏配网中电池储能系统综合运行控制系统，包括：电压控制单元和经济优化单元；

所述电压控制单元包括：

中心决策层：根据各备选电池的状态参数及灵敏度特性建立评价矩阵，选择综合性能最佳者进行控制；

就地控制层，根据各节点电压越限情况及所选电池的VSF，计算具体充放电功率，并更新电池的状态参数；

所述经济优化单元包括：

优化决策层：根据当前电价情况制定充放电决策并构建经济优化评价矩阵，选择最优控制对象进行控制；

优化控制层：根据各节点电压越限情况及所选电池的VSF，计算具体充放电功率，并更新电池的状态参数。

进一步地，当出现电压越限情况时，电压控制单元优先动作；电压安全时，经济优化单元动作。

一种高渗透率光伏配网中电池储能系统综合运行控制方法，包括以下步骤：

(1)给定电压幅值限值、电池容量限值；

(2)判断当前电压幅值是否越限，如果越限，进入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；

(3)进行电压控制：构建电池评价矩阵，选择综合评价最优的电池作为控制对象，并根据越限电压值调整其充放功率；

(4)根据调整后的充放电功率，更新电池SOC，返回步骤(2)；

(5)进行经济优化：如果当前电池容量和功率还有剩余，则根据当前电价情况制定充放电决策并构建经济优化评价矩阵A，选择综合评价最优的电池作为控制对象，调整其充放电功率，进入步骤(6)；否则，进入下一采样时刻的运行控制；

(6)根据调整后的充放电功率，更新电池SOC，返回步骤(2)。

进一步地，所述步骤(3)中，构建的电池评价矩阵具体为：

A_V＝T·E；

其中，T为根据各电池当前SoC和充放电功率状态，各电池的剩余寿命以及综合电压灵敏度因数构建的技术指标矩阵；E为根据综合电压控制费用灵敏度因数构建的经济指标矩阵。

进一步地，所述步骤(3)中，根据越限电压值调整其充放功率具体为：

1)计算被控电池的_ΔP_BES；

2)若被控电池充放功率增加_ΔP_BES后其容量不越限，则直接进入步骤(3)，否则，按SoC限值对被控电池充放电功率进行调整，并将对应的电池当前SoC指标置零；

3)判断被控电池当前充放电功率是否小于最大充放功率限值，如果是，结束对被控电池充放电功率的调整；否则，进入步骤4)；

4)按最大充放功率限值对被控电池充放电功率进行调整，并将对应充放电功率状态指标置零。

进一步地，ΔP_BES的计算与越限节点的电压偏差量和相应的电压灵敏度因数有关，节点电压越限越严重，其相应电压灵敏度因数在电池充放功率决策中的权重越大。

进一步地，所述步骤(5)中，如果当前电池容量和功率还有剩余，则判断当前电价是否为谷电价，如果是，电池选择充电；如果不是，则电池选择放电。

进一步地，所述步骤(5)中，经济优化评价矩阵A_E具体为：

其中，S，P矩阵分别表示各电池当前SoC和充放电功率状态；L矩阵代表各电池的剩余寿命；VSF_dtotal矩阵为综合电压灵敏度因数矩阵；VCSF_total为电压控制费用灵敏度因数矩阵。

进一步地，所述步骤(5)中，选择综合评价最优的电池作为控制对象，调整其充放电功率，具体为：

1)计算被控电池的_ΔP_BES；

2)若被控电池充放功率增加_ΔP_BES后其容量不越限，则直接进入步骤(3)，否则，按SoC限值对被控电池充放电功率进行调整，并将对应的电池当前SoC指标置零；

3)判断被控电池当前充放电功率是否小于最大充放功率限值，如果是，结束对被控电池充放电功率的调整；否则，进入步骤4)；

4)按最大充放功率限值对被控电池充放电功率进行调整，并将对应充放电功率状态指标置零。

进一步地，ΔP_BES的计算考虑电压安全裕度最小的节点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明基于配网的线路特征，以电池储能系统充放的有功功率为研究对象，提出了储能系统综合运行控制策略。该策略分为电压控制和经济优化两部分，电压控制部分以防止电压越限为目标，根据各备选电池的剩余寿命、当前SoC状态、运行费用及灵敏度特性等参数建立评价矩阵，选择综合性能最佳的电池进行控制；经济优化部分以保证电压安全为前提，结合用电峰谷电价，并尽量减少电池动作对节点电压的影响，选择电压灵敏度因数及运行费用最小、电池状态最优者进行控制，以提高经济收益。

本发明解决了高渗透率光伏以及用电高峰期负荷过重带来的电压越限问题，改善了配网电压安全；均衡了各电池储能系统间的利用率，避免了个别储能电池频繁调用的情况，提高了整个储能系统的使用寿命；在峰谷电价政策下实现了经济优化，增加了储能安装用户的经济收益。

附图说明

图1本发明提供的综合运行控制策略详细流程图；

图2本发明提供的综合策略中就地控制部分流程图；

图3本发明提供的41节点配网系统图；

图4本发明应用前系统各节点电压情况折线图；

图5本发明只应用电压控制部分后系统各节点电压情况折线图；

图6本发明完全应用后系统各节点电压情况折线图；

图7本发明只应用电压控制部分后电池储能系统SoC变化曲线图；

图8本发明完全应用后电池储能系统SoC变化曲线图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

术语解释部分：

1)电池荷电状态

电池荷电状态，简称SoC，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0-1，当SoC＝0时表示电池放电完全，当SoC＝1时表示电池完全充满。

2)电池储能系统剩余寿命

电池寿命是研究其使用经济性的一个重要指标，实际运行过程中电池使用寿命与其充放电策略和运行环境等因素密切相关。为了延长电池的使用寿命，通常利用温控系统对电池运行环境进行调节，此时，电池最大循环充放次数与其充放电深度直接相关。当电池充放电深度△SoC＝x时，整个寿命周期总吞吐电量E_B可表示为：

E_B(x)＝N_B*x*E_N(1)

式中，N_B为该充放电深度对应的最大循环充放电次数，x为充放电深度，E_N为电池的额定容量。当前电池的剩余寿命L可表示为：

式中，t为采样时刻，T为采样周期的数目，P_m为第m个采样时刻电池充放电功率。

3)电压灵敏度因数

电压灵敏度因数(VSF)描述了节点注入的有功或无功功率对网络特定位置电压变化的影响程度，可通过雅可比矩阵来确定。考虑到配网系统多为辐射型结构，节点电压间相角变化较小，灵敏度因数矩阵可以简化为如下形式：

式中，VSF_Pij＝ΔV_i/ΔP_j，VSF_Qij＝ΔV_i/ΔQ_j，分别代表j节点注入的有功功率变化量ΔP_j和无功功率变化量/ΔQ_j对i节点电压变化量ΔV_i的影响。VSF取决于网络结构和运行状态，运行状态对其影响较小，为简化计算，本发明忽略该影响。

4)电压控制费用灵敏度因数

电压控制费用灵敏度因数(VCSF)用于描述在所提出的控制策略中，与解决电压问题相关联的各种措施的成本。VCSF是关于电压灵敏度和调压措施运行成本的函数，调压手段s相对于节点i的VSCF_is定义为：

式中，C_s是采用调压方式k使节点i电压变化_ΔV_i所需的运行费用。

本发明公开了一种高渗透率光伏配网中电池储能系统综合运行控制系统，包括：

电压控制单元和经济优化单元；

所述电压控制单元包括：

中心决策层：根据各备选电池的状态参数及灵敏度特性建立评价矩阵，选择综合性能最佳者进行控制；

就地控制层，根据各节点电压越限情况及所选电池的VSF，计算具体充放电功率，并更新电池的状态参数；

所述经济优化单元包括：

优化决策层：根据当前电价情况制定充放电决策并构建经济优化评价矩阵，选择最优控制对象进行控制；

优化控制层：根据各节点电压越限情况及所选电池的VSF，计算具体充放电功率，并更新电池的状态参数。

当出现电压越限情况时，电压控制单元优先动作；电压安全时，经济优化单元动作。

本发明提出的电池储能系统运行控制策略流程图如图1所示，当出现电压越限情况时，优先进行电压控制，通过构建评价矩阵选择综合评价最优的电池作为控制对象，并根据越限电压值计算其充放功率；当电压安全时，运行经济优化部分，若当前电池容量和功率还有剩余，则继续进行，否则结束该采样时刻的运行控制，如果当前电价为谷电价，电池选择充电，反之选择放电，通过构建评价矩阵选择并控制电池，最终实现经济优化，具体过程如下：

(1)给定电压幅值限值、电池容量限值；

(2)判断当前电压幅值是否越限，如果越限，进入步骤(3)；否则，转入步骤(5)；

(3)进行电压控制：构建电池评价矩阵，选择综合评价最优的电池作为控制对象，并根据越限电压值调整其充放功率；

(4)根据调整后的充放电功率，更新电池SOC，返回步骤(2)；

(5)进行经济优化：如果当前电池容量和功率还有剩余，则根据当前电价情况制定充放电决策并构建经济优化评价矩阵A，选择综合评价最优的电池作为控制对象，调整其充放电功率，进入步骤(6)；否则，进入下一采样时刻的运行控制；

(6)根据调整后的充放电功率，更新电池SOC，返回步骤(2)。

电压控制的目的是防止节点电压幅值越限，保证电压安全。电压控制可分为两层：(1)中心决策层，根据各备选电池的状态参数及灵敏度特性建立评价矩阵，选择综合性能最佳者进行控制；(2)就地控制层，根据各节点电压越限情况及所选电池的VSF，计算具体充放电功率，并更新电池的状态参数。最终通过循环调用，解决电压越限问题。

中心决策层包括电池评价矩阵构建与最优电池选择，电池储能系统的评价指标包括：

(a)技术指标矩阵T

式中，S，P矩阵分别表示各电池当前SoC和充放电功率状态：

其中，SoC_max，SoC_min，P_BESmax，P_BESmin分别是电池SoC和充放电功率的上下限，当电池的SoC或充放电功率在限制范围内时，该指标取1，否则置0，这两项指标代表了各电池储能系统的可利用率，保证了电池储能系统使用的安全。L矩阵代表各电池的剩余寿命，其计算参考公式(2)，考虑剩余寿命可以平衡各电池的使用率，避免某些电池的过度使用。VSF_total矩阵为综合电压灵敏度因数矩阵，是电池对各越限节点VSF关于电压偏差量的加权平均，即：

式中，k为电压越限节点的数目，ΔV_i为越限节点i的电压幅值与限值之间的偏差，VSF_in为电池安装节点n相对于节点i的电压灵敏度因数。VSF_total与网络结构密切相关，通过选择VSF_total较大的电池可以提高电压控制的效率。

b)经济指标矩阵E

本文选择VCSF来衡量电池动作的经济性，其计算参考公式(4)，当控制效果相同时，优先选择VCSF较大的电池动作，可减少电压控制的费用。经济指标矩阵E可表示为：

式中，VCSF_total_n为综合电压控制费用灵敏度因数，其计算可参考公式(8)。

综上，电压控制部分各备选电池的综合评价指标矩阵A_V为：

A_V＝T·E(10)

根据矩阵A_V，选择综合评价指标最大的电池进行控制，可保证技术与经济指标的综合最优。

就地控制层的目的是确定所选电池的充放电功率，其流程图如图2所示。若被控电池充放功率增加ΔP_BES后容量不越限，则继续进行，否则按SoC限值对其进行调整并将对应的S指标置零；若充放电功率小于最大充放功率限值，则结束就地控制部分，否则按最大充放功率限值对其进行调整并将对应P指标置零。其中，ΔP_BES的计算与越限节点的电压偏差量和相应VSF有关，节点电压越限越严重，其相应VSF在电池充放功率决策中的权重越大，ΔP_BES计算公式为：

为鼓励用户改变用电方式，避峰用电，达到削峰填谷、提高电力系统的负荷率和运行稳定性的目的，分时电价政策得到了广泛推行。储能系统作为一种重要的削峰填谷手段，在分时电价政策下，可实现一定的盈利。本文提出的经济优化策略分为决策层和控制层，仅在节点电压不越限的情况下进行，保证了节点电压安全。

优化决策层根据当前电价情况制定充放电决策并构建经济优化评价矩阵A_E选择最优控制对象。若当前为谷电价时段，则电池选择充电，反之选择放电。为减小经济优化对节点电压的影响，倾向选择VSF较小的电池，因此应用分段线性函数将VSF对偶为0、1之间的指标VSF_d：

式中，VSF_min为电压灵敏度因数的最小值，VSF_max为电压灵敏度因数的最大值。

其他指标选择与计算可参照电压控制部分，得到经济优化评价矩阵A_E：

最终选择综合评价指标最大者进行控制。

经济优化控制层流程与电压控制中就地控制层相似，为保证各节点电压不越限，ΔP_BES的计算应考虑电压安全裕度最小的节点：

式中，V_remain.i为各节点电压的安全裕度：

式中，V_i为节点i的电压幅值，V_low，V_up分别为节点电压的下限值与上限值。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的仿真实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。

对图3所示的41节点配网系统进行仿真。图4、图5、图6本分别展示了本发明应用前、本发明只应用电压控制部分和本发明完全应用后系统各节点电压情况折线图。应用电池储能系统后，电压越限问题得到完全解决。表1为本发明应用前后系统经济性对比表，采用了本发明提出的经济优化控制后，根据峰谷电价实现了套利运作，使得用户收益明显提高。

表1

图7，图8为本发明只应用电压控制部分和本发明完全应用后电池储能系统SoC变化，根据辐射状网络的特点，线路末端节点电压与基准值之间偏差较大，因此在电压控制过程中线路末端电池储能系统使用率较高，电池使用不均情况严重；采用综合运行控制策略后，由于安装在线路始端的电池储能系统电压灵敏度因数较小，在经济优化中得到了充分使用，均衡了各电池储能系统间的利用率，有利于整个储能系统使用寿命的提高。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。