浅析储能管理系统在电源能量管理中的优化策略研究
时间：2024-08-14 阅读：158
摘要：文章针对储能系统在电源能量管理中的应用，探讨优化储能系统设计和运行策略的关键技术，分析储能系统在电源能量管理中的作用和面临的挑战，着重研究储能系统的建模方法、能量调度算法、寿命评估与预测技术。在此基础上，提出一种考虑储能系统全生命周期的多目标优化策略，可有效提升系统经济性和可靠性。通过仿真算例验证所提策略的有效性。文章的研究成果可为促进储能技术在电源能量管理中的应用提供参考。
关键词：储能系统；电源能量管理；优化策略
0、引言
随着新能源的大规模开发利用，电力系统面临着更大的波动性和不确定性挑战。储能系统以其灵活的充放电能力成为维护电网稳定和经济运行的重要手段。如何优化储能系统的设计配置和运行策略，充分发挥其在电源能量管理中的作用，是一个亟待解决的问题。文章从储能系统的建模、调度、寿命预测等方面入手，探索基于储能优化的电源能量管理新策略。
1、储能系统在电源能量管理中的作用分析
储能系统凭借其灵活的充放电能力和快速响应特性，在电源能量管理中发挥着关键作用。储能系统可在电价低谷时充电，高峰时放电，削减峰谷差，提高电网运行经济性，同时减轻电力系统的备用容量压力。面对新能源出力和负荷需求波动对电网频率的冲击，储能系统可作为快速灵活的调频资源，有效控制频率波动，维护电网安全、稳定运行。
储能系统还可以在电力缺额时快速放电，保障负荷供应，其响应速度快、调节精度高，能够显著提高系统备用水平，有效解决新能源“弃风弃光”问题。新能源出力过剩时，储能系统吸收盈余电量，出力不足时放电补偿缺额，实现新能源出力平滑，提高并网友好性。合理开发利用储能资源，对提升电力系统灵活性、经济性、安全性以及推动能源清洁低碳转型意义重大。
2、储能系统优化面临的关键技术问题
储能系统要在电源能量管理中发挥明显效用，针对其全生命周期过程开展系统优化。这需要攻克一系列关键技术难题，主要集中在储能系统建模、能量优化调度、寿命评估与预测3个方面。
2.1储能系统建模
储能系统建模是实现其优化设计和运行控制的重要基础。准确、高效的建模方法可为储能系统的规划配置、运行管理以及寿命预估提供可靠的理论工具和决策支持。然而，由于储能系统涉及复杂的电化学、热力学以及电磁学等多物理场耦合过程，且在实际运行中表现出明显的多时间尺度动态特性，给建模工作带来诸多挑战。目前，储能系统建模主要有3类方法，分别为基于机理的物理建模、基于等效电路的半经验建模以及基于数据驱动的智能建模。
基于机理的物理建模方法是从储能系统的物理机理出发，利用偏微分方程描述其内部电化学和热力学过程。例如，通过电荷守恒定律刻画离子在电解质中的迁移扩散行为，利用法拉定律描述电极界面的电荷转移动力学，结合能量守恒方程分析系统的热量传递与温度分布。物理建模通常还需要结合材料的本构关系，如固体电解质的电导率、电极材料的嵌锂电位等，完整地描述储能系统的充放电特性。这类“*一性原理”模型具有清晰的物理意义和机理解释性，可深入分析材料结构、界面效应等对电池性能的影响机制，但也面临偏微分方程组复杂、多场耦合强、数值求解困难等问题，计算成本较高，难以直接应用于工程实践。
基于等效电路的半经验建模方法是从储能系统的输入输出特性出发，用电压源、电阻、电容等电路元件等效其充放电行为。例如，Rint模型将电池等效为一个理想电压源串联内阻；Thevenin模型在此基础上增加一个RC并联支路描述极化效应；PNGV模型进一步引入一个电容模拟电池的容量衰减。这类模型形式简单、物理意义明确，模型参数可由实测数据拟合得到，计算求解十分高效，因而在工程应用中得到广泛使用。但半经验模型受限于等效电路结构，难以刻画电池内部的复杂机理，对温度、老化等因素的影响描述不足，机理解释性较差。
基于数据驱动的智能建模方法是利用机器学习算法，从储能系统的海量运行监测数据中自动提取输入输出关系。通过训练神经网络、支持向量机等智能模型，可构建储能状态变量与外部环境、工况条件间的映射。这类数据驱动模型具有很强的非线性拟合与学习泛化能力，可自适应地逼近任意复杂系统，无须预先对物理机理作过多假设，因而建模灵活性高、适用范围广。但智能模型一般表现为“黑箱”形式，很难解释其内在机理，且过度依赖样本数据的质量，容易出现过拟合等问题。
随着储能系统监测数据的快速积累，急需开发物理建模与数据驱动相结合的混合建模新方法。可在物理模型框架下引入数据对偏微分方程组进行参数辨识和结构简化，也可用物理机理对数据驱动模型进行先验约束和后验校正。这不仅有助于提高建模精度和泛化性，还可赋予智能算法以物理解释，为复杂储能系统行为的分析与优化提供新的思路。
2.2能量优化调度
在储能系统的优化调度中，除考虑负荷需求、电价信息以及新能源出力的随机性，还需要兼顾其他多个目标和约束条件。例如，降低运行成本、提高能量利用效率、延长电池使用寿命等。储能系统本身的容量和功率约束也限制了其调度灵活性。因此，急需发展多时间尺度、多目标协同的能量优化调度新方法，以实现储能系统在电源能量管理中的价值*大化。
针对储能调度中的各种不确定性因素，可以引入随机优化理论进行建模求解。例如，随机动态规划可以将不确定性参数视为随机变量，通过构建多阶段决策模型来优化调度策略。随机优化方法能够有效应对不确定性带来的挑战，提高储能调度的适应性和健壮性。
在实际应用中，模型参数的不确定性和目标需求的多变性也给能量优化调度带来了挑战。针对这些问题，可以采用健壮优化方法来构建调度策略。通过考虑参数的不确定集合，寻求在糟糕情况下仍然满足约束并优化目标的解，从而提高决策的稳健性和可靠性。此外，在工程实践中，还可以进一步构建能量调度的预警机制和风险对冲策略。例如，根据电价波动和调度成本设置情景触发条件，当触发条件满足时，及时调整调度策略；通过金融套期*值交易，对冲电价波动风险，锁定储能收益。这些措施有助于提高储能系统应对不确定性风险的能力，保障其经济效益和稳定运行。
2.3寿命评估与预测
储能系统的使用寿命是制约其长期经济性和可靠性的关键因素。锂电池等电化学储能在反复充放电过程中，健康状态会发生退化，难以准确评估和预测寿命。因此，急需开展储能系统在线健康监测、退化机理分析、剩余寿命预测等关键技术研究。
在线健康监测方面，可综合荷电状态（StateofCharge，SoC）、电池电压、温度等测量信息，提取表征电池健康状态的关键特征量，构建实时健康评估指标体系。退化机理分析方面，可通过理化检测手段，研究电池材料和结构随充放电循环的演化规律，多尺度融合解析储能系统的衰退机理。寿命预测方面，可建立映射电池运行工况和健康状态的数据驱动模型，再结合蓄电池退化物理模型，形成具备外推能力的复合寿命预测方法。典型锂离子电池的循环寿命和衰减机理如表1所示。
考虑储能全生命周期的多目标优化策略
储能系统在电源能量管理中扮演着至关重要的角色，其规划和运行须统筹投资成本、运维成本、调度收益以及寿命周期等多重目标。文章提出一种全生命周期多目标协同的优化新策略，以实现储能系统在投资、运行、养护等各环节的系统优化。
3.1优化目标与约束
考虑储能全生命周期优化的目标函数包括投资成本、运行成本、维护成本以及调度收益4个部分，同时综合考虑储能容量约束、功率约束、荷电状态时序约束以及电池健康状态约束。
3.2优化模型与算法
建立大时间尺度下的多阶段决策优化模型，在投资阶段确定储能容量配置，并制定全生命周期有效的调度策略。采用时间段划分与滚动优化、随机动态规划、启发式算法等方法，应对电价和负荷的不确定性、电池健康状态的非线性退化特性等求解挑战。
3.3算例分析
以河北省张家口市的储能电站为例，针对新能源配套场景开展算例分析。该电站由国网冀北电力有限公司投资建设，于2016年12月正式投运，是当时全球较大的储能电站项目之一。
张家口储能电站采用磷酸铁锂电池作为储能媒介，装机容量为36MW·h，配套14MW光伏发电系统，主要承担新能源并网消纳、电网调峰调频等任务。通过分析实测光伏出力数据，采用文章提出的全生命周期多目标优化策略，制定光储协同优化调度方案。
结果表明，配套储能系统可有效应对新能源短期波动，削减新能源功率波动率50%以上。优化调度后的储能响应速度可达毫秒级，有效参与电网一次调频，提高电网运行灵活性。在北京电力交易组织的辅助服务市场中，张家口储能电站通过调峰调频获得了可观的运营收益。
实际运行数据表明，张家口储能电站在提高可再生能源利用率方面也发挥了重要作用。配套储能使光伏年利用小时数提高10%以上，弃光率降低2%以上。电池经过3年多运行监测，容量衰减率控制在5%以内，各项性能指标良好。按照设计寿命20年估算，在考虑全生命周期成本的前提下，该电站综合投资收益率预计可达8%，展现出良好的技术经济价值。
4、Acrel-2000MG微电网能量管理系统概述
Acrel-2000MG微电网能量管理系统，是我司根据新型电力系统下微电网监控系统与微电网能量管理系统的要求，总结国内外的研究和生产的经验，专门研制出的企业微电网能量管理系统。本系统满足光伏系统、风力发电、储能系统以及充电桩的接入，全天候进行数据采集分析，直接监视光伏、风能、储能系统、充电桩运行状态及健康状况，是一个集监控系统、能量管理为一体的管理系统。该系统在安全稳定的基础上以经济优化运行为目标，促进可再生能源应用，提高电网运行稳定性、补偿负荷波动；有效实现用户侧的需求管理、消除昼夜峰谷差、平滑负荷，提高电力设备运行效率、降低供电成本。为企业微电网能量管理提供安全、可靠、经济运行提供了全新的解决方案。
微电网能量管理系统应采用分层分布式结构，整个能量管理系统在物理上分为三个层：设备层、网络通信层和站控层。站级通信网络采用标准以太网及TCP/IP通信协议，物理媒介可以为光纤、网线、屏蔽双绞线等。系统支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
本方案遵循的标准有：
本技术规范书提供的设备应满足以下规定、法规和行业标准：
GB/T26802.1-2011工业控制计算机系统通用规范1部分：通用要求
GB/T26806.2-2011工业控制计算机系统工业控制计算机基本平台2部分：性能评定方法
GB/T26802.5-2011工业控制计算机系统通用规范5部分：场地安全要求
GB/T26802.6-2011工业控制计算机系统通用规范6部分：验收大纲
GB/T2887-2011计算机场地通用规范
GB/T20270-2006信息安全技术网络基础安全技术要求
GB50174-2018电子信息系统机房设计规范
DL/T634.5101远动设备及系统5-101部分:传输规约基本远动任务配套标准
DL/T634.5104远动设备及系统5-104部分:传输规约采用标准传输协议子集的IEC60870-5-网络访问101
GB/T33589-2017微电网接入电力系统技术规定
GB/T36274-2018微电网能量管理系统技术规范
GB/T51341-2018微电网工程设计标准
GB/T36270-2018微电网监控系统技术规范
DL/T1864-2018独立型微电网监控系统技术规范
T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范
T/CEC150-2018低压微电网并网一体化装置技术规范
T/CEC151-2018并网型交直流混合微电网运行与控制技术规范
T/CEC152-2018并网型微电网需求响应技术要求
T/CEC153-2018并网型微电网负荷管理技术导则
T/CEC182-2018微电网并网调度运行规范
T/CEC5005-2018微电网工程设计规范
NB/T10148-2019微电网1部分：微电网规划设计导则
NB/T10149-2019微电网2部分：微电网运行导则
系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。
4.4型号说明
4.5.1系统架构
本平台采用分层分布式结构进行设计，即站控层、网络层和设备层，详细拓扑结构如下：
4.6.1实时监测
微电网能量管理系统人机界面友好，应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中，各子系统回路电参量主要有：三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值；状态参数主要有：开关状态、断路器故障脱扣告警等。
系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理，使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。
系统应可以对储能系统进行状态管理，能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警，并支持定期的电池维护。
微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面，包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况，包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求，也可将充电，储能及光伏系统信息进行显示。
图2系统主界面
子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。
4.6.1.1光伏界面
图3光伏系统界面
本界面用来展示对光伏系统信息，主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
4.6.1.2储能界面
图4储能系统界面
本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。
图5储能系统PCS参数设置界面
本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置，包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值
图6储能系统BMS参数设置界面
本界面用来展示对BMS的参数进行设置，主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。
图7储能系统PCS电网侧数据界面
本界面用来展示对PCS电网侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。
图8储能系统PCS交流侧数据界面
本界面用来展示对PCS交流侧数据，主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警
图9储能系统PCS直流侧数据界面
本界面用来展示对PCS直流侧数据，主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。
图10储能系统PCS状态界面
本界面用来展示对PCS状态信息，主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。
图11储能电池状态界面
本界面用来展示对BMS状态信息，主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等，同时展示当前储能电池的SOC信息。
图12储能电池簇运行数据界面
本界面用来展示对电池簇信息，主要包括储能各模组的电芯电压与温度，并展示当前电芯的*大、*小电压、温度值及所对应的位置。
4.6.1.3风电界面
图13风电系统界面
本界面用来展示对风电系统信息，主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析；同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。
4.6.1.4充电桩界面
图14充电桩界面
本界面用来展示对充电桩系统信息，主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用，变化曲线、各个充电桩的运行数据等。
4.6.1.5视频监控界面
图15微电网视频监控界面
本界面主要展示系统所接入的视频画面，且通过不同的配置，实现预览、回放、管理与控制等。
4.6.2发电预测
系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据，对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划，便于用户对该系统新能源发电的集中管控。
图16光伏预测界面
4.6.3策略配置
系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息，进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。
图17策略配置界面
4.6.4运行报表
应能查询各子系统、回路或设备时间的运行参数，报表中显示电参量信息应包括：各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。
4.6.5实时报警
应具有实时报警功能，系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位，及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警，应能实时显示告警事件或跳闸事件，包括保护事件名称、保护动作时刻；并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。
4.6.6历史事件查询
应能够对遥信变位，保护动作、事故跳闸，以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度（锂离子电池）、压力（液流电池）、光照、风速、气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。
4.6.7电能质量监测
应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测，使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况，以便及时发现和消除供电不稳定因素。
1）在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度和正序/负序/零序电流值；
2）谐波分析功能：系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率；应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电压含有率、0.5～63.5次间谐波电流含有率；
3）电压波动与闪变：系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值；应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线；应能显示电压偏差与频率偏差；
4）功率与电能计量：系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率；应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素；应能提供有功负荷曲线，包括日有功负荷曲线（折线型）和年有功负荷曲线（折线型）；
5）电压暂态监测：在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时，系统应能产生告警，事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员；系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。
6）电能质量数据统计：系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据，包括均值、*大值、*小值、95%概率值、方均根值。
7）事件记录查看功能：事件记录应包含事件名称、状态（动作或返回）、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。
4.6.8遥控功能
应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作，并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序，可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。
4.6.9曲线查询
应可在曲线查询界面，可以直接查看各电参量曲线，包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。
4.6.10具备定时抄表汇总统计功能，用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况，即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析；对系统运行的节能、收益等分析；具备对微电网供电可靠性分析，包括年停电时间、年停电次数等分析；具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。
4.6.11网络拓扑图
系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态，能够完整的显示整个系统网络结构；可在线诊断设备通信状态，发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。
图25微电网系统拓扑界面
本界面主要展示微电网系统拓扑，包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。
4.6.12通信管理
可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序，然后选择通信控制启动所有端口或某个端口，快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。
4.6.13用户权限管理
应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控操作，运行参数修改等）。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。
4.6.14故障录波
应可以在系统发生故障时，自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况，通过对这些电气量的分析、比较，对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条，每条录波可触发6段录波，每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形，总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形
4.6.15事故追忆
可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据，包括开关位置、保护动作状态、遥测量等，形成事故分析的数据基础。
用户可自定义事故追忆的启动事件，当每个事件发生时，存储事故扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户和随意修改。
图29事故追忆
5、硬件及其配套产品
6、结语
文章研究了储能系统在电源能量管理中的关键技术问题，提出一种全生命周期视角下的多目标优化新策略。理论分析和算例验证表明，优化后的储能系统可有效提升电源能量管理的经济性和可靠性水平，为新能源高渗透率下的电网灵活调控提供有力支撑。未来还需要进一步开展储能健康管理、多时间尺度协调优化等方面的深入研究，促进储能技术与电源能量管理的深度融合。