中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：大規(guī)模可再生能源接入導(dǎo)致電力系統(tǒng)中靈活性資源不足、慣量水平下降，對(duì)系統(tǒng)的可再生發(fā)電消納和頻率安全性帶來(lái)挑戰(zhàn)。對(duì)此，迫切需要挖掘需求側(cè)的資源靈活性，為電力系統(tǒng)提供備用和頻率支撐輔助服務(wù)。
隨著信息通信技術(shù)（information communication technology，ICT）的飛速發(fā)展，5G基站的規(guī)劃與建設(shè)數(shù)量迅速增加。根據(jù)廣東省工業(yè)和信息化廳的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2025年，廣東省將累計(jì)建設(shè)16萬(wàn)座5G宏基站，其備用電池的總功率容量將達(dá)到1600 MW，約占廣東省2025年預(yù)測(cè)峰值負(fù)荷的1%。由于5G基站備用電池具有快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，可為電力系統(tǒng)提供備用和事故后的慣性及一次調(diào)頻響應(yīng)輔助服務(wù)。目前，基站備用電池長(zhǎng)期處于閑置狀態(tài)，導(dǎo)致潛在的靈活性資源浪費(fèi)，因此，研究大規(guī)模5G基站為電力系統(tǒng)提供備用和頻率支撐輔助服務(wù)的優(yōu)化調(diào)度策略具有重要意義。
1 如何在確?；竟╇娍煽啃缘那疤嵯?，調(diào)度其備用電池為電力系統(tǒng)提供運(yùn)行備用與頻率支撐輔助服務(wù)？
5G基站備用電池的首要功能是保障基站供電的可靠性，通常要求基站在遭受停電事故后，其備用電池能夠?yàn)榛静婚g斷提供3小時(shí)的供電服務(wù)。由于5G基站的通信業(yè)務(wù)存在顯著的“潮汐效應(yīng)”，其有功負(fù)載也隨著基站通信業(yè)務(wù)的變化而改變，因此，滿足基站備電需求的備用電池最小荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）也隨基站有功負(fù)載而改變，如圖1所示，備用電池超出最小SOC需求的部分可為電力系統(tǒng)輔助服務(wù)提供可調(diào)空間。
圖1 基站備用電池最小SOC需求評(píng)估
2 如何協(xié)同調(diào)度蜂窩網(wǎng)基站備用電池及電源側(cè)機(jī)組，從而應(yīng)對(duì)新能源隨機(jī)場(chǎng)景下的功率平衡與頻率安全挑戰(zhàn)？
本文基于各基站通信業(yè)務(wù)需求，計(jì)算各時(shí)段備用電池的最小SOC需求，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建其調(diào)度模型，調(diào)用基站備用電池提供運(yùn)行備用、慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻響應(yīng)輔助服務(wù)。將上述模型納入考慮頻率安全約束的電力系統(tǒng)兩階段隨機(jī)機(jī)組組合模型中。第一階段對(duì)應(yīng)日前調(diào)度，優(yōu)化決策機(jī)組的啟/停機(jī)、機(jī)組和基站備用電池的出力曲線、運(yùn)行備用容量、慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻響應(yīng)備用容量；第二階段對(duì)應(yīng)日內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整，根據(jù)實(shí)際的新能源和負(fù)荷曲線，優(yōu)化決策機(jī)組和基站備用電池的運(yùn)行備用、慣性響應(yīng)和一次調(diào)頻響應(yīng)備用部署，以保障各新能源隨機(jī)場(chǎng)景下的功率平衡與頻率安全。
3 如何高效求解海量蜂窩網(wǎng)基站備用電池參與的兩階段機(jī)組組合問(wèn)題，同時(shí)保障基站隱私？
為實(shí)現(xiàn)所提兩階段隨機(jī)機(jī)組組合問(wèn)題求解的分布式部署，本文首先對(duì)模型進(jìn)行重構(gòu)，如圖2所示。原問(wèn)題（圖2(a)）是一個(gè)近似的“N-block”優(yōu)化問(wèn)題，但由于存在功率平衡、線路潮流和頻率安全等約束條件，直接耦合了各基站備用電池之間的決策變量，難以直接進(jìn)行問(wèn)題分解。對(duì)此，本文引入一系列輔助決策變量，解耦了各基站備用電池之間的直接耦合關(guān)系，如圖2(b)所示。
圖2 解耦各基站備用電池耦合關(guān)系的兩階段隨機(jī)機(jī)組組合問(wèn)題重構(gòu) (a) 原優(yōu)化問(wèn)題結(jié)構(gòu) (b) 重構(gòu)后優(yōu)化問(wèn)題結(jié)構(gòu)
針對(duì)重構(gòu)后的兩階段隨機(jī)機(jī)組組合問(wèn)題（圖2(b)），構(gòu)建增廣拉格朗日函數(shù)并對(duì)其應(yīng)用交替方向乘子（alternating direction method of multipliers, ADMM）算法，將兩階段機(jī)組組合問(wèn)題分解為兩部分：調(diào)度中心的優(yōu)化決策問(wèn)題和基站備用電池的自主優(yōu)化決策問(wèn)題。由于此時(shí)各基站備用電池之間不存在直接耦合關(guān)系，它們能夠以分布式且并行的方式自主優(yōu)化其調(diào)度策略。所提出的分布式優(yōu)化框架如圖3所示，有效地解決了海量基站備用電池參與的調(diào)度策略高效求解和隱私泄露問(wèn)題。
圖3 分布式優(yōu)化框架
4 蜂窩網(wǎng)基站備用電池提供電力系統(tǒng)運(yùn)行備用與頻率支撐輔助服務(wù)的效果如何？
本文首先在IEEE 14節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)上驗(yàn)證了所提基站備用電池調(diào)度模式的有效性，設(shè)置了3個(gè)對(duì)比案例。Case 1：基站備用電池僅提供能量服務(wù)；Case 2：基站備用電池提供能量和運(yùn)行備用輔助服務(wù)；Case 3：基站備用電池提供能量、運(yùn)行備用和頻率支撐輔助服務(wù)。Case 1-Case3的運(yùn)行成本對(duì)比如表1所示，結(jié)果表明所提調(diào)度模式下，基站備用電池的參與有效促進(jìn)了新能源的消納，并顯著提高了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。圖4展示了基站備用電池調(diào)度的結(jié)果，表明在本文提出的調(diào)度模式下，基站備用電池的功率/能量容量得到了充分利用，充分發(fā)揮了其靈活性潛力，同時(shí)提高了閑置資源的利用率。
表1 運(yùn)行成本對(duì)比
圖4 基站備用電池調(diào)度結(jié)果 (a) Case 1：功率與備用調(diào)度結(jié)果 (b) Case 2：功率與備用調(diào)度結(jié)果 (c) Case 3：功率與備用調(diào)度結(jié)果 (d) Case 1：SOC曲線 (e) Case 2：SOC曲線 (f) Case 3：SOC曲線
5 所提分布式優(yōu)化框架的收斂性和實(shí)用性如何？
本文基于廣東省500 kV網(wǎng)架電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析了不同規(guī)模基站備用電池參與提供輔助服務(wù)時(shí)的總運(yùn)行成本與分布式算法迭代次數(shù)變化情況，如圖5所示。隨著基站備用電池?cái)?shù)量的增加，總運(yùn)行成本逐漸降低，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于不考慮基站備用電池需求響應(yīng)的案例，證明了所提方法在提升運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性方面的有效性。此外，采用所提分布式調(diào)度框架，優(yōu)化迭代次數(shù)始終低于20次，且不隨基站數(shù)量增多而增加，驗(yàn)證了本文所提分布式優(yōu)化框架具備可規(guī)?；瘧?yīng)用的潛力。
圖5 針對(duì)參與調(diào)度的基站備用電池規(guī)模的敏感性分析
