CN103001239A - 一种自治型微电网储能容量配置方法 - Google Patents

Abstract

一种自治型微电网储能容量配置方法，以微电网的自治性为出发点，以运行过程累积的能量缺额由储能来进行弥补，过剩能量由储能来吸收为配置目标，同时考虑了系统极端条件下储能稳定运行期望时间的容量需求，提出了与允许微电网最大连续孤岛运行时间T和微电网极端条件下期望微电网稳定运行时间T2相关的容量配置方法，能够依据具体的指标要求对微电网储能进行容量配置，有较强的针对性和实用性。

Description

一种自治型微电网储能容量配置方法

技术领域

本发明涉及一种自治型微电网储能容量的配置方法，特别是在考虑孤岛运行时间和故障状态下期望系统稳定运行时间要求下的多元复合储能容量配置方法，属于微电网系统领域。 

背景技术

储能容量的优化配置问题是微电网规划设计的重要问题。目前常用的储能容量配置和优化方法主要包括：差额补充法，波动平抑分析法，经济特性优化法。差额补充法又分为年能量平衡法、基本负荷连续供电保障小时计算法等。核心是采用储能补充发电和负荷的能量供需不平衡，或者是保障负荷在一定特殊情形下的能量需求。传统的差额补充法未考虑实际运行过程中储能容量的动态变化，配置的储能容量值可能存在偏差。波动平抑分析法主要分析储能对波动功率平抑效果，根据平抑的指标要求进行储能容量的优化配置。具体又包括频谱分析法和时间常数法。波动平抑分析法是以平抑的效果来修正储能容量，需要进行反复的计算。该方法主要应用于大型并网风电场的储能容量配置，对于微电网的应用针对性不强。经济特性优化法主要是建立系统的经济运行模型，推导目标函数和约束条件，储能系统容量作为其中的一个优化变量采用遗传算法、粒子群算法等进行求解。经济性分析方法目前没有标准统一的目标函数和求解算法，求解过程复杂。 

发明内容

本发明针对微电网实际运行过程中可能出现的孤岛运行，以及在系统极端条件下对微电网能够稳定运行的期望，考虑运行过程中储能容量的动态变化，提出一种自治型微电网储能容量的配置方法，该方法针对微电网运行的具体参数进行储能的额定容量和额定功率计算，不需要进行大量的时域仿真，计算简单，针对性强。 

本发明采用的技术方案是：1.一种自治型微电网储能容量配置方法，包括如下步骤： 

（1）确定微电网中发电的装机容量和接入的负荷大小和性质； 

（2）计算计划运行时间T内微电网中发电和负荷的有功功率； 

（3）计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率； 

（4）计算微电网从某时刻开始孤岛运行T1时间累计的不平衡能量E1； 

（5）计算需要储能提供的最小放电能量E2； 

（6）计算需要储能吸收的最小充电能量E3； 

（7）考虑充放电效率和变换器效率，计算需要储能提供的最小容量E4； 

（8）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网中储能的额定容量Erate1； 

（9）计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间的最大供需不平衡功率绝对值； 

（10)计算计划运行时间T内微电网中需要储能平抑的最大波动功率P1； 

（11）考虑功率型储能的充放电效率和变换器效率，计算需要储能提供的最小功率P2； 

（12）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网中储能的额定功率Prate1； 

（13）计算微电网从某时刻开始孤岛运行T1-T2时间累计的不平衡能量E5； 

（14）计算微电网在系统极端条件下，需要储能备用的最小放电能量E6； 

（15）计算微电网在系统极端条件下需要储能提供的最小放电能量E7； 

（16）计算微电网在系统极端条件下需要储能吸收的最小充电能量E8； 

（17）考虑充放电效率和变换器效率，计算微电网在系统极端条件下需要储能提供的最小容量E9； 

（18）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网在系统极端条件下储能的额定容量Erate2； 

（19）计算计划运行时间T内微电网在系统极端条件下需要储能平抑的最大波动功率P3； 

（20）考虑充放电效率和变换器效率，计算需要储能提供的最小功率P4； 

（21）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网中储能的额定功率Prate2； 

（22）计算自治型微电网的储能额定容量Erate； 

（23）计算自治型微电网的储能额定功率Prate； 

所述累计的不平衡能量E1的计算方法为： 

计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率曲线； 

ΔP(t)=P_DG(t)-P_load(t) 

计算微电网从时刻tj开始孤岛运行T1时间累计的不平衡能量E1， 

$E_1={\∫}_{t_j}^{t_j+T_1}\mathrm{\ΔP}\left(t\right)\mathrm{dt}.$

所述最小放电能量E2和最小充电能量E3计算方法为： 

E₂=|min E₁| 

E₃=|max E₁|。 

所述累计的不平衡能量E5的计算方法为： 

计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率曲线； 

ΔP(t)=P_DG(t)-P_load(t) 

计算微电网从时刻tj开始孤岛运行T1-T2时间累计的不平衡能量E5， 

$E_5={\∫}_{t_j}^{t_j+T_1-T_2}\mathrm{\ΔP}\left(t\right)\mathrm{dt}.$

计算微电网在出现系统极端条件情形下期望微电网继续稳定运行时间T2，需要储能备用的最小放电能量E6的方法为： 

$E_6={\∫}_{t_j+T_1-T_2}^{t_j+T_1}{P}_{\mathrm{load}}\left(t\right)\mathrm{dt}$

计算微电网在出现系统极端条件情形下期望微电网继续稳定运行时间T2，需要储能提供的最小放电能量E7和需要储能吸收的最小充电能量E8方法为： 

E₇=|min(E₅-E₆)| 

E₈=|max(E₅-E₆)| 

本发明的突出优点在于： 

该方法以微电网的自治性为出发点，以运行过程累积的能量缺额由储能来进行弥补，过剩能量由储能来吸收为配置目标。同时考虑了系统极端条件下储能稳定运行期望时间的容量需求，提出了与允许微电网最大连续孤岛运行时间T1和微电网极端条件下期望微电网稳定运行时间T2相关的容量配置方法，能够依据具体的指标要求对微电网储能进行容量配置，有较强的针对性和实用性。 

附图说明

图1是微电网实例结构图； 

图2是微电网实例日负荷特性； 

图3是微电网某月的风力和光伏发电输出特性曲线； 

图4是微电网某月不平衡功率特性曲线； 

图5是微电网主储能在允许孤岛运行240小时时累计的不平衡能量变化曲线； 

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明的自治型微电网储能容量配置方法是如何实现的。 

步骤1：确定微电网中各个子微电网中发电的装机容量和接入的负荷大小和性质。 

在本步骤中，需要根据具体的气象条件和安装条件确定微电网中的风力发电和光伏发电的装机容量，根据微电网负荷类型确定负荷大小和性质，下面以某微电网为实例进行说明。微电网的结构见图1，负荷特性见图2。 

步骤2：确定微电网中的风机发电功率输出特性曲线，根据步骤（1）的风机模型和气象数据对风机的输出特性进行仿真，图3是一种30KW风机某月的有功功率输出特性曲线。 

$P_{\mathrm{WG}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0,& v\left(t\right)<v_{\mathrm{ci}}\\ \mathrm{av}{\left(t\right)}^2+\mathrm{bv}\left(t\right)+c,& v_{\mathrm{ci}}\&le;v\left(t\right)<v_r\\ P_{r\_\mathrm{WG}},& v_r\&le;v\left(t\right)<v_{\mathrm{co}}\\ 0,& v\left(t\right)\&GreaterEqual;v_{\mathrm{co}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，P_{r_WG}风机的额定功率（kw）；v_ci切入风速(m/s)，v_co切出风速(m/s),v_r额定风速(m/s)，v(t)t时刻实际风速(m/s)。 

确定微电网中光伏发电功率输出特性曲线，依照步骤（2）的光伏模型和气象数据对光伏的输出特性进行仿真，图3是一种40KWP光伏某月的有功功率输出特性曲线。 

$P_{\mathrm{PV}}\left(t\right)=P_{\mathrm{STC}}\frac{G_{\mathrm{ING}}\left(t\right)}{G_{\mathrm{STC}}}[1+k_{\mathrm{pv}}(T_c-T_r)]---\left(2\right)$

式中，P_STC标准测试条件下光伏电池组件的最大输出功率（kw），G_STC标准测试条件下的太阳辐照强度（W/m²），G_ING(t)t时刻实际的太阳辐照强度（W/m²），k_pv功率温度系数（％/°C），T_c电池温度（°C） 

步骤3：依照公式（3）计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率曲线； 

ΔP(t)=P_DG(t)-P_load(t)（3） 

步骤4：依照公式（4）计算子微电网从时刻tj开始孤岛运行T1时间累计的不平衡能量E1，附图5是E1随不同的孤岛运行时间的变化 

$E_1={\&Integral;}_{t_j}^{t_j+T_1}\mathrm{\&Delta;P}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

步骤5：依照公式（5）计算需要储能提供的最小放电能量E2； 

E₂=|min E₁|（5） 

步骤6：依照公式（6）计算需要储能提供的最小充电能量E3； 

E₂=|max E₁|（6） 

步骤7：依照公式（7）计算需要储能提供的最小容量E4。储能的放电效率为η_dis， 充电效率为η_ch，变换器效率为η_inv，本实例中，所有储能的充放电效率相等取90％，，逆变器效率90％。 

$E_4=\max \{\frac{E_2}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{dis}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}}},E_3{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ch}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}}\}---\left(7\right)$

步骤8：依照公式（8）计算微电网中储能最小的额定容量。储能的荷电状态的上下限分别为SOC_max和SOC_min。本实例中，能量型储能SOC的范围0.3-1。 

$E_{\mathrm{rate}1}=\frac{E_4}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}---\left(8\right)$

步骤9：计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间的最大供需不平衡功率绝对值 

步骤10：依照公式（9）计算计划运行时间T内微电网中需要储能平抑的最大波动功率P1； 

$P_1=\left\{\begin{array}{cc}-\mathrm{\&Delta;P}{\left(t\right)}_{\min },& \mathrm{\&Delta;P}\left(t\right)<0\\ \mathrm{\&Delta;P}{\left(t\right)}_{\max },& \mathrm{\&Delta;P}\left(t\right)>0\end{array}\right.---\left(9\right)$

步骤11：考虑功率型储能的充放电效率和变换器效率，依照公式（10）计算需要储能提供的最小功率P2； 

$P_2=\left\{\begin{array}{c}\frac{P_1}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{dis}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}}},\mathrm{\&Delta;P}\left(t\right)<0\\ P_1{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ch}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}},\mathrm{\&Delta;P}\left(t\right)>0\end{array}\right.---\left(10\right)$

步骤12：考虑储能的荷电状态的上下限，依照公式（11）计算微电网中储能的额定功率Prate1； 

$P_{\mathrm{rate}1}=\frac{P_2}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}---\left(11\right)$

步骤13：依照公式（12）计算微电网从某时刻开始孤岛运行T1-T2时间累计的不平衡能量E5； 

$E_5={\&Integral;}_{t_j}^{t_j+T_1-T_2}\mathrm{\&Delta;P}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(12\right)$

步骤14：依照公式（13）计算微电网在系统极端条件下，需要储能备用的最小放电能量E6； 

$E_6={\&Integral;}_{t_j+T_1-T_2}^{t_j+T_1}{P}_{\mathrm{load}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(13\right)$

步骤15：依照公式（14）计算微电网在系统极端条件下需要储能提供的最小放电能量E7； 

E₇=|min(E₅-E₆)|（14） 

步骤16：依照公式（15）计算微电网在系统极端条件下需要储能吸收的最小充电能量E8； 

E₈=|max(E₅-E₆)|（15） 

步骤17：依照公式（16）考虑充放电效率和变换器效率，计算微电网在系统极端条件下需要储能提供的最小容量E9； 

$E_9=\max \{\frac{E_7}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{dis}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}}},E_8{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{ch}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}}\}---\left(16\right)$

步骤18：考虑储能的荷电状态的上下限，依照公式（17）计算微电网在系统极端条件下储能的额定容量Erate2； 

$E_{{\mathrm{rate}}^2}=\frac{E_9}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}---\left(17\right)$

步骤19：依照公式（18）计算T内微电网在系统极端条件下需要储能平抑的最大波动功率P3； 

P₃＝P_load(t)_max（18） 

步骤20：考虑充放电效率和变换器效率，依照公式（19）计算需要储能提供的最小功率P4； 

$P_4=\frac{P_3}{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{dis}}{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{inv}}}---\left(19\right)$

步骤21：考虑储能的荷电状态的上下限，依照公式（20）计算微电网中储能的额定功率Prate2； 

$P_{\mathrm{rate}2}=\frac{P_4}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}---\left(20\right)$

步骤22：依照公式（21）计算自治型微电网的储能额定容量Erate； 

E_rate=max{E_rate1，E_rate2}（21） 

步骤23：依照公式（22）计算自治型微电网的储能额定功率Prate 

P_rate=max{P_rate1,P_rate2}（22） 

Claims (6)

1.一种自治型微电网储能容量配置方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）确定微电网中发电的装机容量和接入的负荷大小和性质；

（2）计算计划运行时间T内微电网中发电和负荷的有功功率；

（3）计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率；

（4）计算微电网从某时刻开始孤岛运行T1时间累计的不平衡能量E1；

（5）计算需要储能提供的最小放电能量E2；

（6）计算需要储能吸收的最小充电能量E3；

（7）考虑充放电效率和变换器效率，计算需要储能提供的最小容量E4；

（8）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网中储能的额定容量Erate1；

（9）计算计划运行时间T内微电网中发电与负荷之间的最大供需不平衡功率绝对值；

（10)计算计划运行时间T内微电网中需要储能平抑的最大波动功率P1；

（11）考虑功率型储能的充放电效率和变换器效率，计算需要储能提供的最小功率P2；

（12）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网中储能的额定功率Prate1；

（13）计算微电网从某时刻开始孤岛运行T1-T2时间累计的不平衡能量E5；

（14）计算微电网在系统极端条件下，需要储能备用的最小放电能量E6；

（15）计算微电网在系统极端条件下需要储能提供的最小放电能量E7；

（16）计算微电网在系统极端条件下需要储能吸收的最小充电能量E8；

（17）考虑充放电效率和变换器效率，计算微电网在系统极端条件下需要储能提供的最小容量E9；

（18）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网在系统极端条件下储能的额定容量Erate2；

（19）计算计划运行时间T内微电网在系统极端条件下需要储能平抑的最大波动功率P3；

（20）考虑充放电效率和变换器效率，计算需要储能提供的最小功率P4；

（21）考虑储能的荷电状态的上下限，计算微电网中储能的额定功率Prate2；

（22）计算自治型微电网的储能额定容量Erate；

（23）计算自治型微电网的储能额定功率Prate。

2.根据权利1要求所述的自治型微电网储能容量配置方法，其特征在于，所述累 计的不平衡能量E1的计算方法为：

计算一定时间范围T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率曲线；

ΔP(t)=P_DG(t)-P_load(t)

计算微电网从时刻tj开始孤岛运行T1时间累计的不平衡能量E1，

3.根据权利1要求所述的自治型微电网储能容量配置方法，其特征在于，所述最小放电能量E2和最小充电能量E3计算方法为：

E₂=|min E₁|

E₂=|max E₁|。

4.根据权利1要求所述的自治型微电网储能容量配置方法，其特征在于，所述累计的不平衡能量E5的计算方法为：

计算一定时间范围T内微电网中发电与负荷之间供需不平衡功率曲线；

ΔP(t)=P_DG(t)-Pl_oad(t)

计算微电网从时刻tj开始孤岛运行T1-T2时间累计的不平衡能量E5，

5.根据权利1要求所述的自治型微电网储能容量配置方法，其特征在于，计算微电网在出现系统极端条件情形下期望微电网继续稳定运行时间T2，需要储能备用的最小放电能量E6的方法为：

。

6.根据权利4要求所述的自治型微电网储能容量配置方法，其特征在于，计算微电网在出现系统极端条件情形下期望微电网继续稳定运行时间T2，需要储能提供的最小放电能量E7和需要储能吸收的最小充电能量E8方法为：

E₇=|min(E₅-E₆)|

E₈=|max(E₅-E₆)|。 

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