CN103269091A - 一种基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法，它可提高能源利用率，降低发电系统的造价，在满足风光系统平均功率恒定的同时，风光互补系统的造价达到最低；并通过计算系统恒平均功率输出时的系统最大缺电量，进行储能容量的配置。其步骤为：1）采集当地的风光历史数据，得出年平均出力曲线及平均输出功率；2）以造价最低为原则，进行风、光互补发电容量配置计算，得到最佳风光比例下的日平均功率曲线，确定造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g；3）根据步骤2）得到的配比n_f:n_g，计算年实时风光互补功率输出数据，以此求取日平均风光互补功率输出数据，并利用积分峰值法，以满足最大缺电量为约束条件，计算平均功率恒定输出时的储能设备容量。

Description

一种基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法

技术领域

本发明涉及风光储容量的配置方法，尤其涉及一种基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法。

背景技术

为了合理利用风能、太阳能等可再生能源进行发电，建立高效的风光储互补发电系统，对风光储的容量配置进行优化设置是非常有必要的。

由于风能和太阳能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风力和光伏独立发电系统上的缺陷。风光互补发电可以降低风力发电、光伏发电的波动性、间歇性和随机性对系统造成的影响，提高可再生能源的利用率，有效改善了风力发电和光伏发电单独输出电力时对系统稳定性和可靠性的影响。

通常传统风光互补发电容量配置计算，一般是根据项目地的气象条件、地理条件、电网条件及负荷水平等资源情况，首先确定风力发电系统装机容量；然后根据风力发电系统容量，计算出风力发电的出力情况。再分别计算在此风电场中配置不同容量的光伏电站的风光总出力情况；最后，比较不同光伏配置时的风光总出力曲线的波动性，根据风光互补效果，总体权衡比较得出光伏发电的装机容量。

其中，储能系统具有动态吸收能量并适时释放的特点,能有效弥补风力发电、光伏发电的间歇性、波动性缺点,改善间歇式电源输出功率的可控性,提升系统稳定水平。此外,储能系统的合理配置还能有效增强风电机组的低电压穿越功能、增大电力系统的风电穿透功率极限、改善电能质量及优化系统经济性。

但目前在将风光发电与储能系统结合时，其容量配置存在一定的问题，主要集中在无法有效控制两者间容量配比，使得工程造价高昂，限制了其应用；同时由于容量配比不合适，使得其无法满足平均功率恒定的要求，影响电网供电质量。

风光储容量配比不当时的引起的问题还包括：一是无法很好体现风光的互补性；二是难以达到预先设定的功率输出要求，对电网造成不利影响；三是工程的造价可能还比较高。特别是目前还没有一种能实现输出平均功率恒定的风光储容量配比计算方法。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法，它可提高能源利用率，降低发电系统的造价，在满足风光系统平均功率恒定的同时，风光互补系统的造价达到最低；并通过计算系统恒平均功率输出时的系统最大缺电量，进行储能容量的配置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于风光年平均出力曲线的风光储容量配置方法，步骤为：

1）采集当地的风、光历史数据，得出单位风、光发电年平均功率曲线，折算出单位风、光发电日平均功率曲线及平均输出功率；

2）以造价最低为原则，进行风、光互补发电容量配置计算，确定平均输出功率恒定的造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g；

3）根据步骤1）得到的单位风、光发电日平均功率曲线以及步骤2）得到的最佳风光容量配比n_f:n_g，计算得到平均输出功率恒定的最佳风光比例下的风光互补日平均功率曲线，利用积分峰值法，以满足最大缺电量为约束条件，计算实现平均功率恒定输出时所需的储能设备容量。

从而确定出输出平均功率P（单位千瓦）恒定时，在步骤2）得到的风光容量配比n_f:n_g条件下，输出平均功率恒定为P的风光储系统中，需配置n_f单位容量风力发电系统，n_g单位容量光伏发电系统，同时为平滑输出所需的储能装置的容量为P_b，单位千瓦时。

所述步骤1）中，

1a计算单位风力发电系统的日平均功率曲线及平均功率输出值

根据该地区的N年历史气象数据，按每小时采集一次数据；对单位风力发电系统的年发电功率曲线进行预测，并折算出单位风力发电系统的日平均功率曲线及平均功率输出值

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fk}}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{fi}},$    k=1，2，…，8760

k=24(d-1)+j   d=1,2,…，365；j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fj}}}=\frac{1}{365}\underset{d=1}{\overset{365}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fdj}}}$    j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_f}=\frac{1}{8760}\underset{k=1}{\overset{8760}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fk}}}$

式中，P_fik为单位装机容量的风力发电系统第i年第k个采集时刻的输出功率；

为单位风力发电系统年平均功率曲线中第k个采集时刻的输出功率；

为年平均功率曲线中第k个采集时刻折算到第d天第j个采样时刻的功率；

为单位风力发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位风力发电系统年平均功率曲线的平均输出功率。

1b计算单位光伏发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

根据该地区的N年历史气象数据，按每小时采集一次数据；对单位光伏发电系统的年发电功率曲线进行预测，并计算单位光伏发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gk}}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}}$    k=1，2，…，8760

k=24(d-1)+j   d=1,2,…，365；j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gj}}}=\frac{1}{365}\underset{d=1}{\overset{365}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gdj}}}$    j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_g}=\frac{1}{8760}\underset{k=1}{\overset{8760}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gk}}}$

式中，P_gik为单位装机容量的光伏发电系统第i年第k个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统年平均功率曲线中第k个采集时刻的输出功率；

为年平均功率曲线中第k个采集时刻折算到第d天第j个采样时刻的功率；

为单位光伏发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统年平均功率曲线的平均输出功率。

所述步骤2）中，风光比例配置计算中，根据预测得到的单位风力发电平均功率值

和单位光伏发电平均功率值

设定恒定输出功率为P，分别选取风、光比例n_f:n_g为n:1、(n-1)∶1、(n-2)∶1、……、2∶1、1∶1、1∶2、……、1：(n-2)、1：(n-1)、1∶n各种风光容量配比，以风光发电系统造价最低为目标，建立约束方程为

$p=n_f\stackrel{\‾}{P_f}+n_g\stackrel{\‾}{P_g}$

minC(n_f，n_g)=n_fC_f+n_gC_g

其中：

——单位风力发电系统的平均功率输出值；

——单位光伏发电系统的平均功率输出值；

C_f——单位风力发电系统的造价；

C_g——单位光伏发电系统的造价；

n_f——风力发电设备配置单位容量的个数；

n_g——光伏发电设备配置单位容量的个数；

C——风光总造价；

风光比例为n:1时的造价记为C_n1，其他依次类推，其中C取除C_n1外的其他各种比例，通过上述计算，并逐一比较得出输出平均功率为P，造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g。

所述步骤3）的具体过程为：

3a计算造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g下的日实时风光互补功率输出数据

根据风、光日平均功率输出曲线，求造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g下的日风光互补功率输出数据；

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fgj}}}=n_f\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fj}}}+n_g\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gj}}}$    j=1，2，…，24

式中，

为单位风力发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为容量配比n_f:n_g下风光互补发电系统日平均功率第j个采样时刻的输出功率；3b计算满足最大缺电量的储能设备容量

采用积分峰值法求取储能容量，将上述3a中所得最佳比例下的风光互补日平均功率输出数据

对时间依次积分所得积分和绝对值的最大值，该值即为所求的储能容量值P_b，单位千瓦时。

本发明的有益效果是：它结合风力发电和光伏发电功率曲线，计算风光储容量配比，并且在满足输出平均功率恒定的情况下，做到造价最低，同时满足最大缺电量的要求。计算方法简单合理，便于实际操作。对于由于大规模风光等间歇性可再生能源接入引起的电力系统电压波动、电力系统的稳定性和可靠性等问题是很有利的。

附图说明

图1为本发明的整体流程图；

图2为风光互补容量计算方法流程图；

图3储能设备容量的实用计算过程流程图；

图4单位风电平均功率数据

图5单位光伏平均功率数据

图6风光比例为5：1时的风光实时功率数据。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明的方法为：首先基于风、光年平均出力曲线，折算出风、光日平均出力曲线，以造价最低为原则，进行风、光互补发电容量配置计算；其次根据风、光互补发电计算的容量配置方案，以满足最大缺电量为约束条件，计算平均功率恒定输出时的储能设备容量。详细计算流程如图1所示。

1）基于年平均功率曲线的风光互补发电容量配置计算方法

根据该地区历史气象数据，对单位功率风力发电系统和单位功率光伏发电系统的平均出力进行预测，得到单位功率风力发电系统和单位功率光伏发电系统的平均功率曲线，通过本发明提出的计算方法，基于造价最低的方法对风光互补发电进行容量配置。

本发明提出的风光互补发电容量配置计算方法原理如下：

1a）计算单位风力发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

根据该地区的N年历史气象数据（每小时采集一次数据），对单位风力发电系统的年发电功率曲线进行预测，并计算单位风力发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fk}}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{fi}},$    k=1，2，…，8760

k=24(d-1)+j   d=1,2,…，365；j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fj}}}=\frac{1}{365}\underset{d=1}{\overset{365}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fdj}}}$    j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_f}=\frac{1}{8760}\underset{k=1}{\overset{8760}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fk}}}$

式中，P_fik为单位装机容量的风力发电系统第i年第k个采集时刻的输出功率；

为单位风力发电系统年平均功率曲线中第k个采集时刻的输出功率；

为年平均功率曲线中第k个采集时刻折算到第d天第j个采样时刻的功率；

为单位风力发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位风力发电系统年平均功率曲线的平均输出功率。

1b）计算单位光伏发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

根据该地区的N年历史气象数据（每小时采集一次数据），对单位光伏发电系统的年发电功率曲线进行预测，并计算单位光伏发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gk}}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}}$    k=1，2，…，8760

k=24(d-1)+j   d=1,2，…，365；j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gj}}}=\frac{1}{365}\underset{d=1}{\overset{365}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gdj}}}$    j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_g}=\frac{1}{8760}\underset{k=1}{\overset{8760}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gk}}}$

式中，P_gik为单位装机容量的光伏发电系统第i年第k个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统年平均功率曲线中第k个采集时刻的输出功率；

为年平均功率曲线中第k个采集时刻折算到第d天第j个采样时刻的功率；

为单位光伏发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统年平均功率曲线的平均输出功率。

1c）计算风光容量配比n_f:n_g。

如图2所示，根据预测得到的单位风力发电平均功率值

和单位光伏发电平均功率值

以恒定输出功率P千瓦为例，分别选取风光比例n_f:n_g为n:1、（n-1）:1、（n-2）:1、……、2:1、1:1、1:2、……、1:（n-2）、1:（n-1）、1:n等各种风光容量配比，以风光发电系统造价最低为目标，约束方程为

$p=n_f\stackrel{\‾}{P_f}+n_g\stackrel{\‾}{P_g}$

minC(n_f，n_g)=n_fC_f+n_gC_g

其中：

——单位风力发电系统的平均功率输出值；

——单位光伏发电系统的平均功率输出值；

C_f——单位风力发电系统的造价；

C_g——单位光伏发电系统的造价；

n_f——风力发电设备配置单位容量的个数；

n_g——光伏发电设备配置单位容量的个数；

C——风光总造价。

风光互补容量计算方法过程见图2。

风光比例为n:1时的造价记为C_n1，其他依次类推。其中C取除C_n1外的其他各种比例。

通过上述计算，并逐一比较得出输出平均功率为P千瓦，造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g。

2）基于最大缺电量计算储能设备容量的实用计算方法

在考虑风光单位发电容量造价的约束条件下，根据上述风光发电容量配置方法的计算结果，本发明在此基础上提出一种满足恒功率输出的，基于最大缺电量计算储能设备容量的实用方法。

本发明提出的储能设备容量的实用计算方法原理如下：

2a计算风光单位容量配比n_f:n_g下的日实时风光互补功率输出数据

根据风、光日平均功率输出曲线，求风光单位容量配比为n_f:n_g时的风光互补日平均功率输出数据，

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fgj}}}=n_f\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fj}}}+n_g\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gj}}}$    j=1，2，…，24

式中，

为单位风力发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为容量配比n_f:n_g下风光互补发电系统日平均功率第j个采样时刻的输出功率。

2b计算满足最大缺电量的储能设备容量

采用积分峰值法求取储能容量。积分峰值就是将上述2a中所得最佳比例下的风光互补日平均功率输出数据对时间依次积分所得积分和绝对值的最大值，该值即为所求的储能容量值P_b，单位千瓦时。

储能设备容量的实用计算方法如图3所示。

通过计算，得出输出平均功率恒定时风光互补发电容量配置比例为n_f:n_g，即输出平均功率恒定为P（单位千瓦）的风光储系统中，需配置n_f单位容量风力发电系统，n_g单位容量光伏发电系统，同时为平滑输出所需的储能装置的容量为P_b千瓦时。

实施例：

以平均功率10000kW风光储系统，计算风光储容量配置。

根据某项目地的气象条件，预测该地区单位千瓦的风力发电系统年平均出力曲线，并折算出单位千瓦的风力发电系统日平均出力曲线，如图4种所示，并计算单位千瓦的风力发电系统年平均出力曲线的输出功率平均值为0.250227kW；

根据某项目地的气象条件，预测该地区单位千瓦的光伏发电系统年平均出力曲线，并折算出单位千瓦的光伏发电系统日平均出力曲线，如图5种所示，计算该地区单位千瓦的光伏发电系统年平均出力曲线的输出功率平均值为0.22194kW。

计算平均功率输出为10000kW时，不同比例的风光容量造价：

按照风电8000元/KW、光伏10000元/KW的造价，计算风光比例为5：1时风光总造价最低为33.9434万元。以造价最低为约束条件，计算得出风光互补发电平均功率10000kW时，须配置33943kW风力发电容量，6789kW光伏发电容量，风光比例为5：1，其中，风力发电平均出力8500kW，光伏发电平均出力1500kW。

图5中风光比例为5：1时的风光实时功率数据。

计算储能容量

采用积分峰值法计算风光比例5：1时，即风力发电容量33943kW，光伏发电容量6789kW，平滑其输出为平均功率10000kW恒定，所需的储能容量为58341kWh。

计算结果：输出功率10000kW风光储互补发电系统，基于平均功率进行计算，风光比例5：1造价最低，其中风电装机33943kW，平均功率8500kW；光伏电源容量6789kW，平均功率1500kW；所需储能设备容量58341kWh。

Claims (4)

1.一种基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法，其特征是，步骤为：

1）采集当地的风、光历史数据，得出单位风、光发电年平均功率曲线，折算出单位风、光发电日平均功率曲线及平均输出功率；

2）以造价最低为原则，进行风、光互补发电容量配置计算，确定平均输出功率恒定的造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g；

3）根据步骤1）得到的单位风、光发电日平均功率曲线，根据步骤2）得到的最佳风光容量配比n_f:n_g，计算得到平均输出功率恒定的最佳风光比例下的风光互补日平均功率曲线，利用积分峰值法，以满足最大缺电量为约束条件，计算实现平均功率恒定输出时所需的储能设备容量；也即得出输出平均功率P恒定时，P为单位千瓦，在步骤2）得到的风光容量配比n_f:n_g条件下，输出平均功率恒定为P的风光储系统中，需配置n_f单位容量风力发电系统，n_g单位容量光伏发电系统，同时为平滑输出所需的储能装置的容量为P_b，单位千瓦时。

2.如权利要求1所述的基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法，其特征是，所述步骤1）中，

1a计算单位风力发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

根据该地区的N年历史气象数据，按每小时采集一次数据；对单位风力发电系统的年发电功率曲线进行预测，并折算出单位风力发电系统的日平均功率曲线及平均功率输出值

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fk}}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{fi}},$    k=1，2，…，8760

k=24(d-1)+j   d=1,2,…，365；j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fj}}}=\frac{1}{365}\underset{d=1}{\overset{365}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fdj}}}$    j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_f}=\frac{1}{8760}\underset{k=1}{\overset{8760}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fk}}}$

式中，P_fik为单位装机容量的风力发电系统第i年第k个采集时刻的输出功率；

为单位风力发电系统年平均功率曲线中第k个采集时刻的输出功率；

为年平均功率曲线中第k个采集时刻折算到第d天第j个采样时刻的功率；

为单位风力发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位风力发电系统年平均功率曲线的平均输出功率；

1b计算单位光伏发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

根据该地区的N年历史气象数据，按每小时采集一次数据；对单位光伏发电系统的年发电功率曲线进行预测，并计算单位光伏发电系统的年平均功率曲线的平均功率输出值

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gk}}}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}}$    k=1，2，…，8760

k=24(d-1)+j   d=1,2,…，365；j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gj}}}=\frac{1}{365}\underset{d=1}{\overset{365}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gdj}}}$    j=1，2，…，24

$\stackrel{\‾}{P_g}=\frac{1}{8760}\underset{k=1}{\overset{8760}{\mathrm{\Σ}}}\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gk}}}$

式中，P_gik为单位装机容量的光伏发电系统第i年第k个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统年平均功率曲线中第k个采集时刻的输出功率；

为年平均功率曲线中第k个采集时刻折算到第d天第j个采样时刻的功率；

为单位光伏发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统年平均功率曲线的平均输出功率。

3.如权利要求1所述的基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法，其特征是，所述步骤2）中，配置计算中，根据预测得到的单位风力发电平均功率值和单位光伏发电平均功率值

设定恒定输出功率为P，分别选取风、光比例n_f:n_g为n:1、（n-1）：1、（n-2）:1、……、2:1、1:1、1:2、……、1:（n-2)、1:(n-1)、1:n各种风光容量配比，以风光发电系统造价最低为目标，建立约束方程为

$P=n_f\stackrel{\‾}{P_f}+n_g\stackrel{\‾}{P_g}$

minC(n_f，n_g)=n_fC_f+n_gC_g

其中：——单位风力发电系统的平均功率输出值；

——单位光伏发电系统的平均功率输出值；

C_f——单位风力发电系统的造价；

C_g——单位光伏发电系统的造价；

n_f——风力发电设备配置单位容量的个数；

n_g——光伏发电设备配置单位容量的个数；

C——风光总造价；

风光比例为n:1时的造价记为C_n1，其他依次类推，其中C取除C_n1外的其他各种比例，通过上述计算，并逐一比较得出输出平均功率为P，造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g。

4.如权利要求1所述的基于风光平均出力曲线的风光储容量配置方法，其特征是，所述步骤3）的具体过程为：

3a计算造价最低的一组风光容量配比n_f:n_g下的日实时风光互补功率输出数据

根据风、光日平均功率输出曲线，求风光单位容量配比为n_f:n_g时的风光互补日平均功率输出数据，

$\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fgj}}}=n_f\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{fj}}}+n_g\stackrel{\‾}{P_{\mathrm{gj}}}$    j=1，2，…，24

式中，为单位风力发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为单位光伏发电系统日平均功率曲线中第j个采集时刻的输出功率；

为容量配比n_f:n_g下风光互补发电系统日平均功率第j个采样时刻的输出功率

3b计算满足最大缺电量的储能设备容量

采用积分峰值法求取储能容量，积分峰值就是将上述3a中所得最佳比例下的风光互补日平均功率输出数据

对时间依次积分所得积分和绝对值的最大值，该值即为所求的储能容量值P_b，单位千瓦时。

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