CN103475015A - 一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法包括下述步骤：1：获取并网风光发电系统输出的功率数据P(n)；判断功率数据P(n)的最大功率波动量

和最大功率波动率

是否满足并网风光发电系统并网波动的约束条件；2：对功率数据P(n)进行离散傅里叶变换后获取功率数据P(n)的频率范围[ω_L，ω_H]；通过试频法和低通滤波确定补偿频率ω_c；3：确定储能容量E_N和储能初始荷电状态SOC₀。和现有技术相比，本发明提供的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法可靠、易于实现，有效解决了可再生能源发电系统的并网波动问题。

Description

一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法

技术领域

本发明涉及一种储能配置方法，具体涉及一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法。

背景技术

以风力、光伏发电为代表的可再生能源具有间歇性、随机性及不确定性等特点；随着可再生能源渗透率不断增加，给电网的安全可靠运行带来了越来越多的挑战。储能系统（EnergyStorage System，ESS）凭借其可充可放的特点，有效的解决了并网风光发电系统输出的波动问题。

储能系统用于平滑并网风光发电系统波动时，风力、光伏的波动率、储能系统的功率、容量及初始状态都直接影响平滑效果及储能系统的运行寿命。因此，提供一种配置储能系统的功率、容量和初始状态的方法显得尤为重要。

发明内容

为了满足现有技术的需求，本发明提供的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，所述方法包括下述步骤：

步骤1：获取并网风光发电系统输出的功率数据P(n)；判断所述功率数据P(n)的最大功率波动量

和最大功率波动率

是否满足并网风光发电系统的输出波动的约束条件，若满足不进行储能配置，若不满足执行步骤2；

步骤2：对所述功率数据P(n)进行离散傅里叶变换后获取所述功率数据P(n)的频率范围[ω_L，ω_H]；通过试频法和低通滤波确定补偿频率ω_c；以及

步骤3：确定储能容量E_N和储能初始荷电状态SOC₀。

优选的，所述步骤1中的所述最大功率波动量

所述最大功率波动率 $F_T^{\max }=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_T^{\max }}{P_N}\×100\%;$ 功率波动量 $\mathrm{\Δ}{P}_T\left(i\right)=P_T^{\max }\left(i\right)-P_T^{\min }\left(i\right);$ 其中，P_N为并网风光发电系统输出的额定功率；功率最大值

功率最小值

i＝1,2,...,(N-T/T_s)表示T时间内从第一个采样数据开始每一个连续时间段的起点；T/T_s为整数，T_s为所述功率数据P(n)的采样周期；

优选的，所述步骤2中所述试频法具体步骤为：

步骤2-1：将所述功率数据P(n)的低频段中波动幅值最大的频率作为所述补偿频率ω_c；

步骤2-2：以所述补偿频率ω_c为截止频率对所述功率数据P(n)进行一阶低通滤波，获取并网联络线功率值 $P_{\mathrm{line}}\left(n\right)=\frac{T_s{\mathrm{\ω}}_{c}P\left(n\right)+P_{\mathrm{line}}(n-1)}{1+T_s{\mathrm{\ω}}_c};$ 其中，n为采样次数；

步骤2-3：获取所述并网联络线功率值P_line(n)的所述最大功率波动量

所述最大功率波动率

和约束条件临界值

所述

为最大功率波动率上限值；

若所述约束条件临界值ε∈[00.5%)，所述最大功率波动量

和所述最大功率波动率

满足所述约束条件，则执行步骤3；

若所述约束条件临界值ε≥0.5%，则返回步骤2-1并将所述补偿频率ω_c向所述功率数据P(n)的高频段延伸；

若所述约束条件临界值ε＜0，所述最大功率波动量

和所述最大功率波动率

不满足所述约束条件，则返回步骤2-1并将所述补偿频率ω_c向所述功率数据P(n)的低频段延伸；

优选的，所述步骤3中通过所述补偿频率ω_c确定储能补偿的所述参考功率

对所述参考功率P_bat(n)修正后获得的所述储能额定功率为P_bat.N=max{|P_bat′′(n)|}；

其中P_bat′′(n)＝P_bat′(n)-ΔP_bat；

${P_{\mathrm{bat}}}^{\&prime;}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)}{{\mathrm{\&eta;}}_d},& P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_c,& P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)<0\end{array}\right.$ 为储能系统的实际充放电功率，η_d、η_c分别为放电效率系数和充电效率系数；

为充放电修正功率，N为采样点数；

优选的，所述步骤3中的所述储能容量所述储能初始荷电状态 ${\mathrm{SOC}}_0=\frac{E_{d.\max }{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}-E_{c.\max }{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}}{E_{d.\max }-E_{c.\max }};$

其中，

为(t₁，t₂)时间周期内的储能系统充放电容量；E_d.max＝max(E)为(t₁，t₂)时间周期内的连续最大放电量；E_c.max＝min(E)为(t₁，t₂)时间周期内的连续最大充电量；SOC_up、SOC_low分别为储能荷电状态最大限值和最小限值；

优选的，所述储能初始荷电状态的约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SOC}}_0-\frac{E_{d.\max }}{E_N}\&GreaterEqual;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}\\ {\mathrm{SOC}}_0-\frac{E_{c.\max }}{E_N}\&le;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}\end{array}\right.;$

优选的，所述步骤1中的约束条件包括：所述功率数据P(n)的采样周期T_s不大于5min；所述最大功率波动量

不超过所述并网风光发电系统的输出波动的最大功率波动量上限值

所述最大功率波动率

不超过所述并网风光发电系统的输出波动的最大功率波动率上限值

优选的，所述储能系统配置在所述并网风光发电系统的并网出口处；m个所述并网风光发电子系统在同一地点并网时，所述储能系统分别配置在m个风力发电系统的集中并网出口处和m个光伏发电系统的集中并网出口，m的数目至少为1。

本发明的有益效果是：

1、本发明技术方案中，可计算任意给定时间段T内的并网风光发电系统输出的功率数据P(n)的功率波动量和波动率；

2、本发明技术方案中，对并网风光发电系统输出的功率数据P(n)进行频谱分析，根据频谱分析得到的波动频率范围，采用试频法和波动率反向校验的方法逐步确定最合适的储能补偿的截止频率，使补偿更有针对性，更准确，既能满足平滑要求，又使储能容量尽可能小；

3、本发明技术方案中，得到补偿的截止频率后，采用一阶低通滤波对原始功率进行平滑，方法可靠易于实现；

4、本发明技术方案中，对一阶低通滤波输出的储能补偿功率进行修正，在不影响平滑效果的情况下，既考虑了储能系统的功率损耗，又能保证储能连续稳定运行；

5、本发明技术方案中，考虑了储能允许荷电状态的限制推导出储能的额定容量和初始状态，在该容量和初始状态下，能够保证周期内任意时刻储能都不会过充或过放，有效维护了电池寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是：本发明实施例中的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法流程图；

图2是：本发明实施例中的储能系统和并网风光发电系统的连接图；

图3是：本发明实施例中的一阶低通滤波原理图；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1示出了本发明实施例中的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法流程图；具体步骤为：

步骤1、由监控系统采样或预测部门得获取需要平滑的并网风光发电系统发电输出的历史功率数据或预测功率数据P(n)；若功率数据P(n)的最大功率波动量和最大功率波动率

满足并网风光发电系统的输出波动的约束条件，则不进行储能配置，若不满足执行步骤2；约束条件包括：所述功率数据P(n)的采样周期T_s不大于5min；T时间内最大功率波动量

不超过并网风光发电系统的输出波动的最大功率波动量上限值

最大功率波动率

不超过可再生能源并网波动的最大功率波动率上限值

最大功率波动量 $\mathrm{\&Delta;}{P}_T^{\max }=\max \left(\mathrm{\&Delta;}{P}_T\left(i\right)\right);$ 最大功率波动率 $F_T^{\max }=\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_T^{\max }}{P_N}\&times;100\%;$ 功率波动量

其中，P_N为并网风光发电系统输出的额定功率；功率最大值 $P_T^{\max }\left(i\right)=\max \left(P(i:i+T/T_s)\right),$ 功率最小值 $P_T^{\min }\left(i\right)=\min \left(P(i:i+T/T_s)\right);$ i＝1,2,...,(N-T/T_s)表示T时间内从第一个采样数据开始每一个连续时间段的起点；T/T_s为整数，T_s为功率数据P(n)的采样周期。

步骤2、对功率数据P(n)进行离散傅里叶变换，根据幅频特性得到功率数据P(n)的波动频率范围[ω_L，ω_H]；ω_L为波动频率最小值，ω_H为波动频率最大值；通过试频法确定补偿频率ω_c；试频法具体步骤为：

步骤2-1：将功率数据P(n)的低频段中波动幅值最大的频率作为补偿频率ω_c，ω_c∈[ω_L，ω_H]；

步骤2-2：如3所示的一阶低通滤波原理图；以补偿频率ω_c为截止频率对功率数据P(n)进行一阶低通滤波，获取功率数据P(n)第n次采样输入值经低通滤波的输出值，即并网联络线功率值 $P_{\mathrm{line}}\left(n\right)=\frac{T_s{\mathrm{\&omega;}}_{c}P\left(n\right)+P_{\mathrm{line}}(n-1)}{1+T_s{\mathrm{\&omega;}}_c};$ 其中，n为采样次数；

步骤2-3：获取并网联络线功率值P_line(n)的最大功率波动量

最大功率波动率

和约束条件临界值

为最大功率波动率上限值；若约束条件临界值ε∈[00.5%)，最大功率波动量

和最大功率波动率满足所述约束条件，则执行步骤3；若约束条件临界值ε≥0.5%，则返回步骤2-1并将该补偿频率ω_c向功率数据P(n)的高频段延伸；若约束条件临界值ε＜0，最大功率波动量

和最大功率波动率

不满足约束条件，则返回步骤2-1并将补偿频率ω_c向功率数据P(n)的低频段延伸。

步骤3：确定储能容量E_N和储能初始荷电状态SOC₀；

通过步骤2获得的补偿频率ω_c确定经低通滤波后的储能补偿的参考功率

放电时，储能系统实际放电功率除去损耗后需满足参考功率放电功率要求，其值为参考放电功率除以放电效率；充电时，储能系统实际充电功率除去损耗后需满足参考功率充电功率要求，其值为参考充电功率乘以充电效率；

对参考功率P_bat(n)进行网损和充放电修正后获得的储能额定功率为P_bat.N=max{|P_bat′′(n)|}；其中P_bat′′(n)＝P_bat′(n)-ΔP_bat； ${P_{\mathrm{bat}}}^{\&prime;}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)}{{\mathrm{\&eta;}}_d},& P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_c,& P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)<0\end{array}\right.$ 为储能系统的实际充放电功率，η_d、η_c分别为放电效率系数和充电效率系数；为充放电修正功率，N为采样点数；

储能容量 $E_N=\frac{E_{d.\max }-E_{c.\max }}{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}-{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}};$ 储能初始荷电状态 ${\mathrm{SOC}}_0=\frac{E_{d.\max }{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}-E_{c.\max }{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}}{E_{d.\max }-E_{c.\max }};$ 其中，

为(t₁，t₂)时间周期内的储能系统充放电容量；E_d.max＝max(E)为(t₁，t₂)时间周期内的连续最大放电量；E_c.max＝min(E)为(t₁，t₂)时间周期内的连续最大充电量；SOC_up、SOC_low分别为储能荷电状态最大限值和最小限值；

储能初始荷电状态的约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SOC}}_0-\frac{E_{d.\max }}{E_N}\&GreaterEqual;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}\\ {\mathrm{SOC}}_0-\frac{E_{c.\max }}{E_N}\&le;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}\end{array}\right..$

图2示出了本发明实施例中的储能系统和并网风光发电系统的连接图；储能系统配置在所述并网风光发电系统的并网出口处；当m个并网风光发电子系统在同一地点并网时，储能系统分别配置在m个风力发电系统的集中并网出口处和m个光伏发电系统的集中并网出口，m的数目至少为1。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1：获取并网风光发电系统输出的功率数据P(n)；判断所述功率数据P(n)的最大功率波动量

和最大功率波动率

是否满足并网风光发电系统的输出波动的约束条件，若满足不进行储能配置，若不满足执行步骤2；

步骤2：对所述功率数据P(n)进行离散傅里叶变换后获取所述功率数据P(n)的频率范围[ω_L，ω_H]；通过试频法和低通滤波确定补偿频率ω_c；以及

步骤3：确定储能容量E_N和储能初始荷电状态SOC₀。

2.如权利要求1所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述步骤1中的所述最大功率波动量

所述最大功率波动率 $F_T^{\max }=\frac{\mathrm{\&Delta;}{P}_T^{\max }}{P_N}\&times;100\%;$ 功率波动量 $\mathrm{\&Delta;}{P}_T\left(i\right)=P_T^{\max }\left(i\right)-P_T^{\min }\left(i\right);$ 其中，P_N为并网风光发电系统输出的额定功率；功率最大值

功率最小值

i＝1,2,...,(N-T/T_s)表示T时间内从第一个采样数据开始每一个连续时间段的起点；T/T_s为整数，T_s为所述功率数据P(n)的采样周期。

3.如权利要求1所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述步骤2中所述试频法具体步骤为：

步骤2-1：将所述功率数据P(n)的低频段中波动幅值最大的频率作为所述补偿频率ω_c；

步骤2-2：以所述补偿频率ω_c为截止频率对所述功率数据P(n)进行一阶低通滤波，获取并网联络线功率值 $P_{\mathrm{line}}\left(n\right)=\frac{T_s{\mathrm{\&omega;}}_{c}P\left(n\right)+P_{\mathrm{line}}(n-1)}{1+T_s{\mathrm{\&omega;}}_c};$ 其中，n为采样次数；

步骤2-3：获取所述并网联络线功率值P_line(n)的所述最大功率波动量

所述最大功率波动率

和约束条件临界值

所述

为最大功率波动率上限值；

若所述约束条件临界值ε∈[00.5%)，所述最大功率波动量

和所述最大功率波动率

满足所述约束条件，则执行步骤3；

若所述约束条件临界值ε≥0.5%，则返回步骤2-1并将所述补偿频率ω_c向所述功率数据P(n)的高频段延伸；

若所述约束条件临界值ε＜0，所述最大功率波动量

和所述最大功率波动率不满足所述约束条件，则返回步骤2-1并将所述补偿频率ω_c向所述功率数据P(n)的低频段延伸。

4.如权利要求1或3所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述步骤3中通过所述补偿频率ω_c确定储能补偿的所述参考功率

对所述参考功率P_bat(n)修正后获得的所述储能额定功率为P_bat.N=max{|P_bat′′(n)|}；

其中P_bat′′(n)＝P_bat′(n)-ΔP_bat；

${P_{\mathrm{bat}}}^{\&prime;}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)}{{\mathrm{\&eta;}}_d},& P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)\&GreaterEqual;0\\ P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_c,& P_{\mathrm{bat}}\left(n\right)<0\end{array}\right.$ 为储能系统的实际充放电功率，η_d、η_c分别为放电效率系数和充电效率系数；

为充放电修正功率，N为采样点数。

5.如权利要求1或3所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述步骤3中的所述储能容量

所述储能初始荷电状态 ${\mathrm{SOC}}_0=\frac{E_{d.\max }{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}-E_{c.\max }{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}}{E_{d.\max }-E_{c.\max }};$

其中，为(t₁，t₂)时间周期内的储能系统充放电容量；E_d.max＝max(E)为(t₁，t₂)时间周期内的连续最大放电量；E_c.max＝min(E)为(t₁，t₂)时间周期内的连续最大充电量；SOC_up、SOC_low分别为储能荷电状态最大限值和最小限值。

6.如权利要求5所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述储能初始荷电状态的约束条件为 $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{SOC}}_0-\frac{E_{d.\max }}{E_N}\&GreaterEqual;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{low}}\\ {\mathrm{SOC}}_0-\frac{E_{c.\max }}{E_N}\&le;{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{up}}\end{array}\right..$

7.如权利要求1所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述步骤1中的约束条件包括：所述功率数据P(n)的采样周期T_s不大于5min；所述最大功率波动量

不超过所述并网风光发电系统的输出波动的最大功率波动量上限值

所述最大功率波动率不超过所述并网风光发电系统的输出波动的最大功率波动率上限值

8.如权利要求1所述的一种用于平滑并网风光发电系统输出波动的储能配置方法，其特征在于，所述储能系统配置在所述并网风光发电系统的并网出口处；m个所述并网风光发电子系统在同一地点并网时，所述储能系统分别配置在m个风力发电系统的集中并网出口处和m个光伏发电系统的集中并网出口，m的数目至少为1。

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