CN104333025B - 适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法。该方法，首先，采集工业生产脉冲负荷数据，对脉冲负荷进行特性分析，得到典型日脉冲负荷冲击样本数据；其次，确定脉冲负荷平抑相关优化目标及约束条件；对时频变换后的典型日脉冲负荷数据频域信号进行临界频率搜索得到满足最大冲击限制的临界频率值；最后，考虑优化目标及约束条件确定超级电容储能系统额定功率、额定容量和初始荷电量。本发明通过配置储能缓解工业生产的脉冲性负荷对电网的冲击，为脉冲负荷的超级电容储能配置提供理论依据。

Description

适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法

技术领域

本发明涉及超级电容储能配置领域，特别是一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法。

背景技术

随着我国工业生产规模不断扩大，大容量波动性负荷相继出现，对电网的承受能力和稳定性提出了更高的要求。而微电网由于其本身的特点，系统惯性小，阻尼不足，不具备大电网的抗扰动能力，在能量需求变化的瞬间，分布式电源无法满足需要，所以微电网需要依赖储能装置(ESS, Energy Storage System)来达到能量平衡。储能对于带有冲击性负荷的微电网来说尤为重要。

目前国内外对于冲击负荷的研究主要针对大电网而言，主要研究了大型轧钢厂、超高功率电弧炉等产生的冲击负荷对电网频率和电压的影响。而对储能配置的研究则集中在风光互补系统方面，提出了用于短期电网调度的风电场储能容量估算算法、评估了电网削峰填谷的储能系统容量配置的经济性和基于饱和控制理论的储能装置容量配置方法等，对冲击负荷场景下储能容量配置的研究还比较少。

本发明在分析了冲击负荷特性的基础上，选择超级电容作为储能装置，并以储能容量最小为优化目标，给出了冲击负荷场景下微电网储能的容量优化配置方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法，包括如下步骤，

步骤1：采集工业生产脉冲负荷数据，对脉冲负荷进行特性分析，得到典型日脉冲负荷冲击样本数据；

步骤2：确定脉冲负荷平抑相关优化目标及约束条件；

步骤3：对典型日脉冲负荷冲击样本数据进行时频变换后的频域信号进行临界频率搜索，得到满足最大冲击限制的临界频率值；

步骤4：考虑优化目标及约束条件确定超级电容储能系统额定功率、额定容量和初始荷电量。

在本发明实施例中，所述优化目标即经济成本最小化，所述约束条件包括补偿后最大冲击限制以及满足储能系统日稳定运行条件，其中，为额定功率,为最大冲击限制,为T时间段中任意时刻i、j的功率差值。

在本发明实施例中，所述超级电容储能系统日稳定运行条件，即考察时段净充放电量守恒和荷电状态上下限约束。

在本发明实施例中，所述步骤3中临界频率的搜索，具体过程如下：

首先，对典型日脉冲负荷冲击样本数据进行时域至频域的转换得到对应幅频信息、 ，其中,为采样周期,为采样频率,为采样点个数；

其次，根据对典型日脉冲负荷功率样本数据频谱分析的结果，在确定一平滑时间窗口后，从高频开始逐渐向低频延伸，通过试差法找到满足最大冲击限制要求的临界频率值，该频率值将频段范围分为高频段和低频段，其中，高频段和即待补偿频段，对应超级电容储能系统需要消除的负荷功率，低频段对应理想目标负荷功率，将和两频段幅值置零，则代表消除该频段范围功率波动。

在本发明实施例中，所述步骤4，具体方法如下：

根据目标负荷幅频信息，进行时频反变换，即得到经超级电容储能系统补偿后的目标负荷功率和超级电容储能系统的充电功率，如下式所示，其中，为正表示充电，为负表示放电；

考虑储能充放电效率、，同时为满足储能日稳定运行约束条件，通过迭代计算修正目标负荷功率和储能实际充电功率，如下式所示，

其中，为考虑充放电效率情况下使得日稳定运行约束条件满足所需的修正量；

储能的额定功率值取序列中最大值；

根据已获得的储能系统功率数据，可由以下式计算得到其额定容量；

式中，为储能系统剩余电量；此外，考虑初始荷电状态上下限约束条件，可确定超级电容储能系统初始电荷量，由此可得：

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相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过配置超级电容的方式来平抑脉冲负荷功率的冲击；根据脉冲负荷接入情况确定超级电容接入方式，确定脉冲负荷平抑相关优化目标及约束条件，并通过临界频率搜索找到满足最大冲击限制的临界频率，进而得到满足多项约束条件的超级电容配置参数；为适应脉冲负荷功率波动平抑超级电容配置提供理论依据。

附图说明

图1为本发明提供的一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方案的流程图。

图 2 冲击负荷实测功率曲线。

图 3 原始冲击功率曲线与补偿后功率曲线。

图 4 超级电容及输出功率曲线。

图 5 超级电容能量波动曲线。

图 6 荷电状态波动曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方案，主要适用于平抑工业生产中产生的脉冲型负荷功率波动，其方法流程如图1所示，具体包括如下步骤，

步骤1：采集工业生产脉冲负荷数据，对脉冲负荷进行特性分析，得到典型日脉冲负荷冲击样本数据；

步骤2：确定脉冲负荷平抑相关优化目标及约束条件；所述优化目标即经济成本最小化，所述约束条件包括补偿后最大冲击限制以及满足储能系统日稳定运行条件，其中，为额定功率,为最大冲击限制,为T时间段中任意时刻i、j的功率差值；所述超级电容储能系统日稳定运行条件，即考察时段净充放电量守恒和荷电状态上下限约束；

步骤3：对典型日脉冲负荷冲击样本数据进行时频变换后的频域信号进行临界频率搜索，得到满足最大冲击限制的临界频率值；具体过程如下：

首先，对典型日脉冲负荷冲击样本数据进行时域至频域的转换得到对应幅频信息、 ，其中，为采样周期,为采样频率,为采样点个数；

其次，根据对典型日脉冲负荷功率样本数据频谱分析的结果，在确定一平滑时间窗口后，从高频开始逐渐向低频延伸，通过试差法找到满足最大冲击限制要求的临界频率值，该频率值将频段范围分为高频段和低频段，其中，高频段和即待补偿频段，对应超级电容储能系统需要消除的负荷功率，低频段对应理想目标负荷功率，将和两频段幅值置零，则代表消除该频段范围功率波动；

步骤4：考虑优化目标及约束条件确定超级电容储能系统额定功率、额定容量和初始荷电量；具体方法如下：

根据目标负荷幅频信息，进行时频反变换，即得到经超级电容储能系统补偿后的目标负荷功率和超级电容储能系统的充电功率，如下式所示，其中，为正表示充电，为负表示放电；

考虑储能充放电效率、，同时为满足储能日稳定运行约束条件，通过迭代计算修正目标负荷功率和储能实际充电功率，如下式所示，

其中，为考虑充放电效率情况下使得日稳定运行约束条件满足所需的修正量；

储能的额定功率值取序列中最大值；

根据已获得的储能系统功率数据，可由以下式计算得到其额定容量；

式中，为储能系统剩余电量；此外，考虑初始荷电状态上下限约束条件，可确定超级电容储能系统初始电荷量，由此可得：

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下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

下面举例说明适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法：

以江苏省某轧钢厂的实测冲击负荷数据为例，确定ESS的额定功率和额定容量，并进一步讨论超级电容储能的经济效益。为使优化效果更加直观，只对一台轧钢机的冲击数据进行分析，需要指出的是，当有多台轧钢机同时运行时，功率波动更加剧烈且具有更大的随机性，但处理方法相同。

根据超级电容器的充放电特性，综合充放电效率定为95%，ESS充放电效率相等且均为97.47%；SOC上限取为0.9，下限取0.5。经补偿过后的控制目标定为13.5MW，且波动率不超过10%。

原始的冲击功率曲线如图2所示。

首先对该数据通过离散傅里叶变换进行频谱分析，得到在频域中的幅频特性。基于幅频特性曲线，确定满足输出波动率要求的ESS补偿频段。

为方便叙述和理解，将频率范围用对应的周期值来表示。利用试差法得到该样本数据的补偿频段对应的周期段为[2, 170.7](s)。需要指出的是，实际分析表明，一般ESS补偿的频段越大，则输出的功率波动就越平缓，而相应的ESS电源的功率波动就越剧烈，充放电也越频繁。

对补偿后的频谱进行离散傅里叶逆变换，考虑充放电损耗，将功率曲线平移后，得到目标功率输出如图3所示，可以看到尖峰负荷被补偿为平缓起伏的曲线，冲击性极大削弱。补偿过程的ESS实际输出功率曲线，ESS能量波动曲线和SOC波动曲线分别如图4、5、6所示。容易看出ESS补偿功率输出极为迅速，且功率波动率和SOC均符合约束条件，SOC最大为0.9，最小为0.5。

经过分析，该负荷所需配置的储能容量为42.65kW，额定功率为2.256MW。由此可以看出所需储能的功率密度远大于能量密度，与前文分析相符合。根据表1中数据，可以粗略计算出所需配置的超级电容器成本约为每年500元，而相同的功率密度需要配置蓄电池的成本却为每年7.7万元。由此可以看出在冲击负荷的场景下，超级电容器储能不但具有供电迅速效率高的优点，还可以极大地降低配置储能装置的成本。

以上对本申请进行了详细介绍，本文中应用可具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐释，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及核心思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明不应理解为对本申请的限制。

Claims (2)

1.一种适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：采集工业生产脉冲负荷数据，对脉冲负荷进行特性分析，得到典型日脉冲负荷冲击样本数据；

步骤2：确定脉冲负荷平抑相关优化目标及约束条件；所述优化目标即经济成本最小化，所述约束条件包括补偿后最大冲击限制以及满足储能系统日稳定运行条件，其中，P_n为额定功率,F_T为最大冲击限制,ΔP_T,i-j为T时间段中任意时刻i、j的功率差值；所述超级电容储能系统日稳定运行条件，即考察时段净充放电量守恒ΔE＝0和荷电状态上下限约束SOC_low≤SOC≤SOC_up；

步骤3：对典型日脉冲负荷冲击样本数据进行时频变换后的频域信号进行临界频率搜索，得到满足最大冲击限制的临界频率值，具体过程如下：

首先，对典型日脉冲负荷冲击样本数据进行时域至频域的转换得到对应幅频信息A_g、f_g，其中T_s为采样周期,f_s为采样频率,N_n为采样点个数；

其次，根据对典型日脉冲负荷功率样本数据频谱分析的结果，在确定一平滑时间窗口后，从高频开始逐渐向低频延伸，通过试差法找到满足最大冲击限制要求的临界频率值f_ps1，该频率值将频段范围分为高频段和低频段，其中，高频段[f_ps1,f_Nyquist]即待补偿频段，对应超级电容储能系统需要消除的负荷功率，低频段对应理想目标负荷功率，将[f_ps1,f_Nyquist]和[f_Nyquist,f_ps2]两频段幅值置零，则代表消除该频段范围功率波动；

步骤4：考虑优化目标及约束条件确定超级电容储能系统额定功率、额定容量和初始荷电量。

2.根据权利要求1所述的适应脉冲型负荷功率波动平抑的超级电容配置方法，其特征在于：所述步骤4，具体方法如下：

根据目标负荷幅频信息，进行时频反变换，即得到经超级电容储能系统补偿后的目标负荷功率P₀和超级电容储能系统的充电功率P_b0，如下式所示，其中，P_b0(i)为正表示充电，为负表示放电；

P₀＝F^-1(S₀)＝[P₀(1),...,P₀(i),...,P₀(N_n)]^T

P_b0(i)＝P₀(i)-P_g(i)

考虑储能充放电效率η_ES,d、η_ES,c，同时为满足储能日稳定运行约束条件通过迭代计算修正目标负荷功率P_a和储能实际充电功率P'_b，如下式所示：

P_a(i)＝P₀(i)+ΔP

P_b'(i)＝P_a(i)-P_g(i)

其中，ΔP为考虑充放电效率情况下使得日稳定运行约束条件满足所需的修正量；

储能的额定功率值P_N取|P'_b(i)|序列中最大值；

根据已获得的储能系统功率数据，可由以下式计算得到其额定容量E_N；

$E_{b,acu}\left(i\right)=\underset{0}{\overset{i}{\Σ}}\left(P_b\right(i\left)\frac{T_s}{3600}\right),i=0,1,...,N_n$

其中i,j∈[1,N_n]

式中，E_b,acu(i)为储能系统剩余电量；此外，考虑初始荷电状态上下限约束条件，可确定超级电容储能系统初始电荷量，由此可得：

$E\left(0\right)=({\mathrm{SOC}}_{up}-\frac{\max \left\{E_{b,acu}\left(i\right)\right\}}{E_{ES0}})E_N=({\mathrm{SOC}}_{low}-\frac{\min \left\{E_{b,acu}\left(i\right)\right\}}{E_{ES0}})E_N.$