CN105140940A - 一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其可应用于新能源相关领域的科学研究和工程应用。本发明中，依据风光功率数据，基于离散傅里叶变换理论和信号能量概念，提出了独立新能源系统的储能优化配置方法，可对独立风储系统、光储系统的储能进行优化配置。该发明能够依据用户需求来快速准确地配置储能的容量，从而满足实际工程储能设计的需求。

Description

一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法

技术领域

本发明涉及一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，属于新能源发电技术领域。

背景技术

目前新能源发电的大规模应用在国内外的电力供应中已占有一定的比重，对节能减排、发展清洁能源起到了积极有效的作用。在新能源发电的利用中，由于其中的风电、光伏发电等受气象因素的影响，具有间歇性，随机波动性，导致输出功率波动，给电网及负荷带来不可忽视的负面影响。国内外学者通过设计储能装置的方式平抑可再生能源发电受气象因素影响而产生的功率波动。

储能技术是实现能量平衡，保证电网正常运行的重要手段，具有不可替代的支撑和优化的作用。但是由于储能配置的容量是按照最大化来配置的，且投资成本高，不具有经济性。所以从投资成本的经济性和功能实现的有效性方面考虑，储能应用时，合理的容量配置是非常有必要的。实际工程中，储能容量的选取通常是凭经验来实现的，从而难以保证储能容量大小的准确性。因此，需要依托当地风光特性，依托算法快速准确确定储能容量，有效改善风光功率的输出特性。

发明内容

发明目的：本发明针对国内新能源发电技术提高的需要，提出了一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，可应用于新能源发电技术领域。

技术方案：本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，包括以下步骤：

1)对已获取的功率数据进行离散傅里叶变换，获得幅频曲线；

2)对功率数据进行频谱分析，消除直流分量，进行离散傅里叶反变换，获得消除直流分量的功率数据，即基准数据；

3)假设特定频率和特定的功率数据；

4)引入信号能量的概念，计算能量与基准能量的比例；

5)通过配置时间与储能功率计算得到储能容量。

作为优化，在步骤1)中，傅里叶变换后的幅频结果公式：

$\left\{\begin{array}{c}S=F\left(P\right)={\[}^S\\ f={\[f\[1\],...,f\[i\],...,f\[N\]\]}^T\end{array}\right.;$

式中：N为采样点的个数；P为功率数据，P＝[P[1],…,P[i],…,P[N]]^T；F(P)为对功率数据进行傅里叶变换；S[i]为第i个f[i]的幅值，S[i]＝R[i]+jI[i]，R[i]和I[i]分别为实部和虚部；f为采样频率，f[i]＝f·(i-1)/N。

作为优化，在步骤2)中，消除直流分量的公式为：

$S_0\[i\]=\left\{\begin{array}{cc}0+j0& f_i=0\\ S\[i\]& f_i\≠0\end{array}\right.;$

消除直流分量的功率数据(基准数据)P₀公式为：

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

式中，F^-1(S₀)为对S₀进行离散傅里叶变换；P₀[i]为消除直流分量的功率数据(基准数据)，在第i个采样点的数据。

作为优化，在步骤3)中，，假设一个特定频率f(T＝1/f)，则一组特定的功率数据P₁公式为：

$S_1\&lsqb;i\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}0+j0& f_i<0\\ S_0\&lsqb;i\&rsqb;& f_i\&GreaterEqual;0\end{array}\right.;$

P₁＝F^-1(S₁)＝[P₁[1],...,P₁[i],....,P₁[N]]^T；

式中，F^-1(S₀)为对S₁进行离散傅里叶变换；P₁[i]为特定的功率数据，在第i个采样点的数据；特定的功率数据P₁的周期区间为0-T。

作为优化，在步骤4)中，信号能量定义如下：

$E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x{\&lsqb;i\&rsqb;}^2};$

式中，E为信号的能量；x[i]为第i个采样点的功率数据；

能量E₁与基准能量E₀比例的计算公式如下：

η＝E₁/E₀。

作为优化，在步骤5)中，将原始功率数据的平均值设定为储能功率，通过配置时间与储能功率获得储能容量。

技术效果：本发明与现有技术相比：采用本发明所提出的确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，能够快速准确地确立储能装置容量，有效改善新能源电场功率输出特性，更好地发挥新能源发电在电力系统中的作用，对新能源电场的经济性和对其有功调节能力都有重大意义。

附图说明

图1为某地区的风力发电功率全年的数据；

图2为某地区的风力发电功率1月的数据；

图3为某地区风力发电功率数据的幅频特性曲线；

图4为消除直流分量的风力发电功率数据(基准数据)；

图5为确定配置时间的具体流程。

具体实施方案

下面结合附图对发明的技术流程进行详细说明：

为了便于说明本发明原理，本发明选取了某地区的风力功率数据作为研究对象。图1和图2分别显示了某地区的全年和1月的风功率数据。由图1和图2可知，风电功率的年平均值为9.5976kW，功率的最大值达到335kW；风电功率的波动相当大。这一现象是由某地区的气候条件以及风特性所造成的。

1)对已获取的功率数据进行离散傅里叶变换(DFT)，从而获得幅频曲线。下式中给出了DFT后的幅频结果(频域)：

$\left\{\begin{array}{c}S=F\left(P\right)={\&lsqb;}^S\\ f={\&lsqb;f\&lsqb;1\&rsqb;,...,f\&lsqb;i\&rsqb;,...,f\&lsqb;N\&rsqb;\&rsqb;}^T\end{array}\right.;---\left(1\right)$

式中：N——采样点的个数；

P——功率数据，P＝[P[1],…,P[i],…,P[N]]^T；

F(P)——对功率数据进行DFT；

S[i]——第i个f[i]的幅值，S[i]＝R[i]+jI[i]，R[i]和I[i]分别为实部和虚部；

f——采样频率，f[i]＝f·(i-1)/N。；

对图1中的某地区的风力发电功率数据(全年)进行频谱分析，获得了相应的幅频特性，具体曲线如图3所示，其f＝0(直流分量)时，其幅值为9.5976。风功率中为大于2×10^-4Hz频率的幅值接近于0。

2)对功率数据进行频谱分析，消除直流分量，进行离散傅里叶反变换(IDFT)，获得消除直流分量的功率数据(基准数据)。对功率数据进行频谱分析后，其中直流分量(频率为0)是风力发电与储能系统的联合输出，是整个系统的理想输出目标。确定配置时间时，不需要考虑直接分量，因此，在第二步中，首先消除直流分量。具体可以由式(2)计算得到：

$S_0\&lsqb;i\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}0+j0& f_i=0\\ S\&lsqb;i\&rsqb;& f_i\&NotEqual;0\end{array}\right.;---\left(2\right)$

对S₀进行了离散傅里叶反变换(IDFT)，则可以获得消除直流分量的功率数据(基准数据)P₀。这里的P₀为基准数据，是储能配置过程中的重要参数之一。

P₀＝F^-1(S₀)＝[P₀[1],...,P₀[i],....,P₀[N]]^T；(3)

其中，F^-1(S₀)——对S₀进行IDFT；

P₀[i]——消除直流分量的功率数据(基准数据)，在第i个采样点的数据。

消除直流分量的风力发电功率数据曲线，即将图1和图2整体下移了9.5976kW，纵轴的基准线变为了-9.5976kW，图4为计算风力发电功率能量比的基准数据。

3)假设特定频率和特定的功率数据。基于第二步中S₀和,P₀，假设一个特定频率f(T＝1/f)，则一组特定的功率数据P₁可以由式(4)和式(5)计算得到。

$S_1\&lsqb;i\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}0+j0& f_i<0\\ S_0\&lsqb;i\&rsqb;& f_i\&GreaterEqual;0\end{array}\right.;---\left(4\right)$

P₁＝F^-1(S₁)＝[P₁[1],...,P₁[i],....,P₁[N]]^T；(5)

式中，F^-1(S₀)——对S₁进行IDFT；

P₁[i]——特定的功率数据，在第i个采样点的数据；特定的功率数据P₁的周期区间为0-T。

4)引入了信号能量的概念，计算能量与基准能量的比例。本发明中引入了信号能量的概念，其具体定义如下：

$E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x{\&lsqb;i\&rsqb;}^2}---\left(6\right)$

式中，E——信号的能量，在本发明中，信号为功率数据(包括消除直流分量的功率数据(基准数据)以及特定的功率数据)；

x[i]——第i个采样点的功率数据。

功率数据P₀、P₁的能量分别为E₀、E₁，可以通过式(6)计算得到。另外，消除直流分量的功率数据(基准数据)P₀的E₀为基准能量。

能量E₁与基准能量E₀比例的计算公式如下：

η＝E₁/E₀；(7)

具体流程如下：

a)设定能量比η₀；

b)基于第二步中的S₀的所有频率值，特定频率从低频(f_min)到高频(f_max)逐渐取值，利用式(4)和(5)生成了新的特定功率数据P₁；

c)通过式(6)和式(7)，计算出能量E₁与基准能量的能量比η；

d)当能量比η达到设定值时，程序则停止，返回特定频率(最终)值f，而其对应的周期T，即为配置时间。在程序中，当η-η₀<＝0.005时，则认为能量比η已达到设定值；η-η₀<＝0.005，即为程序中循环结束的判据。

具体流程如图5所示。

确定配置时间的过程中，能量比η₀的大小直接影响了配置时间，间接地影响了配置储能的容量和独立风储系统的经济性，因此设定多大的能量比η₀显得相当重要。对于独立新能源系统，应该充分考虑到重要负荷的比例以及储能在独立系统的定位，设定适合的能量比η₀，得到实用的配置时间。

本发明中假设能量比η₀＝90％，研究风力发电功率的配置时间配置情况。

5)将原始功率数据的平均值设定为储能功率P，则储能容量通过配置时间与储能功率获得，即P*T。

某地区风力发电功率的平均值为9.5976kW，则配置风储系统的储能功率为9.5976kW。

依据不同的能量比η₀，表1给出了某地区独立风储系统的相应的储能配置情况。表1中，当保证风力发电功率(基准数据)能量的90％时，配置时间为63.0216h，时间比较长，经济性较低；而当保证基准能量的80％、70％、60％时，配置时间分别降至30.9541h、20.0458h、13.2929h，这三种情况下，既提高了故障时重要负荷的供电可靠性，同时也保证了整个系统的经济性。综上，对于独立风储系统，可以综合风储系统的经济性和可靠性来配置；为了保证更高的可靠性时，储能配置功率为9.5976kW，容量为297.0851kWh；为了权衡经济性时，储能配置功率为9.5976kW，容量为127.5799kWh。

表1某地区风力发电功率的储能配置情况(不同能量比)

Claims (6)

1.一种确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)对已获取的功率数据进行离散傅里叶变换，获得幅频曲线；

2)对功率数据进行频谱分析，消除直流分量，进行离散傅里叶反变换，获得消除直流分量的功率数据，即基准数据；

3)假设特定频率和特定的功率数据；

4)引入信号能量的概念，计算能量与基准能量的比例；

5)通过配置时间与储能功率计算得到储能容量。

2.根据权利要求1所述的确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其特征在于：在步骤1)中，傅里叶变换后的幅频结果公式：

$\left\{\begin{array}{c}S=F\left(P\right)={\&lsqb;}^S\\ f={\&lsqb;f\&lsqb;1\&rsqb;,...,f\&lsqb;i\&rsqb;,...,f\&lsqb;N\&rsqb;\&rsqb;}^T\end{array}\right.;$

式中：N为采样点的个数；P为功率数据，P＝[P[1],…,P[i],…,P[N]]^T；F(P)为对功率数据进行傅里叶变换；S[i]为第i个f[i]的幅值，S[i]＝R[i]+jI[i]，R[i]和I[i]分别为实部和虚部；f为采样频率，f[i]＝f·(i-1)/N。

3.根据权利要求1所述的确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其特征在于：在步骤2)中，消除直流分量的公式为：

$S_0\&lsqb;i\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}0+j0& f_i=0\\ S\&lsqb;i\&rsqb;& f_i\&NotEqual;0\end{array}\right.;$

消除直流分量的功率数据(基准数据)P₀公式为：

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

式中，F^-1(S₀)为对S₀进行离散傅里叶变换；P₀[i]为消除直流分量的功率数据(基准数据)，在第i个采样点的数据。

4.根据权利要求1所述的确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其特征在于：在步骤3)中，，假设一个特定频率f(T＝1/f)，则一组特定的功率数据P₁公式为：

$S_1\&lsqb;i\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}0+j0& f_i<0\\ S_0\&lsqb;i\&rsqb;& f_i\&GreaterEqual;0\end{array}\right.;$

P₁＝F^-1(S₁)＝[P₁[1],...,P₁[i],....,P₁[N]]^T；

式中，F^-1(S₀)为对S₁进行离散傅里叶变换；P₁[i]为特定的功率数据，在第i个采样点的数据；特定的功率数据P₁的周期区间为0-T。

5.根据权利要求1所述的确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其特征在于：在步骤4)中，信号能量定义如下：

$E=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}x{\&lsqb;i\&rsqb;}^2};$

式中，E为信号的能量；x[i]为第i个采样点的功率数据；

能量E₁与基准能量E₀比例的计算公式如下：

η＝E₁/E₀。

6.根据权利要求1所述的确定独立新能源系统接入储能装置容量的方法，其特征在于：在步骤5)中，将原始功率数据的平均值设定为储能功率，通过配置时间与储能功率获得储能容量。