CN105846421B - 一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，包括：建立点对网送出系统的数学或仿真模型，根据控制目标，计算在送端母线需要配置快速制动电阻的数值，以此推算储能装置有功分量的容量；根据控制目标，计算在送端母线需要配置STATCOM的数值，以此推算储能装置无功分量的容量，并将以上求得的两个容量作为优化的下限和上限；综合有功分量容量和无功分量容量，优化求取配置成本最小的配置容量。本发明的方法能用最小的储能代价得到最大的暂态稳定性的提高，可为电力系统暂态稳定性的提高提供技术依据，既能充分发挥储能装置的优势提高暂态稳定性，又能节约储能装置的成本。
Description
技术领域：
本发明涉及一种储能容量配置方法，更具体涉及一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法。
背景技术：
按照能量的储存及转化形式的不同，储能技术可分为四类:机械能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、化学能(如铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池等化学电池)、电磁场能(如超导储能、超级电容器)和相变储能(如冰蓄冷等)。在电力系统中应用储能技术，根据不同的应用需要对储能系统的充放电时间及功率等技术参数的要求也不尽相同。电力系统的复杂性导致了其对储能技术要求的多样性，很少有一种储能技术可以独立胜任在电力系统应用中的所有要求。国外对大规模储能技术及应用的研究持续多年，取得了一定的研究成果。
目前，日本一直重视发展储能技术及储能可再生能源领域的应用，日本在钠硫电池、液流电池技术等多个电池技术领域的研究和开发中处于领先地位，并已有较成熟的商业化产品，已推广应用了一百多套，其中最大容量达到数十MW。液流电池研究上比较突出的当属普能公司，容量达到MW级。在锂离子电池研究方面，美国走在世界研究的前端，美国电力研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)在2009年开展了MW级锂离子电池储能系统的示范应用。美国在金融危机之后，已将大规模储能技术定位为振兴经济、实现能源新政的重要支撑性技术。根据《2009美国复苏与再投资法案》，美国政府在2009年上半年已拨款20亿美元用于支持包括大规模储能在内的电池技术研发。德国、澳大利亚、英国、瑞士、韩国等国家在不同储能技术领域取得了世界领先的水平。
2011年全球储能装机是121MW，预计到2021年达到12353MW，总量增长100倍，意味着十年内，将投资1220亿美元开发储能项目。
在分布式储能的优化配置技术上，欧洲、美国和日本等开展了研究工作，主要集中在储能容量配置的优化算法。欧洲的Fouad从经济观点出发，通过分析成本对分布式储能系统净现值的影响，确定了经济运行的优化策略和储能系统的容量配置；Pilo F采用遗传算法对分布式电源的位置和容量的优化进行了研究；欧洲的Ghiani研究了基于包括损耗成本、缺电成本、网络升级成本、电能质量成本和电能成本最低的多目标条件下，采用遗传算法获得了分布式电源位置和容量的最优结果。
为平抑新能源接入电网后的功率波动问题，我国也开始开展电池储能技术的应用研究。上海电力公司与中国科学院硅酸盐所合作开发大容量钠硫储能电池，目前已经成功研制出650AH钠硫电池单体，电池表现出较良好的循环稳定性。我国液流电池的研究始于20世纪90年代。目前，中国电力科学研究院与中国科学院大连化学物理所合作已建成国内最大的100kW/200kWh的全钒液流电池储能系统。锂离子电池方面，国内在电池管理技术上已经取得了一定的研究成果，对于电池成组技术则刚开始重视，比亚迪公司已研制出MW级的锂离子电池储能系统。
2011年，储能专委会的项目数据库先后收集到了国网张北风光储能项目、中国电科院风电储能研究项目等40多个当年实施的储能应用项目，分别贯穿了可再生能源的接入、输配电、分布式发电、微网以及电动汽车充放储换一体化领域。国内储能技术研究及工程应用明显加速，在电力系统中应用也发展较快。示范工程包括核工业西南物理研究院80MW飞轮脉冲发电机组、比亚迪兆瓦级磷酸铁锂电池储能电站、张北风光储工程。
我国储能产业发展总体落后于发达国家。截至2010年底，我国电力储能总装机约为16.345GW，仅约占全国电力装机总量的1.7％，世界平均值是3.0％。
电池储能技术因其灵活性、高效性和高适应性在近几年成为大规模应用储能技术的热点，尤其是钠硫电池、液流电池和锂离子电池。以钠硫电池、液流电池、锂离子电池为代表的新型电化学储能技术正在向大容量、高效率、长寿命、低成本、高可靠以及智能化方向快速发展。
现有技术对储能容量的最优配置，在光伏发电系统中，有些学者采取粒子群方法，还有一些采取功率预测误差方法以及考虑经济成本的方法，而在风电场中，大都会考虑电池寿命、过放现象、调度计划及运行经济性等不一而足，到目前为止，还没有学者从提高电力系统暂态稳定性的角度对储能容量配置进行优化配置的研究。
发明内容：
本发明的目的是提供一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，所述方法用最小的储能代价得到最大的暂态稳定性的提高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，包括：
建立点对网送出系统的提高暂态稳定性的储能容量配置数学模型；
确定储能装置有功分量的容量；
确定储能装置无功分量的容量；
优化求取配置成本最小的配置容量。
本发明提供的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，所述数学模型为：
受约束条件
其中，系数a、b分别是储能本体单位容量与换流器单位容量的成本系数,QS是靠有功分量就使储能系统保持临界稳定的换流器容量，QSVC是靠无功分量使储能系统保持临界稳定的换流器容量，变量P和Q分别表示换流器中有功分量容量和无功分量容量。
本发明提供的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，所述模型的函数曲线是以变量Q为横轴，变量P为纵轴的函数曲线；通过以QS和QSVC为半轴的椭圆弧，使储能系统保持稳定的临界稳定域简化。
本发明提供的另一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，根据凸函数极值定理，将式(1)所取的最小值的自变量在凸函数的边界上，最小值的自变量是椭圆的第一象限；将式(1)的双变量最小转变为单变量。
本发明提供的再一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，所述式(1)转化式(2)为：
本发明提供的又一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，通过送端母线配置制动电阻的数值确定优化下限储能装置有功分量的容量。
本发明提供的又一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，根据控制目标，计算送端母线配置制动电阻的数值。
本发明提供的又一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，通过送端母线配置静止同步补偿器STATCOM的数值，确定储能装置无功分量的容量。
本发明提供的又一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，根据控制目标，计算送端母线配置静止同步补偿器STATCOM的数值。
本发明提供的又一优选的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，有功分量容量和无功分量容量，优化求取配置成本最小的配置容量。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明的方法能用最小的储能代价得到最大的暂态稳定性的提高；
2、本发明的方法可为电力系统暂态稳定性的提高提供技术依据；
3、本发明的方法既能充分发挥储能装置的优势提高暂态稳定性，又能节约储能装置的成本；
4、本发明的方法增加和丰富了电力系统的有功调控手段；
5、本发明的方法能够对电力系统暂态、动态、稳态全过程的调控提供支撑作用。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明方法的优化自变量区域图；
图3为本发明方法的储能系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1-3所示，本例的发明提供一种采用储能技术提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，建立点对网送出系统的数学或仿真模型，根据控制目标，计算在送端高压母线需要配置快速制动电阻的数值，以此推算储能装置有功分量的容量；根据控制目标，计算在送端高压母线需要配置STATCOM的数值，以此推算储能装置无功分量的容量，并将以上求得的两个容量作为优化的下限和上限；综合有功分量容量和无功分量容量，优化求取配置成本最小的配置容量。
计算方法包括以下步骤：
(1)、建立点对网送出系统的提高暂态稳定性的储能容量最优配置数学模型；
(2)、根据控制目标，计算在送端母线需要配置快速制动电阻的数值，以此推算储能装置有功分量的容量，将此作为优化的下限；
(3)、根据控制目标，计算在送端母线需要配置STATCOM的数值，以此推算储能装置无功分量的容量，并此作为优化的上限；
(4)、综合有功分量容量和无功分量容量，优化求取配置成本最小的配置容量。
步骤(1)建立了提高暂态稳定性的储能容量最优配置数学模型，具体表达式为：
其中，系数a、b分别是储能本体单位容量与换流器单位容量的成本系数,QS是仅靠有功分量就可使系统保持临界稳定的换流器容量，QSVC是仅靠无功分量就可使系统保持临界稳定的换流器容量，而变量P和Q分别表示换流器中有功分量容量和无功分量容量，为简单考虑，可使系统保持稳定的临界稳定域可用以QS和QSVC为半轴的椭圆弧表示，其优化自变量区域可简化表示为如图2所示的黑色区域。
根据凸函数极值定理，式(1)所取的最小值的自变量一定在凸函数的边界上，很明显最小值落在黑色区域中的QS和QSVC连接的曲线上，也就是椭圆的第一象限。进而可以将式(1)的双变量最小问题转变为单变量问题，即
如图3所示，送端有5台发电机，每台发电机的容量是600MW，相应的变压器容量是720MW，而发电机短路电压百分比是18％，双回传输线路长度为250km，基准电压为500kV，线路类型是4*500GLJ，受端系统为无穷大系统，也即是说其转动惯量为无穷大。故障设置为发生在传输线路送端一处的三相短路故障，故障清除时间为0.1s。经过系统仿真得到QS＝600MVA，QSVC＝1300MVA，设a＝2，b＝1。
于是，根据上述优化结果可得
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：包括：
建立点对网送出系统的提高暂态稳定性的储能容量配置数学模型；
确定储能装置有功分量的容量；
确定储能装置无功分量的容量；
优化求取配置成本最小的配置容量；
所述数学模型为：
受约束条件
其中，系数a、b分别是储能本体单位容量与换流器单位容量的成本系数,QS是仅靠有功分量就使储能系统保持临界稳定的换流器容量，QSVC是仅靠无功分量使储能系统保持临界稳定的换流器容量，变量P和Q分别表示换流器中有功分量容量和无功分量容量。
2.如权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：所述模型的函数曲线是以变量Q为横轴，变量P为纵轴的函数曲线；通过以QS和QSVC为半轴的椭圆弧，使储能系统保持稳定的临界稳定域简化。
3.如权利要求2所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：根据凸函数极值定理，将式(1)所取的最小值的自变量在凸函数的边界上，最小值的自变量是椭圆的第一象限；将式(1)的双变量最小转变为单变量。
4.如权利要求3所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：所述式(1)转化式(2)为：
s.t.0≤P≤QS (2)
对式(2)进行极值判断，当时，C值最小，相应的
5.如权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：通过送端母线配置制动电阻的数值确定优化下限储能装置有功分量的容量。
6.如权利要求5所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：根据控制目标，计算送端母线配置制动电阻的数值。
7.如权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：通过送端母线配置静止同步补偿器STATCOM的数值，确定储能装置无功分量的容量。
8.如权利要求7所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：根据控制目标，计算送端母线配置静止同步补偿器STATCOM的数值。
9.如权利要求1所述的一种提高电力系统暂态稳定性的储能容量配置方法，其特征在于：综合有功分量容量和无功分量容量，优化求取配置成本最小的配置容量。
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