CN106385039A - 用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，包括下列步骤：计算光伏输出波动中需要储能设备进行平抑的平衡功率；采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；根据实际储能设备响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；结合储能设备充放电损耗和循环寿命，确定使混合储能系统成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置；能够综合考虑电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，对各频段配比进行成本优化，确保最终设计的储能系统具有最低成本。

Description

用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法。

背景技术

混合储能系统应用于光伏发电系统的研究中，以系统经济指标作为目标函数，将储能容量配置纳入系统有功平衡约束进行建模，但该方法忽略了系统平衡的实时性，所配置容量难以满足动态响应功率偏差。另有提出通过以往经验确定储能容量，该方法需要多次实验仿真，且单次仿真耗时较长，无法保证得到最优容量。

现有技术中多采用低通滤波器进行不同频段功率波动和储能设备的划分，但由于低通滤波器在滤波过程中的延迟特性，会导致储能容量设计偏高。针对该问题，出现采用频域滤波的方法实现储能装置补偿不同频段的功率波动，但该方法未考虑储能充放电容量损耗和循环功率等工程实际因素的影响，可能导致实际容量的不准确，且对于储能设备的选择也较为单一，未进行不同储能设备类型之间的比较和选择。

因此，为解决以上问题，需要一种用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，能够综合考虑电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，对各频段配比进行成本优化，确保最终设计的储能系统具有最低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，能够综合考虑电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，对各频段配比进行成本优化，确保最终设计的储能系统具有最低成本。

本发明的用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，包括下列步骤：

a、计算光伏输出波动中需要储能设备进行平抑的平衡功率；

b、采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；

c、根据实际储能设备响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；

d、结合储能设备充放电损耗和循环寿命，确定使混合储能系统成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置。

进一步，其中步骤c中，储能设备容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

Ⅰ.将储能装置响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频。

Ⅱ.利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

Ⅲ.利用以下公式确定混合储能装置的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；确保储能设备可有效平抑对应频段内的全部波动；

Ⅳ.利用以下公式确定混合储能装置的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated}＝max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)，

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，P_b为平衡功率。

进一步，步骤d中，所述最低成本的储能配置优化具体包括以下步骤：

D1：根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；

D2：将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能设备在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1]；m为对应储能设备单次充放电损耗容量，N为储能总循环寿命。

D3：通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能设备更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total}

D4：根据储能设备更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，综合考虑了电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，结果更接近实际要求。对各频段配比进行成本优化，确保最终设计的储能系统具有最低成本。根据市场实际电池参数，针对储能配比结果进行修订，本方法更具有工程实际意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中平衡功率时域图和频域图；

图3为本发明中储能设备更换次数流程图；

图4为本发明中酸蓄电池和超级电容器组合的电池更换次数与分割频率函数图；

图5为本发明中锂电池和超级电容器组合的电池更换次数与分割频率函数图；

图6为本发明中酸蓄电池和超级电容器组合的成本与分割频率函数图；

图7为本发明中锂电池和超级电容器组合的成本与分割频率函数图。

具体实施方式

图1为本发明的流程示意图；图2为本发明中平衡功率时域图和频域图；图3为本发明中储能设备更换次数流程图；图4为本发明中酸蓄电池和超级电容器组合的电池更换次数与分割频率函数图；图5为本发明中锂电池和超级电容器组合的电池更换次数与分割频率函数图；图6为本发明中酸蓄电池和超级电容器组合的成本与分割频率函数图；图7为本发明中锂电池和超级电容器组合的成本与分割频率函数图；如图所示，本实施例中的用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法；包括下列步骤：

a、计算光伏输出波动中需要储能设备进行平抑的平衡功率；平衡功率的概念表示储能系统需消纳或放出的有功功率，平衡功率的表达式如下：

P_b＝P_o－P_a (1)

其中，P_o为光伏输出有功功率，P_a为电网可接受有功功率，P_b为平衡功率；P_b>0时，储能系统需吸收光伏输出的过多有功，储能设备充电；P_b<0时，储能系统发出有功补充光伏输出的缺额，储能设备放电；电网可接受有功功率根据具体电站要求确定；

b、采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；可采用快速傅里叶变换(FFT)，快速傅里叶变换(FFT)是离散傅里叶变换(DFT)的快速算法，通过对DFT进行改进而成，傅里叶变换将信号从原始时域转化至频域，而FFT大大减少了DFT算法的运算量，从而简化运算，提高速度。

c、根据实际储能设备响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；根据Nyquist采样定理可知，在进行数模信号的转换过程中，当采样频率表f_s.max大于信号中最高频率f_max的2倍时(f_s.max>2f_max)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。对应本文光伏波动采样频率为1Hz，实际最大采样信号频率为0.5Hz，故经FFT变换至频域后的波动信号分布于0-0.5Hz，本实施例根据美国威斯康辛州密尔沃基Eaton公司110kV光伏实验发电站，采样总时间选择为从早晨5:00到下午8:00的光照时间段，采样频率为1Hz，利用FFT将光伏输出所需平抑的平衡功率分解为不同频段的信号，如图2所示，以便信号特征的分析和储能选型；

而储能设备根据各自不同的响应速度可分为能量型(如铅酸蓄电池和锂电池)和功率型(超级电容器)两种，由于铅酸蓄电池和锂电池最快响应时间较长，无法满足平衡功率中高频段的平抑，故混合储能系统中始终需要动态响应较快的超级电容器以补偿高频功率；三种储能装置可组成两种混合储能系统：铅酸蓄电池加超级电容器组合的分割频率为铅酸蓄电池的最高响应频率，锂电池加超级电容器组合的分割频率为锂电池的最高响应频率。

d、结合储能设备充放电损耗和循环寿命，确定使混合储能系统成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置；结合电池充放电损耗和循环寿命等工程实际因素，结果更接近实际要求，确保最终设计的储能系统具有最低成本。

本实施例中，其中步骤c中，储能设备容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

Ⅰ.将储能装置响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频；例如在锂电池加超级电容器组合中，锂电池的最高响应频率为0.0167Hz，采样FFT滤波将高频[0.0167，0.5]Hz归零，保留低频[0，0.0167]Hz信号作为锂电池平抑目标，而高通FFT滤波将[0，0.0167]Hz频段信号归零，保留[0.0167，0.5]Hz频段信号作为超级电容器平抑目标。

Ⅱ.利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

Ⅲ.利用以下公式确定混合储能装置的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|) (2)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；确保储能设备可有效平抑对应频段内的全部波动；

Ⅳ.利用以下公式确定混合储能装置的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated＝}max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)， (3)

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，

P_b为平衡功率，以1s为单位进行积分得到能量，再除以3600转换至kWh单位；考虑光伏波动的无序性，储能设备的充、放电具有不确定性，为确保储能系统平抑光伏波动的有效性和可靠性，本文假设每日早晨5:00时，储能装置的荷电状态(SOC,State of Charge)均恢复至50％，所以储能装置最小能量容量设定为对应积分曲线最大峰值绝对值的两倍。

本实施例中，步骤d中，所述最低成本的储能配置优化具体包括以下步骤：

D1：根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；对任意一种实际储能设备，总存在功率总成本和能量总成本相等的关系：

cost(E_total)＝cost(P_total) (4)

即：

cost(E_unit)×E_rated＝cost(P_unit)×P_rated

其中cost(E_unit)、cost(P_unit)分别为储能的单位功率成本和单位能量成本；P_rated、E_rated分别为储能额定功率容量和额定能量容量。对任意储能设备，其额定能量容量和额定功率容量比值k恒定：

k＝E_rated/P_rated＝cost(P_unit)/cost(E_unit) (5)

因此，在进行储能配置时，需要对储能的计算功率容量和计算能量容量进行修订。如果：

cost(E_unit)×E_ES>cost(P_unit)×P_ES

为了满足能量容量的要求，储能额定功率容量需要被修订：

P_{ES_rated}＝E_ES/k (6)

同理，如果：

cost(P_unit)×P_ES>cost(E_unit)×E_ES

为了满足功率容量的要求，储能额定能量容量需要被修订：

E_{ES_rated}＝E_ES/k (7)

D2：将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能设备在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1] (8)

m为对应储能设备单次充放电损耗容量，m_{铅酸蓄电池}＝2×10^-2％，m_锂电池＝1.33×10^-2％，m_超级电容＝4×10^-4％，N为储能总循环寿命。

D3：通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能设备更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total} (9)

其中，t为电池更换次数；E_{ES_total}为考虑容量损耗后，对应频段的储能设备在寿命结束前可消纳或发出的全部能量；E_{station_total}为光伏电站运行期限内所需补偿或消纳某频段波动的总能量，可通过单日所需补偿或消纳某频段总能量E_{station_oneday}计算：

E_{station_total}＝15×365×E_{station_oneday} (10)

对应储能设备所需放电或充电总能量E_{station_oneday}可通过全年光伏输出中功率波动最大一天数据平衡功率的正负值P_b.positive、P_b.negative在各频段分别进行积分得到，选择正负积分绝对值较大者作为该日储能设备所需补偿或消纳的总能量：

E_{station_oneday}＝max(∑P_b.positive,|∑P_b.negative|) (11)

D4：根据储能设备更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。

混合储能系统的总成本可根据修订后各储能设备的功率容量成本或能量容量成本计算，本文以能量容量为标准进行计算，综合考虑储能循环寿命和充放电损耗等因素，混合储能系统总成本c可表示为：

c＝∑(E_{ES_rated_i}×cost(E_unit__i)×t_i) (12)

i取1时，表示c₁铅酸蓄电池的总称成本，i取2时，表示c₂超级电容器的总称成本，cost(E_unit__i)单位能量容量的制造成本；如图所示，铅酸蓄电池和超级电容器混合储能系统中，当分割频率选择为0.000352Hz时，系统具有该混合储能系统各配比下的最低总成本88880元；锂电池和超级电容器混合储能系统中，当分割频率选择为0.000352Hz时，系统具有该混合储能系统各配比下的最低成本134700元。由此，对于本文中相同的平抑目标而言，铅酸蓄电池和超级电容器混合储能系统具有最低总成本，各储能设备功率容量和能量容量配比以及铅酸蓄电池更换次数如下表所示：

铅酸蓄电池和超级电容器混合系统配比

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，其特征在于：包括下列步骤：

a、计算光伏输出波动中需要储能设备进行平抑的平衡功率；

b、采用傅里叶变换方法，对平衡功率数据进行频谱分析；

c、根据实际储能设备响应速度划分平衡功率频段，确定各频段储能设备的类型并针对不同频段分别进行储能设备容量的配比；

d、结合储能设备充放电损耗和循环寿命，确定使混合储能系统成本最低的储能频段分割点及相应的最优储能配置。

2.根据权利要求1所述的用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，其特征在于：其中步骤c中，储能设备容量包括功率容量和能量容量；功率容量和能量容量的计算方式如下：

Ⅰ.将储能装置响应频率范围外的信号归零，保留响应频率内的信号以实现信号分频；

Ⅱ.利用快速傅里叶逆变换算法(IFFT)将滤波后的各频域信号还原至时域；

Ⅲ.利用以下公式确定混合储能装置的最小功率容量P_ES：

P_ES＝max(P_{peak.positive},|P_{peak.negative}|)

即最小功率容量P_ES取决于滤波后对应时域信号中的正负峰值P_{peak.positive}、P_{peak.negative}的绝对值最大值；

Ⅳ.利用以下公式确定混合储能装置的最小能量容量E_ES.：

E_{ES.calculated＝}max(E_{peak.positive},|E_{peak.negative}|)，

E_ES＝2E_{ES.calculated}其中：

E_{peak.positive}＝max(∫P_b)/3600

E_{peak.negative}＝min(∫P_b)/3600，P_b为平衡功率。

3.根据权利要求2所述的用以平抑光伏功率波动的混合储能系统设计方法，其特征在于：步骤d中，所述最低成本的储能配置优化具体包括以下步骤：

D1：根据功率总成本和能量总成本相等的关系，对储能额定功率容量和储能额定能量容量进行修订；

D2：将修订后的储能额定能量容量带入下列公式计算储能设备在寿命结束前可消纳或发出的全部能量：

E_{ES_total}＝E_{ES_rated}/2×[1+(1－m)+(1－m)²+…+(1－m)^N-1]；m为对应储能设备单次充放电损耗容量，N为储能总循环寿命。

D3：通过下列公式计算计混合储能组合中各分割频率下的储能设备更换次数：

t＝E_{station_total}/E_{ES_total}

D4：根据储能设备更换次数建立成本与分割频率函数关系，求得最低成本下的最优储能配置。