CN106849166A - 储能型风电场作为电网黑启动电源电池储能系统配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统配置方法，本发明从电池模块的额定容量与功率极限、能量转换系统的容量三个方面对电池储能系统进行配置。通过对储能系统的有功功率曲线进行积分获得电池模块相对于其初始状态的累计能量输出，根据荷电状态的设定范围计算电池模块的额定容量；根据储能系统有功和无功功率输出最大值，确定电池模块的最大充放电功率和能量转换系统中逆变器的容量；进一步确定电池储能系统的初始荷电状态范围，作为判断储能型风电场能否执行黑启动预案的条件。利用所提电池储能系统配置方法与方案能够有效降低储能系统的配置成本，对于提高储能型风电场作为电网黑启动电源的经济可行性具有重要作用。

Description

储能型风电场作为电网黑启动电源电池储能系统配置方法

技术领域

本发明属于储能型风电场领域，具体地说，是涉及一种储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统的配置方法。

背景技术

水力发电厂(含抽水蓄能电站)由于具有厂用电小、启动速度快等特点，成为电网黑启动电源的最佳选择。但是，受地理位置限制，我国内蒙古、西北等一些地区的水资源较为匮乏，地区内水力发电厂较少，一旦发生大面积停电事故，其电网的恢复将严重依赖于主网，恢复时间较长。针对局域电网所处特殊地理位置和需求，寻找可以作为其黑启动电源的新型电源，对于提高局域电网恢复速度具有重要作用。

我国内蒙古、西北等一些地区风能资源十分丰富，风力发电逐渐成为当地的主要电源。通过为风电场配置大容量电池储能系统以建成储能型风电场，利用储能型风电场作为电网的黑启动电源成为一种选择。其中，电池储能系统是储能型风电场能否作为黑启动电源的关键，需对储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统配置方法进行研究。

储能型风电场作为局域电网黑启动电源的可行性探讨(《电力系统自动化》2016年21期)，以蒙东呼伦贝尔地区电网为例，提出了通过为其大良风电场配置大容量电池储能系统(Battery Energy Storage System，BESS)以带动附近东海拉尔电厂热电机组进行启动的方案，并通过对储能型风电场的自启动、储能型风电场启动热电机组辅机等暂态过程进行仿真验证了所提方案的可行性。但上述文献只是根据黑启动过程中BESS有功与无功输出的最大值初步将电池储能系统容量配置为16MW×1h，并未提出具体配置方法。因此，本申请对储能型风电场作为黑启动电源时其电池储能系统的配置方法与方案进行深入研究，对降低电池储能系统的配置成本，提高利用储能型风电场作为黑启动电源的经济可行性具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统的配置方法，使所配电池储能系统能够满足在利用储能型风电场启动热电机组过程中对其功率和容量的需求，并具备较高的经济可行性。该方法从电池模块的额定容量与功率极限、能量转换系统的容量三个方面对电池储能系统进行配置并对初始荷电状态范围进行计算，能够使储能型风电场作为黑启动电源的同时，降低电池储能系统的配置成本。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

通过评估热电机组启动过程中各阶段所需时间，对储能型风电场启动热电机组的过程进行仿真，并考虑BESS的充放电效率，获得BESS的功率输出曲线；通过对BESS的有功功率进行积分，获得电池模块相对于其初始状态的累计能量输出，根据设定荷电状态范围计算电池模块的额定容量；根据电池储能系统在热电机组启动过程中有功与视在功率的最大值，分别确定电池模块的最大充放电功率和能量转换系统中逆变器的容量；在确定的电池模块的额定容量基础上，根据黑启动过程中电池储能系统的荷电状态需处于设定的工作范围内，确定初始荷电状态的范围，并以此范围作为判断利用储能型风电场启动热电机组的方案能否执行的条件。

本发明的优点和积极效果是：

1、本方法能够使电池储能系统满足储能型风电场在启动热电机组过程中对电池储能系统功率和能量的需求，使储能型风电场具备作为电网黑启动电源的能力。

2、本方法从电池模块额定容量、电池模块功率极限、能量转换系统容量三个方面对电池储能系统进行配置，能够有效降低电池储能系统配置成本，提高利用储能型风电场作为黑启动电源的经济可行性。并对初始荷电状态范围进行了计算，为黑启动预案能否执行提供了一个判据条件。

附图说明

图1为实施例的系统图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

参照图1，以呼伦贝尔电网为研究对象，通过为其大良风电场配置电池储能系统以能利用所建储能型风电场启动附近东海拉尔电厂的热电机组。大良风电场主要由33台额定容量为1.55MVA的双馈风电机组构成。

储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统的配置步骤如下：

1.黑启动过程中BESS功率输出波形的确定方法

一般情况下，在黑启动过程中后续启动操作需在前一级电力设备稳定运行后才能进行，不同阶段所需的时间与电力设备特性以及运行人员的操作熟练度等有关。将大良风电场启动东海拉尔电厂的整个黑启动过程分为储能型风电场自启动、储能型风电场空充出口变TD、储能型风电场空充西良线和伊西线、储能型风电场空充高备变TGB和储能型风电场启动热电机组辅机五个阶段，根据背景技术文献(储能型风电场作为局域电网黑启动电源的可行性探讨)对东海拉尔电厂启动时间以及变压器、输电线路充电时间进行估计，确定每个阶段所需时间分别为10min、5min、5min、5min和35min，总时长为1h。

在确定了黑启动各阶段所需时间后，采用背景技术文献(储能型风电场作为局域电网黑启动电源的可行性探讨)中所提有关于大良风电场黑启动东海拉尔电厂热电机组的启动方案对整个过程进行仿真，从而可获得BESS在黑启动过程中不同阶段的功率输出数据。BESS在每个采样点的输出功率，可用复功率S_bess,i表示为:

S_bess,i＝P_bess,i+jQ_bess,i (3)

式中：P_bess,i和Q_bess,i分别表示BESS的有功和无功功率输出，i为采样时刻。BESS向电网输出功率为正，从电网吸收功率为负。

另外，在实际运行时，BESS的充放电过程会有一定的能量损耗，利用仿真所得BESS的有功输出数据，并计及BESS的充放电效率，则BESS在黑启动过程中每个采样点的有功功率输出可表示为：

式中：η_bin和η_bout分别为BESS的充电效率和放电效率。

2.电池模块额定容量的配置方法

电池储能系统的荷电状态(State OfCharge，SOC)是指其电池模块内剩余电量与总容量的比值，能够反映电池是否工作在正常范围内。电池储能系统的荷电状态可表示为：

式中：SOC_t为电池储能系统t时刻的荷电状态；E_b,t为t时刻电池模块内的剩余能量；E_BESS为电池模块的额定容量；SOC₀为电池储能系统的初始荷电状态。E_s,t为t时刻电池模块相对于其初始状态的累计能量输出，可表示为：

式中：T_s为采样周期，其单位为s。

在储能型风电场启动热电机组过程中，电池模块相对于其初始状态的累计能量输出时刻发生变化。根据式(5)可知，当累计能量输出处于最大值时，BESS的荷电状态最小；反之，BESS的荷电状态最大，因此，电池模块的最小荷电状态SOC_b,min和最大荷电状态SOC_b,max可分别表示为：

式中：E_s,max和E_s,min分别为电池模块相对于其初始状态累计能量输出的最大值和最小值。

在启动热电机组过程中，为了避免对电池模块进行过充或过放，需使BESS的荷电状态处于设定的正常工作范围内，可表示为：

式中：SOC_max和SOC_min分别表示BESS正常工作时其荷电状态的上、下限值。

将式(8)内两式相减确定电池模块额定容量E_BESS，其满足：

3.电池模块最大充放电功率及逆变器容量的配置方法

为了使储能型风电场能够在启动热电机组过程中保持频率和电压的稳定，BESS必须能够满足黑启动过程中对于其最大有功和无功功率的需求。通过对黑启动过程中BESS的有功功率输出进行统计，可获得BESS的最大有功功率输出，并根据该值配置电池模块的最大充放电功率，即：

式中：P_bmax表示电池模块的的最大充放电功率；α_n表示BESS功率采样点的集合。

由式(2)可知，BESS向电网输送无功的能力主要由PCS中逆变器的容量决定。因此，为了使BESS能够满足黑启动过程中对于其无功极限的要求，PCS中逆变器的容量S_vsc满足：

4.SOC初始值范围的计算方法

在执行黑启动预案前，需检查电池储能系统的初始荷电状态是否处于合理范围内，以保证在黑启动过程中电池储能系统的荷电状态能够处于设定的工作范围内。因此，通过整理式(8)可得到BESS初始荷电状态的范围，即：

由式(9)确定电池模块的额定容量后，代入式(12)可得到初始荷电状态的范围，并以此作为判断利用储能型风电场启动3号热电机组方案能否进行的条件。

Claims (4)

1.一种储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统配置方法，其特征在于：包括电池模块额定容量配置方法、电池模块功率极限配置方法、能量转换系统的容量配置方法和电池模块荷电状态初始值范围的计算方法。

2.根据权利要求1所述的储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统配置方法，其特征在于：所述的电池模块额定容量配置方法是通过评估热电机组的过程中各阶段所需时间，对储能型风电场启动热电机组的过程进行仿真，并考虑BESS的充放电效率，以获得BESS的功率输出曲线；通过对BESS的有功功率进行积分，获得电池模块相对于其初始状态的累计能量输出，根据设定荷电状态范围计算电池模块的最小额定容量，具体公式为：

$E_{BESS}\≥\frac{E_{s,\max }-E_{s,\min }}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}$

E_BESS为电池模块的额定容量，E_s,max和E_s,min分别为电池模块相对于其初始状态累计能量输出的最大值和最小值，SOC_max和SOC_min分别表示BESS正常工作时其荷电状态的上、下限值。

3.根据权利要求1所述的储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统配置方法，其特征在于：所述电池模块功率极限配置方法、能量转换系统的容量配置方法是根据电池储能系统在被启动发电机组启动过程中有功与视在功率的最大值，分别确定电池模块的最大充放电功率和能量转换系统中逆变器的容量，

电池模块的最大充放电功率表示为：

$P_{b\max }\≥\underset{i\∈{\mathrm{\α}}_n}{\max }\left\{\left|P_{BESS,i}\right|\right\}$

P_bmax表示电池模块的的最大充放电功率；α_n表示BESS功率采样点的集合；

能量转换系统中逆变器的容量表示为：

$S_{vsc}\≥\underset{i\∈{\mathrm{\α}}_n}{\max }\left(\sqrt{P_{BESS,i}^2+Q_{bess,i}^2}\right)$

S_VSC为逆变器的容量，P_bess,i和Q_bess,i分别表示BESS的有功和无功功率输出，i为采样时刻。

4.根据权利要求1所述的储能型风电场作为电网黑启动电源时电池储能系统配置方法，其特征在于：所述的电池模块荷电状态初始值范围的计算方法为：在确定的电池模块的额定容量基础上，确定初始荷电状态的范围，并以此范围作为判断利用储能型风电场启动热电机组方案能否进行的条件，

$\frac{E_{s,\max }}{E_{BESS}}+{\mathrm{SOC}}_{\min }\≤{\mathrm{SOC}}_0\≤\frac{E_{s,\min }}{E_{PESS}}+{\mathrm{SOC}}_{\max }$

$E_{BESS}\≥\frac{E_{s,\max }-E_{s,\min }}{{\mathrm{SOC}}_{\max }-{\mathrm{SOC}}_{\min }}$

SOC₀为初始荷电状态，E_BESS为电池模块的额定容量，E_s,max和E_s,min分别为电池模块相对于其初始状态累计能量输出的最大值和最小值，SOC_max和SOC_min分别表示BESS正常工作时其荷电状态的上、下限值。