CN106953339A - 一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法。现有的平抑波动方法未充分考虑储能的寿命，虽然能够提供光伏变化满足率，但是严重缩短储能的使用寿命。本发明首先提出改进的铅炭电池储能寿命模型，基于此模型提出了一种实时平抑光伏电站功率波动的方法；当光伏功率变化率超过功率波动约束，利用储能将目标变化率调节成与储能荷电状态和光伏功率变化率相关的自适应反比例函数值；当光伏功率变化率小于功率波动约束时，通过下垂调节方式控制储能功率使目标变化率稳定在期望的范围之内；同时加入了SOC反馈调节机制，将SOC调节在设定的范围中。本发明在提高功率波动平抑效果的同时延长了储能的使用寿命，具有一定的优越性。

Description

一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法。

背景技术

作为一种清洁可再生能源，光伏发电近几年得到了快速的发展。然而太阳辐照度的随机波动使得大容量的光伏电站并网发电具有间歇性、不确定性，会对电网造成一定的冲击。为了提高光伏发电的并网运行能力，需对其输出功率的波动进行平抑，而且国家标准《光伏电站接入电网技术规定》中指出光伏电站有功功率变化速率每分钟不超过装机容量10％。

常规储能平抑光伏功率波动控制方法主要是平均值方法，利用一定时间窗内的光伏功率平均值控制当前的储能充放电功率，但是受光伏历史发电功率的影响，可能造成在光伏功率变化较小的情况下储能大功率的充放电，严重缩短储能的寿命；同时有很多学者提出利用混合储能平抑方法达到平滑光伏功率的效果，但是两种类型储能之间的协调控制较复杂，容易造成能量型储能的过充。铅炭电池在性能上同时具有铅酸电池和电容器的特点，并且循环寿命长，因此得到了越来越广泛的应用，但是目前铅炭电池在平抑光伏电站功率波动方面的研究很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法，根据铅炭电池放电深度与循环次数的实验数据，拟合得到两者之间的关系式；同样利用铅炭电池放电倍率与可用容量的实验数据，拟合得到两者之间的关系式，利用所述的两个关系式以及铅炭电池的累积吞吐能量计算储能铅炭电池的等效寿命损耗系数，进而得到储能铅炭电池的等效寿命；

当光伏功率变化率超过功率波动约束时，利用储能铅炭电池将目标变化率调节成与储能荷电状态和光伏功率变化率相关的自适应反比例函数值；当光伏功率变化率小于功率波动约束时，通过下垂调节方式控制储能功率使目标变化率稳定在期望的范围内；同时加入储能荷电状态(SOC)反馈调节机制，将储能荷电状态值调节在设定的范围中。

光伏功率的变化率ramp(t)可以利用实时数据计算得到：

上式中，t为当前时刻，P_pv(t)为光伏t时刻的输出功率，Δt代表时间步长。

上述方法包括以下步骤：

步骤1)：利用大量铅炭电池实验数据拟合放电深度与其对应的循环次数之间的关系式Cycletime(DOD(i))，其中Cycletime表示铅炭电池在某个放电深度DOD(i)下的循环次数；同理利用实验数据拟合得到放电倍率C和可用容量μ_N百分比之间的关系式μ_N(C)；

步骤2)，构造等效储能寿命模型：计算储能铅炭电池的累积吞吐能量：i∈M，其中为第i次充放电的功率指令，放电为正；Tⁱ为充放电时长；M为当前储能铅炭电池的充放电总次数；

综合考虑不同放电深度下的循环次数和不同放电倍率下可用容量的差别，以及不同储能荷电状态下寿命权重因子的不同，得到储能铅炭电池等效寿命损耗系数η计算公式：其中L(^SOC)为不同储能荷电状态下的寿命权重因子，C_p代表储能的额定容量，因此当η为1时即计算得到储能铅炭电池的等效寿命；

步骤3)：计算假设某时刻储能出力为零情况下的输出功率变化率rP_out以及储能荷电状态偏差量ΔSoc(k)，公式为：

其中K为反馈控制系数；k为当前时刻；P_PV、P_bat和P_inv分别为光伏和储能以及逆变器的输出功率；E_{bat_ref}为电池充放电能量的参考值，η_inv表示逆变器的效率；Δt代表时间步长；P_inv(k-1)代表k-1时刻下的逆变器输出功率；

计算当前时刻储能荷电状态的偏差量：ΔSoc(k)＝Soc(k-1)-Soc_ref，其中SOC_ref为储能荷电状态设定的期望值，Soc(k-1)为k-1时刻的储能荷电状态值；

步骤4)：计算目标变化率r_des

当发生光伏爬坡事件时，即光伏变化率超过功率波动约束，|rPo_ut(k)|≥r_lim，设定目标变化率r_des为光伏变化率的反比例函数，而且系数与当前的储能荷电状态值有关：r_des(k)＝f(|ΔSOC(k)|)/|rPo_ut(k)|；当未发生光伏爬坡事件时，即|rPo_ut(k)|＜r_lim，目标变化率r_des设定为对于储能荷电状态的下垂调节函数：r_des(k)＝h(|rP_inv(k-1)|)，其中r_lim代表国家标准中规定的最大光伏功率变化率，即10％的额定容量；rP_inv(k-1)代表k-1时刻下的逆变器输出功率变化率；

其中λ₁、λ₂为不同储能荷电状态值下的反比例函数系数；

其中，SOCL、SOCU分别代表储能荷电状态偏差的期望上限和下限设定值；

步骤5)：安全校验与修正

考虑到储能电池储能荷电状态有安全运行范围，根据下一时刻的储能荷电状态计算值与安全范围的比较修正储能输出功率以及逆变器输出功率：

其中，SOCLL和SOCUL为储能电池储能荷电状态安全约束的下限和上限；而且SOC(k+1)＝SOC(k)-P_bat(k)×Δt/Cp；

根据平抑功率波动确定目标功率变化率以及储能的输出功率；通过调节储能电池的充放电功率满足控制目标，使逆变器输出功率的变化率满足约束条件，实现具体的平抑光伏电站功率波动控制方案。

本发明充分考虑不同光伏功率变化率以及不同储能电池SOC情况下的自适应调节能力，结合SOC反馈调节方式，构造出不同情况下的目标变化率，计算出储能的充放电功率，并利用安全校验得到最终的储能调节功率以及逆变器输出功率。

相比其他平抑波动方法，本发明能够在提供功率变化满足率的同时延长了储能铅炭电池的使用寿命。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法，其步骤如下：

步骤(1)：利用大量铅炭电池实验数据拟合放电深度与其对应的循环次数之间的关系式Cycletime(DOD)，其中Cycletime表示铅炭电池在某个放电深度(DOD)下的循环次数。同理利用实验数据拟合得到放电倍率C和可用容量μ_N百分比之间的关系式μ_N(C)。

步骤(2)：构造等效储能寿命模型；具体是：计算得到储能电池的累积吞吐能量C_sum：i∈M，其中为第i次充放电的功率指令(放电为正)；Ti为充放电时长；M为当前储能电池的充放电总次数。综合考虑不同放电深度下的循环寿命和不同放电倍率下可用容量的差别，以及不同SOC下寿命权重因子的不同，得到储能电池等效寿命损耗系数η计算公式：其中L(SOC)为不同SOC下的寿命权重因子，Cp代表储能的额定容量，因此当η为1时即可计算得到储能电池的等效寿命。

步骤(3)：计算假设某时刻储能出力为零情况下的输出功率变化率rP_out以及SOC偏差量ΔSoc(k)；具体是：其中K为反馈控制系数；k为当前时刻；P_PV，P_bat和P_inv分别为光伏和储能以及逆变器输出功率；E_bat__ref为电池充放电能量的参考值，η_inv表示逆变器的效率；Δt代表时间步长。计算当前时刻SOC的偏差量：ΔSoc(k)＝Soc(k-1)-Soc_ref，其中Soc_ref为设定的期望值。

步骤(4)：计算目标变化率r_des；当发生光伏爬坡事件时，即|rPo_ut(k)|≥r_lim，可以设定目标变化率r_des为光伏变化率的反比例函数，而且系数与当前的储能SOC有关：r_des(k)＝f(|ΔSOC(k)|)/|rPo_ut(k)|,|rPo_ut(k)|≥r_lim；当未发生光伏爬坡事件时，即|rPo_ut(k)|＜r_lim，目标变化率r_des设定为对于SOC的下垂调节函数：r_des(k)＝h(|rP_inv(k-1)|),|rPo_ut(k)|＜r_lim，r_lim代表国家标准中规定的最大光伏功率变化率，即10％的额定容量；rP_inv(k-1)代表(k-1)时刻下的逆变器输出功率变化率；

其中λ₁，λ₂为不同SOC值下的反比例函数系数；

其中SOCL和SOCU分别代表SOC偏差的期望上限和下限设定值。

步骤(5)：安全校验与修正；考虑到储能电池SOC有安全运行范围，根据下一时刻的SOC计算值与安全范围的比较修正储能输出功率以及逆变器输出功率：

其中，SOCLL和SOCUL为储能电池SOC安全约束的下限和上限；而且SOC(k+1)＝SOC(k)-Pbat(k)×Δt/Cp；

根据平抑功率波动确定目标功率变化率以及储能的输出功率；通过调节储能电池的充放电功率满足控制目标，使逆变器输出功率的变化率满足约束条件，实现具体的平抑光伏电站功率波动控制方案。

实际案例研究结果表明，本发明所提出的平抑方法在提高功率波动平抑指标的同时，延长了储能电池的使用寿命。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法，其特征在于，包括：

根据铅炭电池放电深度与循环次数的实验数据，拟合得到两者之间的关系式；同样利用铅炭电池放电倍率与可用容量的实验数据，拟合得到两者之间的关系式，利用所述的两个关系式以及铅炭电池的累积吞吐能量计算储能铅炭电池的等效寿命损耗系数，进而得到储能铅炭电池的等效寿命；

当光伏功率变化率超过功率波动约束时，利用储能铅炭电池将目标变化率调节成与储能荷电状态和光伏功率变化率相关的自适应反比例函数值；当光伏功率变化率小于功率波动约束时，通过下垂调节方式控制储能功率使目标变化率稳定在期望的范围内；同时加入储能荷电状态反馈调节机制，将储能荷电状态值调节在设定的范围中。

2.根据权利要求1所述的铅炭电池实时平抑光伏电站功率波动的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：利用大量铅炭电池实验数据拟合放电深度与其对应的循环次数之间的关系式Cycletime(DOD(i))，其中Cycletime表示铅炭电池在某个放电深度DOD(i)下的循环次数；同理利用实验数据拟合得到放电倍率C和可用容量μ_N百分比之间的关系式μ_N(C)；

步骤2)，构造等效储能寿命模型：计算储能铅炭电池的累积吞吐能量：其中为第i次充放电的功率指令，放电为正；Tⁱ为充放电时长；M为当前储能铅炭电池的充放电总次数；

综合考虑不同放电深度下的循环次数和不同放电倍率下可用容量的差别，以及不同储能荷电状态下寿命权重因子的不同，得到储能铅炭电池等效寿命损耗系数η计算公式：其中L(SOC)为不同储能荷电状态下的寿命权重因子，Cp代表储能的额定容量，因此当η为1时即计算得到储能铅炭电池的等效寿命；

步骤3)：计算假设某时刻储能出力为零情况下的输出功率变化率rP_out以及储能荷电状态偏差量ΔSoc(k)，公式为：

其中K为反馈控制系数；k为当前时刻；P_PV、P_bat和P_inv分别为光伏和储能以及逆变器的输出功率；E_{bat_ref}为电池充放电能量的参考值，η_inv表示逆变器的效率；Δt代表时间步长；P_inv(k-1)代表k-1时刻下的逆变器输出功率；

计算当前时刻储能荷电状态的偏差量：ΔSoc(k)＝Soc(k-1)-Soc_ref，其中SOC_ref为储能荷电状态设定的期望值，Soc(k-1)为k-1时刻的储能荷电状态值；

步骤4)：计算目标变化率r_des

当发生光伏爬坡事件时，即光伏变化率超过功率波动约束，|rP_out(k)|≥r_lim，设定目标变化率r_des为光伏变化率的反比例函数，而且系数与当前的储能荷电状态值有关：r_des(k)＝f(|ΔSOC(k)|)/|rP_out(k)|；当未发生光伏爬坡事件时，即|rP_out(k)|＜r_lim，目标变化率r_des设定为对于储能荷电状态的下垂调节函数：r_des(k)＝h(|rP_inv(k-1)|)，其中r_lim代表国家标准中规定的最大光伏功率变化率，即10％的额定容量；rP_inv(k-1)代表k-1时刻下的逆变器输出功率变化率；

$\begin{array}{c}f\left(\right|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\left|\right)=\\ \left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_1,\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|<SOCL\\ {\mathrm{\&lambda;}}_1+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2-{\mathrm{\&lambda;}}_1}{SOCU-SOCL}\&lsqb;\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|-SOCL\&rsqb;\\ SOCL\&le;\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|\&le;SOCU\\ {\mathrm{\&lambda;}}_2,\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|>SOCU\end{array}\right.\end{array},$

其中λ₁、λ₂为不同储能荷电状态值下的反比例函数系数；

$\begin{array}{c}h\left(\right|{\mathrm{rP}}_{inv}\left(k-1\right)\left|\right)=\\ \left\{\begin{array}{c}\left|{\mathrm{rP}}_{inv}(k-1)\right|,\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|<SOCL\\ \left|{\mathrm{rP}}_{inv}(k-1)\right|+\frac{\left|{\mathrm{rP}}_{out}\left(k\right)\right|-\left|{\mathrm{rP}}_{inv}(k-1)\right|}{SOCU-SOCL}\&lsqb;\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|-SOCL\&rsqb;\\ SOCL\&le;\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|\&le;SOCU\\ \left|{\mathrm{rP}}_{out}\left(k\right)\right|,\left|\mathrm{\&Delta;}SOC\left(k\right)\right|>SOCU\end{array}\right.\end{array},$

${\mathrm{rP}}_{inv}\left(k\right)=\frac{P_{inv}\left(k\right)-P_{inv}(k-1)}{\mathrm{\&Delta;}t}$

其中，SOCL、SOCU分别代表储能荷电状态偏差的期望上限和下限设定值；

步骤5)：安全校验与修正

考虑到储能电池储能荷电状态有安全运行范围，根据下一时刻的储能荷电状态计算值与安全范围的比较修正储能输出功率以及逆变器输出功率：

$\begin{array}{c}{P}_{bat}\left(k\right)=\\ \left\{\begin{array}{c}\left(SOC\right(k)-SOCLL)\&CenterDot;Cp/\mathrm{\&Delta;}t,SOC(k+1)<SOCLL\\ P_{bat}(k-1)+\frac{{\mathrm{dP}}_{bat}}{dt}\&times;\mathrm{\&Delta;}t,SOCLL\&le;SOC(k+1)\&le;SOCUL\\ (SOCUL-SOC(k\left)\right)\&CenterDot;Cp/\mathrm{\&Delta;}t,SOC(k+1)>SOCLL\end{array}\right.\end{array}$

其中，SOCLL和SOCUL为储能电池储能荷电状态安全约束的下限和上限；而且SOC(k+1)＝SOC(k)-P_bat(k)×Δt/Cp；

根据平抑功率波动确定目标功率变化率以及储能的输出功率；通过调节储能电池的充放电功率满足控制目标，使逆变器输出功率的变化率满足约束条件，实现具体的平抑光伏电站功率波动控制方案。