CN108616134A - 一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,包括以下步骤:根据数据拟合得到选用的锂电池的容量与放电倍率的关系、出力与放电倍率关系、循环寿命与放电倍率关系;离网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与柴油发电机功率;并网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与联络线功率;根据得到的储能与柴油发电机功率和储能与联络线功率计算储能功率与容量;离网及并网时的经济性建模;以经济性最优为目标,切负荷率与切负荷期望为指标,通过以固定步长改变储能与柴油机容量寻优得到最佳的储能与柴油机容量。本发明能极大得减少功率需求。
Description
技术领域
本发明涉及微电网容量配置技术领域,特别是涉及一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法。
背景技术
传统的火力发电在欧洲和美国逐步减少,对于全球范围来说2026年衰退速度或将达到峰值。我国计划2020年能源消费总量中应有15%的比重交给非化石能源。由于光照的间歇性以及高昂的光伏板、储能电池价格,兼顾可靠性与经济性进行光储配置具有较强的现实意义。
目前的储能容量配置普遍忽略了并离网切换,只从单一状态探讨。其次,高倍率电池运用到调频上时并未给出经济性分析。最后,经济性建模不够详细,比如没有考虑高C放电时平台电压降低对放电功率的影响以及成组运行时对电池寿命进行加速折算。锂电池价格逐年减少,柴油价格逐年增加,但相关文献均从价格固定的角度去看待实则动态变化的模型。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,能极大得减少功率需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,包括以下步骤:
(1)根据数据拟合得到选用的锂电池的容量与放电倍率的关系、出力与放电倍率关系、循环寿命与放电倍率关系;
(2)离网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与柴油发电机功率;
(3)并网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与联络线功率;
(4)根据得到的储能与柴油发电机功率和储能与联络线功率计算储能功率与容量;
(5)离网及并网时的经济性建模;
(6)以经济性最优为目标,切负荷率与切负荷期望为指标,通过以固定步长改变储能与柴油机容量寻优得到最佳的储能与柴油机容量。
所述步骤(1)中选用的锂电池为磷酸铁锂电池,磷酸铁锂电池的容量与放电倍率的关系为:Liq-c(k)=-4.642k0.1958+15.16;磷酸铁锂电池的出力与放电倍率的关系为:Liu-c(k)=0.00484k2-0.119k+3.348;磷酸铁锂电池的循环寿命与放电倍率关系为:其中,k为放电倍率,CR为额定电流下放出的额定容量,CA为实际放出的容量,DA为实际的放电深度,DR为额定的放电深度,a、b为拟合系数,mA为实际放电时的安培-小时数。
所述步骤(2)中离网时运行策略如下:光伏对负荷供电时,若出力不足时优先使用储能进行放电,仍不满足负荷需求时剩余缺额调用柴油发电机解决;若光伏出力大于储能电池,多余电力充进储能电池;若电池已充满电,选择弃光处理进一步减少储能容量。
所述步骤(2)中在离网运行策略时先对比每个测量点下光伏与负荷功率,得到每个测量点下的电池与柴油机功率。
所述步骤(3)中并网时运行策略如下:位于谷价时在保证负荷正常运行前提下,电网以最大功率对储能进行充电;位于峰电与平电时,电网不对储能充电,负荷让储能和光伏承担。
所述步骤(4)中的储能容量通过取所有测量点中储能和柴油机功率的最大值作为对应的额定容量利用积分法求得。
所述步骤(5)中经济性建模是在加入折现率讨论全寿命周期下离网时的初始投资成本、置换成本、运维成本、弃电与切负荷成本,并网时的弃电成本、削峰填谷及补贴收益、政府补贴收益得到的并离网联合运行的全寿命经济性模型;其中,离网时,磷酸铁锂电池全寿命运行周期中需考虑的总成本为:Cb-all=Cb-initial+Cb-rep+Cb-keep+Cwaste+Clack,Cb-initial、Cb-rep、Cb-keep、Cwaste、Clack分别为初始投资成本、置换成本、运维成本、弃电成本、缺电成本;离网时,柴油机的成本Cd-all主要分为:Cd-all=Cd-initial+Cd-keep+Cd-Q,Cd-initial、Cd-keep、 Cd-Q分别为初始投资成本、运维成本、燃料与环保治理成本;并网时,总经济成本为: 分别表示初始投资成本、运维成本、置换成本、弃电量成本、削峰填谷收益、政府补贴;
全寿命经济性模型为
有益效果
由于采用了上述的技术方案,本发明与现有技术相比,具有以下的优点和积极效果:本发明考虑了并离网切换更加符合大多数微网运行性质,选用了目前热门的动力电池而非传统的电池在成本与配置效果中寻求了一个最佳平衡点并给出了最佳的充放电倍率。此方法允许切除非重要负荷以及弃光可以进一步减小储能容量。计算经济性时不局限于当下成本将折现率考虑进去,以全寿命周期考察其经济性更加符合投资学思想。并且在计算时充分考虑了当下政策(诸如分时电价、政府补贴)具有较强的现实意义。
附图说明
图1是微电网容量配置算法基本流程图;
图2是磷酸铁锂电池容量-放电倍率图。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,如图1 所示,其基本流程是:通过固定步长改变储能、柴油机、最大充放电倍率,得到经济性最优时的微电网容量配置并给出对应的切负荷率、切负荷期望。
首先根据数据拟合(见图2),得到选用的磷酸铁锂电池的容量与放电倍率的关系如下:
Liq-c(k)=-4.642k0.1958+15.16,R-square=0.9924
k代表放电倍率,R-square为确定系数。
得到选用的磷酸铁锂电池的出力与放电倍率的关系如下:
Liu-c(k)=0.00484k2-0.119k+3.348,R-square=0.9904
Liu-c(k)为放电倍率为k时的平台放电电压,单位:V。
因此,考虑放电电压随放电倍率变化后,储能的实际出力可表示为:
Urate、Irate、Pb-rate分别为储能的额定电压、额定电流、额定功率。
下面是循环寿命与放电倍率的关系:
不考虑倍率特性时,电池每次放出的安培-小时数可以换算成
CR为额定电流下放出的额定容量,CA为实际放出的容量,DA为实际的放电深度,DR为额定的放电深度,a、b为拟合系数,mA为实际放电时的安培-小时数。考虑充放电倍率后,上式可修正为:
CC为不同放电倍率下可用的容量。不同放电倍率下可用的容量CC来代表放电倍率k,一样可以表示寿命与放电倍率的关系。利用总有效吞吐量,即在额定倍率放电电流、额定放电深度下循环到寿命结束所放出的总电量(单位:Ah),因此便可得到蓄电池实际的运行寿命:
YA为磷酸铁锂电池的运行寿命(单位:年),Ncycle(R)为额定条件下的循环放电次数,T 为运行周期(单位:年),β为电池成组运行时相对于单体运行的折算系数(与单体数量反相关)。
离网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与柴油发电机功率。离网运行策略不仅仅将柴油机作为单一备用(间断运行)而不作为基荷(不间断运行)的运行,并且允许弃光以及断电时只需要满足重要负荷不断电即可。具体而言:光伏对负荷供电时,若出力不足时优先使用储能进行放电,仍不满足负荷需求时剩余缺额再调用柴油发电机解决。若光伏出力大于储能电池,多余电力充进储能电池。若电池已充满电,选择弃光处理进一步减少储能容量。离网运行策略下先对比每个测量点下光伏与负荷功率,进而可以得到每个测量点下的电池与柴油机功率。
离网出力建模时步骤如下:
步骤一:某时刻的Soc为:
Soc(t)为t时刻储能剩余电量占完全充满时电量的比值,ηch、ηf为充放电效率,为全寿命周期的测量点总数,pbi蓄电池理想功率(大于0为充电,小于0为放电),Erate表示储能的额定容量。
步骤二:
(1)若Ppvi-PLi≥0,则电池与柴油发电机功率为:
Ppvi(单位:kw)为第i个时间段光伏板发出功率平均值(下同,若无特殊说明,此时间段默认为1h且用“测量点”来描述),PLi(单位:kw)为负荷功率,Pdi为柴油机发出功率,Pch-max为蓄电池最大充电功率。
(2)若Ppvi-PLi<0,且 表示储能剩余电量占完全充满时电量比值的最小值,则电池与柴油发电机功率为:
Pd-min为柴油机最小出力(与pd-rate存在固定百分比λ,由厂家铭牌数据确定),Pf-max为储能放电功率的最大值,pd-rate为柴油机的额定功率。
(3)若Ppvi-PLi<0, 表示储能剩余电量占完全充满时电量比值的最大值,除了步骤二第(3)节情境时出力与步骤二第(2)节不同,其他皆与步骤二第(2) 节相同。则电池与柴油发电机功率为:
(4)若Ppvi-PLi<0,且则电池与柴油发电机功率为:
并网运行策略为谷价时在保证负荷正常运行前提下,电网以最大功率对储能进行充电 (考虑到联络线功率限制、储能最大充电功率限制)。峰电与平电时,电网尽可能不对储能充电,负荷尽可能让储能和光伏承担。
并网时建模步骤如下:
谷电时,且则电池与联络线功率为:
Pbuy-max(单位:kw,正值)为购电时大电网向微电网输入的功率上限,Psell-max(单位:kw,正值)为卖电时微电网向大电网输入的功率上限。
平电、峰电时,Ppvi-PLi<0且则电池与联络线功率为:
平电、峰电时,Ppvi-PLi≥0且则电池与联络线功率为:
时,需对平电、峰电且光伏小于负载时,做补充说明:
额定功率与额定容量可用下式求得:
其中,分别表示储能功率差值的最大值、最小值,M(k)为在放电倍率为 k时经过拟合得到的储能实际出力与储能额定出力的关系式。
经济性建模将不仅仅考虑初始投资成本,而是在加入折现率讨论全寿命周期下离网时的初始投资成本、置换成本、运维成本、弃电与切负荷成本,并网时的弃电成本、削峰填谷及补贴收益、政府补贴收益(取决于光伏板发电量,定额发放),进而得到并离网联合运行的全寿命经济性模型。
其中,离网时,磷酸铁锂电池全寿命运行周期中需考虑的总成本为: Cb-all=Cb-initial+Cb-rep+Cb-keep+Cwaste+Clack,Cb-initial、Cb-rep、Cb-keep、Cwaste、Clack分别为初始投资成本、置换成本、运维成本、弃电成本、缺电成本;离网时,柴油机的成本Cd-all主要分为:Cd-all=Cd-initial+Cd-keep+Cd-Q,Cd-initial、Cd-keep、Cd-Q分别为初始投资成本、运维成本、燃料与环保治理成本;并网时,总经济成本为: 分别表示初始投资成本、运维成本、置换成本、弃电量成本、削峰填谷收益、政府补贴;全寿命经济性模型为
优化目标为经济性成本最低:
Min F(x)=Min Call(x)
下面以海口某示范微电网系统为例进一步说明本发明。
该示范微电网系统符合“自发自用、余电上网”模式,一次离网时间时长定义为24h。光伏板容量为500kw,平均负荷650kw,最大负荷为800kw,χ、ηch、ηf取20%、10%、10%。储能容量配置范围为0-500kwh,柴油机容量配置范围为50kw-300kw,用一年数据做计算。根据18年的政策,向电网售电时燃煤标杆上网电价为0.4298元/kW·h,度电补贴为0.37 元/kW·h。具体电价如表1,按照图1所示流程图进行优化配置,得到配置结果见表2。
表1 2018年海南电网电价
表2配置结果
结果表明:
(1)考虑倍率特性后,电池的配置功率大大减少,但对容量的影响不大。
(2)选择高倍率进行配置时,经济性不佳,目前市场价格来说,对此工况用2倍或者3 倍的动力电池较为合适。
适当的切负荷以及配置柴油发电机,会大大减少储能容量配置。考虑锂电池价格逐年走低,柴油价格逐年走高,动力电池对于微电网系统的需求会越来越大。
Claims (7)
1.一种考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)根据数据拟合得到选用的锂电池的容量与放电倍率的关系、出力与放电倍率关系、循环寿命与放电倍率关系;
(2)离网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与柴油发电机功率;
(3)并网时,根据运行策略求出不同运行条件下储能与联络线功率;
(4)根据得到的储能与柴油发电机功率和储能与联络线功率计算储能功率与容量;
(5)离网及并网时的经济性建模;
(6)以经济性最优为目标,切负荷率与切负荷期望为指标,通过以固定步长改变储能与柴油机容量寻优得到最佳的储能与柴油机容量。
2.根据权利要求1所述的考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,所述步骤(1)中选用的锂电池为磷酸铁锂电池,磷酸铁锂电池的容量与放电倍率的关系为:Liq-c(k)=-4.642k0.1958+15.16;磷酸铁锂电池的出力与放电倍率的关系为:Liu-c(k)=0.00484k2-0.119k+3.348;磷酸铁锂电池的循环寿命与放电倍率关系为:其中,k为放电倍率,CR为额定电流下放出的额定容量,CA为实际放出的容量,DA为实际的放电深度,DR为额定的放电深度,a、b为拟合系数,mA为实际放电时的安培-小时数。
3.根据权利要求1所述的考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,所述步骤(2)中离网时运行策略如下:光伏对负荷供电时,若出力不足时优先使用储能进行放电,仍不满足负荷需求时剩余缺额调用柴油发电机解决;若光伏出力大于储能电池,多余电力充进储能电池;若电池已充满电,选择弃光处理进一步减少储能容量。
4.根据权利要求3所述的考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,所述步骤(2)中在离网运行策略时先对比每个测量点下光伏与负荷功率,得到每个测量点下的电池与柴油机功率。
5.根据权利要求1所述的考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,所述步骤(3)中并网时运行策略如下:位于谷价时在保证负荷正常运行前提下,电网以最大功率对储能进行充电;位于峰电与平电时,电网不对储能充电,负荷让储能和光伏承担。
6.根据权利要求1所述的考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,所述步骤(4)中的储能容量通过取所有测量点中储能和柴油机功率的最大值作为对应的额定容量利用积分法求得。
7.根据权利要求1所述的考虑微电网并离网切换的动力储能容量配置方法,其特征在于,所述步骤(5)中经济性建模是在加入折现率讨论全寿命周期下离网时的初始投资成本、置换成本、运维成本、弃电与切负荷成本,并网时的弃电成本、削峰填谷及补贴收益、政府补贴收益得到的并离网联合运行的全寿命经济性模型;其中,离网时,磷酸铁锂电池全寿命运行周期中需考虑的总成本为:Cb-all=Cb-initial+Cb-rep+Cb-keep+Cwaste+Clack,Cb-initial、Cb-rep、Cb-keep、Cwaste、Clack分别为初始投资成本、置换成本、运维成本、弃电成本、缺电成本;离网时,柴油机的成本Cd-all主要分为:Cd-all=Cd-initial+Cd-keep+Cd-Q,Cd-initial、Cd-keep、Cd-Q分别为初始投资成本、运维成本、燃料与环保治理成本;并网时,总经济成本为: 分别表示初始投资成本、运维成本、置换成本、弃电量成本、削峰填谷收益、政府补贴;全寿命经济性模型为
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