一种分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统功率分配领域,并且更具体地,涉及一种分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法和系统。
背景技术
能源问题是人类生存发展和社会运行的基本问题,传统能源结构与人类可持续发展以及人类日益增长的能源需求之间的矛盾日益尖锐,新的能源结构与供给方式应运而生,可再生能源是解决上述矛盾的关键所在。这促使以可再生能源和以互联网技术为特点的新型能源结构“能源互联网”的诞生。作为能源互联网的核心之一的新能源随着并网装机容量的不断增加,其源波动性、间歇性等问题给电网的安全稳定运行带来了极大的挑战,也在一定程度上限制了可再生能源的发展。能源互联网具有能量源的不确定性与能量流的无秩序性,而储能成为解决上述两大问题的支撑性基础.储能技术作为能源互联网的关键支撑技术,目前正处在一个关键时期,面临着关键技术研发与路线选择、推广应用、成果转化等难题,研究储能技术势在必行。
电化学储能技术同其他储能形式相比具有可控性高、能量密度大、模块化程度高、能量转换效率高、建设周期短等优点,成为储能发展的重要方向之一,具有很广阔的发展前景。锂电池和镍氢电池是最具有发展前景的两种电池,其中锂电池具有更加明显的发展优势;相比镍氢电池锂电池重量减轻40%-50%,体积减小了20%-30%,在能量密度和循环次数等方面锂电池都有明显优势。但是锂电池储能技术在大规模集成方面尚不成熟。
分布式储能系统,由于其出力分散,可控性差,缺乏相应的调度手段,难以发挥其削峰填谷、调频、调压、对系统进行安全支撑等辅助电力系统安全运行的潜力,为了发挥分布式储能装置的潜力,以及与其他发电装置的协调合作,需要合理聚合其出力情况,目前尚没有精确高效的分布式储能装置与其他发电装置动态聚合的办法,无法满足对发电装置的实时调度需求。
发明内容
为了解决现有技术对接入电力系统的多种类型发电装置缺乏精确高效的动态功率聚合手段的技术问题,本发明提供一种分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法,所述方法包括:
步骤1、对目标电力系统进行建模,确定所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数;
步骤2、根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵,并基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置和储能装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其中,所述发电装置是指不具备储能特性的发电装置;
步骤3、实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量;
步骤4、根据分布式储能装置的分布位置和运行状态,确定分布式储能装置的输出总功率,所述运行状态包括分布式储能装置的荷电状态和功率;
步骤5、以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,并按照发电装置和储能装置的功率聚合值对目标电力系统进行功率输出。
进一步地,所述根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵是指当接入目标电力系统的全部发电装置节点为n+1个时,设参考节点为n+1个,则所述B0矩阵为不包括参考节点的n*n阶矩阵,其元素分别为:
式中,xij为第i个节点与第j个节点之间的支路的导纳,B0(i,i)为自导纳,B0(i,j)为互导纳,1≤i≤n,1≤j≤n+1。
进一步地,所述基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置和储能装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子包括:
基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定B0矩阵的逆矩阵X;
根据所述B0矩阵的逆矩阵X确定接入目标电力系统的全部发电装置和储能装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其计算公式为:
式中,是节点i对电力系统第k条支路的功率转移分布因子;
X是B0矩阵的逆矩阵;
xk是第k条支路的阻抗;
Mk是第k条支路的节点-支路关联矢量,矢量为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素M(i,1)的值根据所述第k条支路潮流方向取值,当第k条支路的潮流方向为到达节点i时,M(i,1)为-1,当第k条支路的潮流方向为从节点i出发时,M(i,1)为1,当第k条支路的潮流不经过节点i时,M(i,1)为0,矩阵中除元素M(i,1)外的其他元素的值为0;
ei为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素e(i,1)的值为1,其他元素的值为0。
进一步地,所述实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量是指根据目标电力系统负荷增加量、系统频率、功率角的变化确定系统总潮流聚合目标和各支路潮流调控目标量。
进一步地,所述以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,其计算公式为:
式中,Pt为t时刻目标电力系统总潮流聚合目标,为节点i,即第i个发电装置对系统第k条支路的功率转移分布因子,ΔPi k为第i个发电装置对系统第k条支路的功率输出值,其中,目标电力系统每条支路的总聚合值满足该支路潮流调控目标量。
根据本发明的另一方面,本发明提供一种分布式发电与储能装置的功率动态聚合的系统,所述系统包括:
模型建立单元,其用于对目标电力系统进行建模,确定所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数;
第一计算单元,其用于根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵,并基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置和储能装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其中,所述发电装置是指不具备储能特性的发电装置;
第二计算单元,其用于实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量;
第三计算单元,根据分布式储能装置的分布位置和运行状态,确定分布式储能装置的输出总功率,所述运行状态包括分布式储能装置的荷电状态和功率;
功率输出单元,其用于以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,并按照发电装置和储能装置的功率聚合值对目标电力系统进行功率输出。
进一步地,所述第一计算单元根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵是指当接入目标电力系统的全部发电装置节点为n+1个时,设参考节点为n+1个,则所述B0矩阵为不包括参考节点的n*n阶矩阵,其元素分别为:
式中,xij为第i个节点与第j个节点之间的支路的导纳,B0(i,i)为自导纳,B0(i,j)为互导纳,1≤i≤n,1≤j≤n+1。
进一步地,所述第一计算单元基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子包括:
基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定B0矩阵的逆矩阵X;
根据所述B0矩阵的逆矩阵X确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其计算公式为:
式中,是节点i对电力系统第k条支路的功率转移分布因子;
X是B0矩阵的逆矩阵;
xk是第k条支路的阻抗;
Mk是第k条支路的节点-支路关联矢量,矢量为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素M(i,1)的值根据所述第k条支路潮流方向取值,当第k条支路的潮流方向为到达节点i时,M(i,1)为-1,当第k条支路的潮流方向为从节点i出发时,M(i,1)为1,当第k条支路的潮流不经过节点i时,M(i,1)为0,矩阵中除元素M(i,1)外的其他元素的值为0;
ei为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素e(i,1)的值为1,其他元素的值为0。
进一步地,所述第二计算单元实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量是指根据目标电力系统负荷增加量、系统频率、功率角的变化确定系统总潮流聚合目标和各支路潮流调控目标量。
进一步地,所述功率输出单元以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,其计算公式为:
式中,Pt为t时刻目标电力系统总潮流聚合目标,为节点i,即第i个发电装置对系统第k条支路的功率转移分布因子,ΔPi k为第i个发电装置对系统第k条支路的功率输出值,其中,目标电力系统每条支路的总聚合值满足该支路潮流调控目标量。
本发明技术方案提供的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法和系统通过建立目标电力系统的模型,确定系统的拓扑结构和线路阻抗参数,基于系统的拓扑结构和线路阻抗确定电力系统参考节点的B0矩阵,并根据所述B0矩阵确定接入电力系统的全部节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,根据目标电力系统功率需求计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量,以及根据分布式储能装置的分布位置和运行状态,确定分布式储能装置的输出总功率,最后以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,并按照发电装置和储能装置的功率聚合值对目标电力系统进行功率输出。本发明所述的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法和系统基于接入目标电力系统的节点相对于全部支路的功率转移分布因子准确高效地对接入电力系统的全部发电装置和储能装置进行动态聚合,充分发挥了分布式储能装置的应有潜力,提高了分布式储能装置的可控性。
附图说明
通过参考下面的附图,可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式:
图1为根据本发明优选实施方式的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法的流程图;
图2为根据本发明优选实施方式的电力系统拓扑结构图;
图3为根据本发明优选实施方式的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的系统的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式,然而,本发明可以用许多不同的形式来实施,并且不局限于此处描述的实施例,提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明,并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中,相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明,此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外,可以理解的是,以通常使用的词典限定的术语,应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义,而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明优选实施方式的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法的流程图。如图1所示,本优选实施方式所述的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的方法100从步骤101开始。
在步骤101,对目标电力系统进行建模,确定所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数。
图2为根据本发明优选实施方式的电力系统拓扑结构图。如图2所示,所述电力系统共接入3个发电装置,即接入节点有3个,支路有4条,且支路2和3的总阻抗值为0.2。
在步骤102,根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵,并基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子。
优选地,所述根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵是指当接入目标电力系统的全部发电装置节点为n+1个时,设参考节点为n+1个,则所述B0矩阵为不包括参考节点的n*n阶矩阵,其元素分别为:
式中,xij为第i个节点与第j个节点之间的支路的导纳,B0(i,i)为自导纳,B0(i,j)为互导纳,1≤i≤n,1≤j≤n+1。
在本优选实施方式中,对于图2中的电力系统,以节点3为参考节点,则根据求取B0矩阵中元素的公式,所述B0矩阵为:
优选地,所述基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子包括:
基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定B0矩阵的逆矩阵X;
在本优选实施方式中,根据图2的电力系统所确定的B0矩阵的逆矩阵X为:
根据所述B0矩阵的逆矩阵X确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其计算公式为:
式中,是节点i对电力系统第k条支路的功率转移分布因子;
X是B0矩阵的逆矩阵;
xk是第k条支路的阻抗;
Mk是第k条支路的节点-支路关联矢量,矢量为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素M(i,1)的值根据所述第k条支路潮流方向取值,当第k条支路的潮流方向为到达节点i时,M(i,1)为-1,当第k条支路的潮流方向为从节点i出发时,M(i,1)为1,当第k条支路的潮流不经过节点i时,M(i,1)为0,矩阵中除元素M(i,1)外的其他元素的值为0;
ei为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素e(i,1)的值为1,其他元素的值为0。
在本优选实施试,对于图2所示的电力系统,节点2对系统支路1的功率转移分布因子计算公式为:
其中,该电力系统除参考节点3外,还有2个参考节点,故矩阵e2为两行一列,节点2处为非零元素1,其他元素为0,即同理,对于矩阵M1,也是两行一列,由于支路1的潮流方向为到达节点2,因此,节点2处为非零元素-1,其他元素为0,即将所述矩阵代入得:
按照同样的方法,计算可得节点1的支路功率转移分布因子亦可通过同样的方法求得。
在步骤103,实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量。其中,在确定系统支路潮流调控目标量时,就保证线路安全,不能过载,一般应保证线路负载率不能长时间高于85%。
优选地,所述实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量是指根据目标电力系统负荷增加量、系统频率、功率角的变化确定系统总潮流聚合目标和各支路潮流调控目标量。
在步骤104,根据分布式储能装置的分布位置和运行状态,确定分布式储能装置的输出总功率,所述运行状态包括分布式储能装置的荷电状态和功率。其中,在选择分布式储能装置聚合组合时,应保证装置本身的安全性,不能过充或过度放电而对储能装置造成损坏。
在步骤105,以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,并按照发电装置和储能装置的功率聚合值对目标电力系统进行功率输出。
优选地,所述以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,其计算公式为:
式中,Pt为t时刻目标电力系统总潮流聚合目标,为节点i,即第i个发电装置对系统第k条支路的功率转移分布因子,ΔPi k为第i个发电装置对系统第k条支路的功率输出值,其中,目标电力系统每条支路的总聚合值满足该支路潮流调控目标量。
在本优选实施方式中,在满足系统安全、保证系统电能质量等约束条件的前提下,分布式储能装置优先出力,当分布式储能装置的功率输出满足系统潮流总目标时,则其他发电装置不参与功率聚合,只有在分布式储能装置的功率输出不能满足潮流目标时,其他发电装置才参与功率聚合。
图3为根据本发明优选实施方式的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的系统的结构示意图。如图3所示,本优选实施方式所述的分布式发电与储能装置的功率动态聚合的系统300包括:
模型建立单元301,其用于对目标电力系统进行建模,确定所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数。
第一计算单元302,其用于根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵,并基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其中,所述发电装置是指不具备储能特性的发电装置。
第二计算单元303,其用于实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量。
第三计算单元304,根据分布式储能装置的分布位置和运行状态,确定分布式储能装置的输出总功率,所述运行状态包括分布式储能装置的荷电状态和功率。
功率输出单元305,其用于以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,并按照发电装置和储能装置的功率聚合值对目标电力系统进行功率输出。
优选地,所述第一计算单元302根据所述系统的拓扑结构和线路阻抗参数确定所述电力系统参考节点的B0矩阵是指当接入目标电力系统的全部发电装置节点为n+1个时,设参考节点为n+1个,则所述B0矩阵为不包括参考节点的n*n阶矩阵,其元素分别为:
式中,xij为第i个节点与第j个节点之间的支路的导纳,B0(i,i)为自导纳,B0(i,j)为互导纳,1≤i≤n,1≤j≤n+1。
优选地,所述第一计算单元302基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子包括:
基于所述电力系统参考节点的B0矩阵确定B0矩阵的逆矩阵X;
根据所述B0矩阵的逆矩阵X确定接入目标电力系统的全部发电装置节点中,除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子,其计算公式为:
式中,是节点i对电力系统第k条支路的功率转移分布因子;
X是B0矩阵的逆矩阵;
xk是第k条支路的阻抗;
Mk是第k条支路的节点-支路关联矢量,矢量为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素M(i,1)的值根据所述第k条支路潮流方向取值,当第k条支路的潮流方向为到达节点i时,M(i,1)为-1,当第k条支路的潮流方向为从节点i出发时,M(i,1)为1,当第k条支路的潮流不经过节点i时,M(i,1)为0,矩阵中除元素M(i,1)外的其他元素的值为0;
ei为n*1阶矩阵,矩阵的行数等于电力系统除参考节点以外的全部接入节点的数目,矩阵中元素e(i,1)的值为1,其他元素的值为0。
优选地,所述第二计算单元303实时分析目标电力系统功率需求,计算所述系统总潮流聚合目标并计算系统各支路潮流调控目标量是指根据目标电力系统负荷增加量、系统频率、功率角的变化确定系统总潮流聚合目标和各支路潮流调控目标量。
优选地,所述功率输出单元305以系统安全、保证系统电能质量为约束条件,按照分布式储能装置优先出力的原则,根据所述系统各支路潮流调控目标量和所述除参考节点以外的节点相对于系统全部支路的功率转移分布因子确定接入目标电力系统的发电装置和储能装置的功率聚合值,其计算公式为:
式中,Pt为t时刻目标电力系统总潮流聚合目标,为节点i,即第i个发电装置对系统第k条支路的功率转移分布因子,ΔPi k为第i个发电装置对系统第k条支路的功率输出值,其中,目标电力系统每条支路的总聚合值满足该支路潮流调控目标量。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而,本领域技术人员所公知的,正如附带的专利权利要求所限定的,除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地,在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释,除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例,除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行,除非明确地说明。