CN110535177B - 一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，将电网对风电场并网功率1min和10min波动要求，等效为相应时间内以波动限值为限的斜坡信号，得到满足并网要求的初步并网功率带宽，据此带宽用小波包分解对风电场输出功率分解得到初步并网功率，进而根据初步并网功率和风电场输出功率得到优化空间范围，用粒子群算法根据目标函数进行寻优，得到最终并网功率，并配置储能设备。本发明提出的方法能够很好地解决风电场储能设备过配问题。

Description

一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法

技术领域

本发明属于新能源发电储能容量配置领域，特别涉及一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法。

背景技术

近年来，环境问题日益严峻，为实现巴黎气候协议，将全球温升限制在2摄氏度以内，全球能源系统去碳化速度加快，以风电为代表的新能源发展迅速。然而，风电天然具有波动性和不确定性，大规模风电并网会对电网安全稳定运行带来挑战，储能系统作为平抑风电波动的有效方式之一，能够改善负荷响应能力，削峰填谷，提高电力系统稳定性。

电力系统接纳波动能源的容量有限，对并网风电场输出有功功率1min和10min波动提出了限制。通过配置储能设备使风电场输出的有功功率波动满足并网要求，常用的方法有低通滤波器、傅里叶变换、小波包分解等，在频域对风电场输出功率的频带进行分解，通过试探得到满足并网要求的频带分界点，从低频到分界点处的频率范围为并网功率的带宽，从分界点开始的高频部分由储能设备补偿。

满足1min波动和10min波动限制的频带宽度不同，常规的储能容量配置方法存在不同程度的过配，最优的并网功率存在于上述方法得到的并网功率和风电场输出原始功率之间，应通过寻优得到优化的并网功率，进而据此配置储能设备的容量。

发明内容

本发明的目的是提出一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，以解决常规储能容量配置方法中存在的过配问题。储能容量优化配置方法包括用小波包分解确定初步并网功率和用智能优化算法(粒子群)优化并网功率两部分，其特征在于容量优化配置方法具体包括：

步骤1、将风电场输出功率波动1min和10min的要求，等效为过渡时间为1min或10min，过渡幅值为波动限值的斜坡信号，取两者等效过渡时间的大者，即10min，得到初步并网功率的带宽；

步骤2、由初步并网功率的带宽和风电场输出功率的采样频率得到对风电场输出功率P_wind(t)进行小波包分解的层数N，N层的第一个节点S(N，0)的时域信号作为初步并网功率P_pre(t)；

步骤3、判断初步并网功率的1min和10min波动是否满足并网要求，若满足则进行步骤4，若不满足，对小波包分解层数N进行微调；

步骤4、以得到的初步并网功率和风电场输出功率在不同时刻的小者作为寻优空间下限、大者作为寻优空间上限以及确定目标寻优函数，并用粒子群算法进行寻优，得到最终的并网功率；

步骤5、将风电场输出功率和并网功率的差值作为需要储能设备平抑补偿的功率，根据不同储能设备的带宽配置相应的容量。

进一步，步骤1中所得到的初步并网功率的带宽为：

式中f₀为初步并网功率带宽，T_r为等效斜坡信号的过渡时间。

进一步，步骤2中小波包分解的层数N的计算方法为：

式中f_s为风电场原始输出功率的采样频率，N为小波包分解的层数，<n>为向大值方向取整数。

进一步，步骤3中判断初步并网功率的1min和10min波动是否满足并网要求的判断式为：

max{P_pre(t-i*Δt)}-min{P_pre(t-i*Δt)}<P_1min i＝1,2,3,…,1min/Δt

max{P_pre(t-i*Δt)}-min{P_pre(t-i*Δt)}<P_10min i＝1,2,3,…,10min/Δt

式中P_1min为1min波动限值，P_10min为10min波动限值，Δt为风电场输出功率的采样周期。

进一步，对所述小波包分解层数N进行微调的方法为在由所述步骤2计算得出的层数上加一。

进一步，步骤4中由初步并网功率和风电场输出功率确定寻优空间上下限的方法为：

式中V_l为寻优空间的下限，V_h为寻优空间的上限，N_s为风电场输出功率的最大时间刻度，寻优目标函数为

min{|max(ΔP_1min(t))-P_1min|+|max(ΔP_10min(t))-P_10min|}

式中ΔP_1min为1min波动，ΔP_10min为10min波动，确定寻优空间和目标函数之后用粒子群算法寻优，得到最终并网功率P₀(t)。

进一步，步骤5中需要储能设备平抑补偿的功率为：

ΔP(t)＝P₀(t)-P_wind(t)

ΔP为储能设备平抑补偿的功率。

更进一步，若为混合储能系统，则需对ΔP进行再次分割，得到各自承担的功率部分。

进一步，在考虑储能设备的充放电效率时，储能设备实际承担的功率为：

P_ess(t)为储能设备考虑充放电系数之后的功率，η_d为储能设备放电系数，η_c为储能设备充电系数，则储能设备的额定功率为：

P_{ess_rated}＝max{|P_ess(t)|}

储能设备的额定容量为：

式中E为储能设备不同时刻电力的累加值，E_rated为储能设备的额定容量，C_up为储能设备荷电状态的上限，C_low为储能设备荷电状态的下限。

附图说明

图1为本发明的一种电网友好型风电场储能容量优化配置流程图；

图2为本发明实施例的风电场输出功率和初步并网功率；

图3为本发明实施例的初步并网功率波动情况；

图4为本发明实施例的粒子群算法优化空间及优化结果。

具体实施方式

本发明提出一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，如图1所示，包括用小波包分解确定初步并网功率和用粒子群算法优化并网功率两部分，其具体实施步骤为：

1)将风电场输出功率波动1min和10min要求，等效为过渡时间为1min或10min，过渡幅值为波动限值的斜坡信号，取两者等效过渡时间的大者，即10min，可得到初步并网功率带宽：

式中f₀为初步并网功率带宽，T_r为等效斜坡信号的过渡时间。

2)由初步并网功率带宽和风电场输出功率的采样频率得到小波包分解的层数：

式中f_s为风电场原始输出功率的采样频率，N为小波包分解的层数，<n>为向大值方向取整数，用小波包分解对风电场输出功率P_wind(t)进行N层分解，N层的第一个节点S(N，0)作为初步并网功率P_pre(t)。

3)判断初步并网功率的1min和10min波动是否满足并网要求，判断式为：

max{P_pre(t-i*Δt)}-min{P_pre(t-i*Δt)}<P_1min i＝1,2,3,…,1min/Δt

max{P_pre(t-i*Δt)}-min{P_pre(t-i*Δt)}<P_10min i＝1,2,3,…,10min/Δt

式中t为当前时刻，P_1min为1min波动限值，P_10min为10min波动限值，Δt为风电场输出功率的采样周期，若满足则进行下一步，若不满足，对小波包分解层数进行微调，微调的方法为在上个步骤计算得出的层数基础上加一，即简单表示为：

N＝N+1

4)根据初步并网功率和风电场输出功率确定优化空间的上下限，确定方法为：

式中V_l为寻优空间的下限，V_h为寻优空间的上限，N_s为风电场输出功率的最大时间刻度，寻优目标函数为

min{|max(ΔP_1min(t))-P_1min|+|max(ΔP_10min(t))-P_10min|}

式中ΔP_1min为1min波动，ΔP_10min为10min波动，确定寻优空间和目标函数之后用粒子群算法寻优，得到最终并网功率P₀。

5)风电场输出功率和并网功率的差值即为需要储能设备平抑补偿的功率，

ΔP(t)＝P₀(t)-P_wind(t)

ΔP为储能设备平抑补偿的功率。若为混合储能系统，则对ΔP进行再次分割，得到各自承担的功率部分，在考虑储能设备的充放电效率时，储能设备实际承担的功率为：

P_ess(t)为储能设备考虑充放电系数之后的功率，η_d为储能设备放电系数，η_c为储能设备充电系数，则储能设备的额定功率为：

P_{ess_rated}＝max{|P_ess(t)|}

储能设备的额定容量为：

式中E为储能设备不同时刻电力的累加值，E_rated为储能设备的额定容量，C_up为储能设备荷电状态的上限，C_low为储能设备荷电状态的下限。

以某50MW风电场为例，风电场原始输出功率见图2实线，采样周期为20s，10min波动要求对应的等效斜坡信号过渡时间长，以10min计算初步并网功率的信号带宽：

根据采样周期和初步并网功率按照下式计算小波包分解的层数：

取整之后N＝6，对风电场原始输出功率进行6层小波包分解，得到初步并网功率见图2中虚线所示，按照下式

max{P_pre(t-i*20)}-min{P_pre(t-i*20}<P_1min i＝1,2,3

max{P_pre(t-i*20)}-min{P_pre(t-i*20}<P_10min i＝1,2,3,…,30

判断初步并网是否满足波动要求，其波动情况见图3，显然满足1min和10min并网要求的50/10和50/3，但是储能设备容量存在明显的过配。

按照下式

确定寻优空间的上下限，见图4中虚线所示，用粒子群算法根据目标函数进行寻优，优化结果见图4中实线所示。

依据粒子群算法寻优得到的并网功率配置混合储能系统，粒子群寻优和小波包分解的储能系统配置对比情况见下表：

项目	粒子群寻优后的并网功率	6层小波包分解S(6,0)
			超级电容额定功率(MW)	9.2833	9.3644
超级电容额定容量(MWh)	0.5444	0.7147
			蓄电池额定功率(MW)	10.1158	20.1219
蓄电池额定容量(MWh)	2.2293	3.8675

由上表可看出，用小波包分解得到初步并网功率，然后用粒子群算法进行寻优得到最终的并网功率，并根据寻优得到的并网功率配置储能设的额定功率和额定容量优于仅用小波包分解的结果。

以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，具体包括：

步骤1、将风电场输出功率波动1min和10min的要求，等效为过渡时间为1min和10min，过渡幅值为波动限值的斜坡信号，取两者等效过渡时间的大者，即10min，得到初步并网功率的带宽；

步骤2、由初步并网功率的带宽和风电场输出功率的采样频率得到对风电场输出功率P_wind(t)进行小波包分解的层数N，N层的第一个节点S(N，0)的时域信号作为初步并网功率P_pre(t)，t为当前时刻；

步骤3、判断初步并网功率的1min和10min波动是否满足并网要求，若满足则进行步骤4，若不满足，对小波包分解层数N进行微调；

步骤4、以得到的初步并网功率和风电场输出功率在不同时刻的小者作为寻优空间下限、大者作为寻优空间上限以及确定寻优目标函数，并用粒子群算法进行寻优，得到最终的并网功率；

步骤5、将风电场输出功率和并网功率的差值作为需要储能设备平抑补偿的功率，根据不同储能设备的带宽配置相应的容量。

2.根据权利要求1所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤1中所得到的初步并网功率的带宽为：

式中f₀为初步并网功率带宽，T_r为等效斜坡信号的过渡时间。

3.根据权利要求2所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤2中小波包分解的层数N的计算方法为：

式中f_s为风电场输出功率的采样频率，N为小波包分解的层数，<n>为向大值方向取整数。

4.根据权利要求3所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤3中判断初步并网功率的1min和10min波动是否满足并网要求的判断式为：

max{P_pre(t-i*Δt)}-min{P_pre(t-i*Δt)}<P_1min i＝1,2,3,…,1min/Δt

max{P_pre(t-i*Δt)}-min{P_pre(t-i*Δt)}<P_10min i＝1,2,3,…,10min/Δt

式中，t为当前时刻，P_1min为1min波动限值，P_10min为10min波动限值，Δt为风电场输出功率的采样周期。

5.根据权利要求1或4所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，对所述小波包分解层数N进行微调的方法为在由所述步骤2计算得出的层数上加一。

6.根据权利要求4所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，由初步并网功率和风电场输出功率确定寻优空间上下限的方法为：

式中V_l(t)为寻优空间的下限，V_h(t)为寻优空间的上限，Ns为风电场输出功率的最大时间刻度，寻优目标函数为

min{|max(ΔP_1min(t))-P_1min|+|max(ΔP_10min(t))-P_10min|}

式中ΔP_1min(t)为1min波动，ΔP_10min(t)为10min波动，确定寻优空间和寻优目标函数之后用粒子群算法寻优，得到最终并网功率P₀(t)。

7.根据权利要求6所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，所述步骤5中需要储能设备平抑补偿的功率为：

ΔP(t)＝P₀(t)-P_wind(t)

ΔP(t)为储能设备平抑补偿的功率。

8.根据权利要求7所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，若为混合储能系统，则需对ΔP(t)进行再次分割，得到各自承担的功率部分。

9.根据权利要求8所述的一种电网友好型风电场储能容量优化配置方法，其特征在于，在考虑储能设备的充放电效率时，储能设备实际承担的功率为：

P_ess(t)为储能设备考虑充放电系数之后的功率，η_d为储能设备放电系数，η_c为储能设备充电系数，则储能设备的额定功率为：

P_{ess_rated}＝max{|P_ess(t)|}

储能设备的额定容量为：

式中E为储能设备不同时刻电力的累加值，E_rated为储能设备的额定容量，C_up为储能设备荷电状态的上限，C_low为储能设备荷电状态的下限。

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