CN111146792B - 混合储能系统的功率及容量配置方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混合储能系统的功率及容量配置方法及装置，其中方法包括：确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；在低通滤波时间常数限值范围内，选择满足光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数，确定对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率，结合蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，确定蓄电池及超级电容器的额定功率，并结合混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池及超级电容器的额定容量。本发明可以实现对混合储能系统的功率及容量的优化配置，提高工程易用性及电池经济性。

Description

混合储能系统的功率及容量配置方法及装置

技术领域

本发明涉及新能源发电技术领域，尤其涉及混合储能系统的功率及容量配置方法及装置。

背景技术

目前用于平抑新能源发电波动的混合储能系统容量配置方法的思路主要为建立以储能设备容量最小或成本最小为目标函数的量化模型，基于一定的约束条件，配置模型，并通过适当的数学算法对模型进行寻优求解以获得最优的混合储能容量。但目前并没有标准统一的目标函数和求解算法，难以在工程中应用。

目前还有一些技术采用滤波器进行混合储能的功率分配，由功率型储能补偿高频分量，能量型储能补偿低频分量，进而得到混合储能系统充放电功率指令，但未给出滤波时间常数的确定方法和容量优化配置方法。或者采用雨流计算法计算电池放电深度，根据等效循环寿命曲线建立电池的寿命量化模型；建立以储能系统年均最小成本为目标函数，综合考虑了光伏并网功率波动、电池的寿命成本等约束条件，建立了混合储能系统的容量配置模型，该技术说明混合储能系统替代单类型电池储能系统可以大幅度降低运行成本，但控制中未涉及混合储能系统的实际运行情况及充放电功率平衡。此外还有以储能的初建成本最小为目标，使用模糊控制策略修正储能的功率参考值，选取锂电池和超级电容器的功率和容量，但该方法要求锂电池SOC(State of Charge，荷电状态)变化范围很小，优化出的锂电池容量较大，延长了寿命，但经济性降低。

发明内容

本发明实施例提供一种混合储能系统的功率及容量配置方法，用以实现对混合储能系统的功率及容量的优化配置，提高工程易用性及电池经济性，该方法包括：

确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；

对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；

通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数；

确定选择的两阶滤波时间常数对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率；

根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整；

根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率；

根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量；根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量；

所述根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整，包括：

对每个超级电容器充放电周期内的超级电容器参考输出功率进行平移，使每个超级电容器充放电周期内的超级电容器平移后的参考输出功率之和为零；

对相应超级电容器充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行反向等量平移，使混合储能系统的总输出功率不变；

对每个蓄电池充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行再次平移，使每个蓄电池充放电周期内的蓄电池平移后的参考输出功率之和为零。

一个实施例中，所述确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度，包括按如下公式确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度：

P％＝t₁/t_total；

其中，P％为混合储能系统的光伏出力波动率置信度；t₁为光伏发电数据样本中满足光伏出力波动率限值要求的采样点数，t_total为光伏发电数据样本周期的采样点数。

一个实施例中，所述对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值，包括：

按如下公式对混合储能系统的输出功率样本数据进行离散傅里叶变换：

k＝0,1,...,N-1；

其中，P(n)为混合储能系统的输出功率样本数据；P(k)为离散傅里叶变换后的混合储能系统的输出功率样本数据；N为混合储能系统的输出功率样本数据的采样点数；

根据P(k)的幅频特性，确定混合储能系统的输出功率波动频率范围[ω_L,ω_H]，其中ω_L为混合储能系统的输出功率波动频率范围的下限值，ω_H为混合储能系统的输出功率波动频率范围的上限值；

根据[ω_L,ω_H]确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值[T_L,T_H]，其中T_L为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数下限值，T_H为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数上限值。

一个实施例中，通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数，包括：

在所述低通滤波时间常数限值范围内不断选择不同的两阶滤波时间常数，分别按如下公式对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波：

其中，P_V为混合储能系统的输出功率；P_line为混合储能系统的并网联络线功率；P_E为混合储能系统的储能补偿功率；P_{bat_ref}为混合储能系统中蓄电池的参考输出功率；P_{SC_ref}为混合储能系统中超级电容器的参考输出功率；T₁为一阶滤波时间常数；T₂为二阶滤波时间常数；S表示频域；

并按如下公式计算混合储能系统的光伏出力波动率：

其中，F_t为混合储能系统的光伏出力波动率；P_n为混合储能系统的光伏额定功率；ΔP_t为t时间段内混合储能系统的最大输出功率变化量；P_tmax为t时间段内混合储能系统的最大输出功率；P_tmin为t时间段内混合储能系统的最小输出功率；

直至计算所得混合储能系统的光伏出力波动率满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求，输出相应的满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。

一个实施例中，所述根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，包括：将调整后的蓄电池参考输出功率的最大值确定为蓄电池的额定功率；

所述根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率，包括：将调整后的超级电容器参考输出功率的最大值确定为超级电容器的额定功率。

一个实施例中，所述根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量，包括：

按如下公式计算蓄电池的充放电电量：

n＝1,2...N₁；

其中，E[n]为蓄电池的充放电电量；P_bat'[i]为调整后的蓄电池参考输出功率；T_s为调整后的蓄电池参考输出功率的采样周期；N₁＝T_bat/T_S，T_bat为蓄电池的充放电周期；

按如下公式计算蓄电池的额定容量：

其中，E_N为蓄电池的额定容量；SOC_up为混合储能系统的荷电状态最大限值；SOC_low为混合储能系统的荷电状态最小限值；

所述根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量，包括：

按如下公式计算超级电容器的充放电电量：

n＝1,2...N₂；

其中，E[n]'为超级电容器的充放电电量；P_SC'[i]为调整后的超级电容器参考输出功率；T_s'为调整后的超级电容器参考输出功率的采样周期；N₂＝T_SC/T_S'，T_SC为超级电容器的充放电周期；

按如下公式计算超级电容器的额定容量：

其中，E_N'为超级电容器的额定容量。

本发明实施例还提供一种混合储能系统的功率及容量配置装置，用以实现对混合储能系统的功率及容量的优化配置，提高工程易用性及电池经济性，该装置包括：

波动率限值及置信度确定模块，用于确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；

频谱分析模块，用于对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；

滤波时间常数选择模块，用于通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数；

参考输出功率确定模块，用于确定选择的两阶滤波时间常数对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率；

参考输出功率调整模块，用于根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整；

额定功率确定模块，用于根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率；

额定容量确定模块，用于根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量；根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量；

所述参考输出功率调整模块具体用于：

对每个超级电容器充放电周期内的超级电容器参考输出功率进行平移，使每个超级电容器充放电周期内的超级电容器平移后的参考输出功率之和为零；

对相应超级电容器充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行反向等量平移，使混合储能系统的总输出功率不变；

对每个蓄电池充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行再次平移，使每个蓄电池充放电周期内的蓄电池平移后的参考输出功率之和为零。

一个实施例中，所述波动率限值及置信度确定模块具体用于按如下公式确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度：

P％＝t₁/t_total；

其中，P％为混合储能系统的光伏出力波动率置信度；t₁为光伏发电数据样本中满足光伏出力波动率限值要求的采样点数，t_total为光伏发电数据样本周期的采样点数。

一个实施例中，所述频谱分析模块具体用于：

按如下公式对混合储能系统的输出功率样本数据进行离散傅里叶变换：

k＝0,1,...,N-1；

其中，P(n)为混合储能系统的输出功率样本数据；P(k)为离散傅里叶变换后的混合储能系统的输出功率样本数据；N为混合储能系统的输出功率样本数据的采样点数；

根据P(k)的幅频特性，确定混合储能系统的输出功率波动频率范围[ω_L,ω_H]，其中ω_L为混合储能系统的输出功率波动频率范围的下限值，ω_H为混合储能系统的输出功率波动频率范围的上限值；

根据[ω_L,ω_H]确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值[T_L,T_H]，其中T_L为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数下限值，T_H为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数上限值。

一个实施例中，所述滤波时间常数选择模块具体用于：

在所述低通滤波时间常数限值范围内不断选择不同的两阶滤波时间常数，分别按如下公式对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波：

其中，P_V为混合储能系统的输出功率；P_line为混合储能系统的并网联络线功率；P_E为混合储能系统的储能补偿功率；P_{bat_ref}为混合储能系统中蓄电池的参考输出功率；P_{SC_ref}为混合储能系统中超级电容器的参考输出功率；T₁为一阶滤波时间常数；T₂为二阶滤波时间常数；S表示频域；

并按如下公式计算混合储能系统的光伏出力波动率：

其中，F_t为混合储能系统的光伏出力波动率；P_n为混合储能系统的光伏额定功率；ΔP_t为t时间段内混合储能系统的最大输出功率变化量；P_tmax为t时间段内混合储能系统的最大输出功率；P_tmin为t时间段内混合储能系统的最小输出功率；

直至计算所得混合储能系统的光伏出力波动率满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求，输出相应的满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。

一个实施例中，所述额定功率确定模块具体用于：将调整后的蓄电池参考输出功率的最大值确定为蓄电池的额定功率；将调整后的超级电容器参考输出功率的最大值确定为超级电容器的额定功率。

一个实施例中，所述额定容量确定模块具体用于：

按如下公式计算蓄电池的充放电电量：

其中，E[n]为蓄电池的充放电电量；P_bat'[i]为调整后的蓄电池参考输出功率；T_s为调整后的蓄电池参考输出功率的采样周期；N₁＝T_bat/T_S，T_bat为蓄电池的充放电周期；

按如下公式计算蓄电池的额定容量：

其中，E_N为蓄电池的额定容量；SOC_up为混合储能系统的荷电状态最大限值；SOC_low为混合储能系统的荷电状态最小限值；

按如下公式计算超级电容器的充放电电量：

其中，E[n]'为超级电容器的充放电电量；P_SC'[i]为调整后的超级电容器参考输出功率；T_s'为调整后的超级电容器参考输出功率的采样周期；N₂＝T_SC/T_S'，T_SC为超级电容器的充放电周期；

按如下公式计算超级电容器的额定容量：

其中，E_N'为超级电容器的额定容量。

本发明实施例在对混合储能系统的功率及容量进行配置的过程中，将频谱分析和低通滤波结合，根据混合储能系统输出功率的频谱分析结果和光伏出力波动率限值及置信度要求，确定最佳的两阶滤波时间常数，进而得到蓄电池及超级电容的参考输出功率；再结合蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，得到蓄电池及超级电容器的额定功率；又结合混合储能系统的荷电状态，得到蓄电池及超级电容器的额定容量；以此提供了标准统一的混合储能系统的功率及容量配置算法，便于在工程实践中推广应用；其中确定出两阶滤波时间常数，对蓄电池及超级电容器的额定功率额定容量进行了优化配置，并且在配置过程中，综合考虑了混合储能系统的荷电状态、蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束；此外配置过程对于蓄电池SOC变化范围没有特殊要求，优化出的蓄电池经济性也有所提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中混合储能系统的功率及容量配置方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中二阶低通滤波的原理示意图；

图3为本发明实施例中混合储能系统的功率及容量配置装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

为了实现对混合储能系统的功率及容量的优化配置，提高工程易用性及电池经济性，本发明实施例提供一种混合储能系统的功率及容量配置方法，如图1所示，该方法可以包括：

步骤101、确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；

步骤102、对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；步骤101和步骤102先后顺序不限，二者先后顺序改变不影响具体实施；

步骤103、通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数；

步骤104、确定选择的两阶滤波时间常数对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率；

步骤105、根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整；

步骤106、根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率；

步骤107、根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量；根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量。步骤106和步骤107先后顺序不限，二者先后顺序改变不影响具体实施。

具体实施时，先确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度。目前我们国家对并网光伏电站的波动率要求为“光伏发电站有功功率变化速率应不超过10％装机容量/min”，对混合储能系统还没有出台相应的规定，因此在确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度时，可以根据当地配电网的运行特性及负荷特性进行选择。实施例中可以先选取光伏发电数据样本，用于对混合储能系统的光伏出力特性进行分析。由于混合储能系统中超级电容器的充放电周期较短，一般在10s～30s之间，根据采样定理，光伏发电数据的采样周期可以为5s～15s。对光伏发电数据样本进行选取时，可以根据不同季节、不同天气选取典型的光伏出力曲线，混合储能系统用于平滑分布式光伏出力波动时，光伏发电数据样本周期可以选择1天。

选取光伏发电数据样本后，可以按如下公式确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度：

P％＝t₁/t_total； (1)

其中，P％为混合储能系统的光伏出力波动率置信度，即加入混合储能系统后满足波动率要求的时间占总时间的比值；t₁为光伏发电数据样本中满足光伏出力波动率限值要求的采样点数，t_total为光伏发电数据样本周期的采样点数。

具体实施时，对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值，可以包括：

按如下公式对混合储能系统的输出功率样本数据进行离散傅里叶变换：

其中，P(n)为混合储能系统的输出功率样本数据；P(k)为离散傅里叶变换后的混合储能系统的输出功率样本数据；此处N为混合储能系统的输出功率样本数据的采样点数；

根据P(k)的幅频特性，确定混合储能系统的输出功率波动频率范围[ω_L,ω_H]，其中ω_L为混合储能系统的输出功率波动频率范围的下限值，ω_H为混合储能系统的输出功率波动频率范围的上限值；

根据[ω_L,ω_H]确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值[T_L,T_H]，其中T_L为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数下限值，T_H为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数上限值。

具体实施时，在确定出混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度、和混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值之后，通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。图2为本发明实施例中二阶低通滤波的原理示意图，如图2所示，实施例中，可以在低通滤波时间常数限值范围内不断选择不同的两阶滤波时间常数，分别按如下公式对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波：

其中，P_V为混合储能系统的输出功率；P_line为混合储能系统的并网联络线功率；P_E为混合储能系统的储能补偿功率；P_{bat_ref}为混合储能系统中蓄电池的参考输出功率；P_{SC_ref}为混合储能系统中超级电容器的参考输出功率；T₁为一阶滤波时间常数；T₂为二阶滤波时间常数；S表示频域；

并按如下公式计算混合储能系统的光伏出力波动率：

其中，F_t为混合储能系统的光伏出力波动率；P_n为混合储能系统的光伏额定功率；ΔP_t为t时间段内混合储能系统的最大输出功率变化量；P_tmax为t时间段内混合储能系统的最大输出功率；P_tmin为t时间段内混合储能系统的最小输出功率；

直至计算所得混合储能系统的光伏出力波动率满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求，输出相应的满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。

例如，可以采用试频法，在[T_L,T_H]范围内从小到大不断选择不同的两阶滤波时间常数对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，并计算混合储能系统的光伏出力波动率，直至计算所混合储能系统的光伏出力波动率满足光伏出力波动率限值及置信度要求，则此时选择的两阶滤波时间常数即为满足光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。其中当混合储能系统采用锂电池和超级电容器时，二阶滤波时间常数一般选择10s～30s。

在选择出两阶滤波时间常数后可以确定混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率。显然在选择两阶滤波时间常数时，就已经按二阶低通滤波算法计算出了蓄电池及超级电容的参考输出功率，此时可以直接输出选择的两阶滤波时间常数对应的蓄电池及超级电容的参考输出功率。

后续再根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整。二阶低通滤波得到的蓄电池及超级电容的参考输出功率，需要考虑混合储能系统充放电过程中的能量损耗及保证混合储能系统能够连续稳定运行。当蓄电池采用锂电池时，锂电池的容量计算时间尺度通常选择1天。超级电容器的储能时长短，容量计算时间尺度通常选择1min～5min。

实施例中，根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整，可以包括：

首先，对每个超级电容器充放电周期内的超级电容器参考输出功率进行平移，使每个超级电容器充放电周期内的超级电容器平移后的参考输出功率之和为零；

之后，对相应超级电容器充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行反向等量平移，使混合储能系统的总输出功率不变；

最后，对每个蓄电池充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行再次平移，使每个蓄电池充放电周期内的蓄电池平移后的参考输出功率之和为零，从而保证了混合储能系统中蓄电池及超级电容器在各自容量计算时间尺度范围内的能量平衡。

实施例中对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整可以按如下公式进行：

P_SC'[n]＝P_SC[n]-ΔP_SC,n＝1,2,...N,N＝T_SC/T_S； (9)

P_batx[n]＝P_{bat_ref}[n]+ΔP_SC，n＝1,2,...N,N＝T_bat/T_S； (10)

P_bat'[n]＝P_batx[n]-ΔP_bat，n＝1,2,...N,N＝T_bat/T_S； (12)

P_line'[n]＝P_line[n]-ΔP_bat，n＝1,2,...N,N＝T_bat/T_S； (13)

其中，ΔP_SC为超级电容器的参考输出功率平移量；ΔP_bat为蓄电池的参考输出功率平移量；P_SC'[n]为平移后的超级电容器的参考输出功率；P_bat'[n]为平移后的蓄电池的参考输出功率；P_line'[n]为平移后的联络线参考输出功率；T_s为采样周期；T_SC为超级电容器的充放电周期；T_bat为蓄电池的充放电周期。可以看出平移后的联络线波动率是不变的。

实施例中，根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，可以包括：将调整后的蓄电池参考输出功率的最大值确定为蓄电池的额定功率；根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率，可以包括：将调整后的超级电容器参考输出功率的最大值确定为超级电容器的额定功率。在整个充放电周期内，混合储能系统各元件调整后的参考输出功率最大值即为混合储能各元件应具备的最大充放电功率，即额定功率：

P_N＝max{|P'[n]|}； (14)

其中P_N为蓄电池或超级电容器的额定功率，P'[n]为蓄电池或超级电容器平移后的参考输出功率。

实施例中，根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量，可以包括：

按如下公式计算蓄电池的充放电电量：

其中，E[n]为蓄电池的充放电电量；P_bat'[i]为调整后的蓄电池参考输出功率；T_s为调整后的蓄电池参考输出功率的采样周期；N₁＝T_bat/T_S，T_bat为蓄电池的充放电周期；

按如下公式计算蓄电池的额定容量：

其中，E_N为蓄电池的额定容量；SOC_up为混合储能系统的荷电状态最大限值；SOC_low为混合储能系统的荷电状态最小限值；

根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量，可以包括：

按如下公式计算超级电容器的充放电电量：

其中，E[n]'为超级电容器的充放电电量；P_SC'[i]为调整后的超级电容器参考输出功率；T_s'为调整后的超级电容器参考输出功率的采样周期；N₂＝T_SC/T_S'，T_SC为超级电容器的充放电周期；

按如下公式计算超级电容器的额定容量：

其中，E_N'为超级电容器的额定容量。

以蓄电池为例，混合储能系统的荷电状态为：

取满足条件的最小即公式(20)两式取等，则可解得公式(16)。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种混合储能系统的功率及容量配置装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与混合储能系统的功率及容量配置方法相似，因此该装置的实施可以参见混合储能系统的功率及容量配置方法的实施，重复之处不再赘述。

图3为本发明实施例中混合储能系统的功率及容量配置装置的结构示意图，如图3所示，该装置可以包括：

波动率限值及置信度确定模块301，用于确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；

频谱分析模块302，用于对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；

滤波时间常数选择模块303，用于通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数；

参考输出功率确定模块304，用于确定选择的两阶滤波时间常数对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率；

参考输出功率调整模块305，用于根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整；

额定功率确定模块306，用于根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率；

额定容量确定模块307，用于根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量；根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量。

具体实施时，所述波动率限值及置信度确定模块301具体可以用于按如下公式确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度：

P％＝t₁/t_total；

其中，P％为混合储能系统的光伏出力波动率置信度；t₁为光伏发电数据样本中满足光伏出力波动率限值要求的采样点数，t_total为光伏发电数据样本周期的采样点数。

具体实施时，所述频谱分析模块302具体可以用于：

按如下公式对混合储能系统的输出功率样本数据进行离散傅里叶变换：

k＝0,1,...,N-1；

其中，P(n)为混合储能系统的输出功率样本数据；P(k)为离散傅里叶变换后的混合储能系统的输出功率样本数据；N为混合储能系统的输出功率样本数据的采样点数；

根据P(k)的幅频特性，确定混合储能系统的输出功率波动频率范围[ω_L,ω_H]，其中ω_L为混合储能系统的输出功率波动频率范围的下限值，ω_H为混合储能系统的输出功率波动频率范围的上限值；

根据[ω_L,ω_H]确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值[T_L,T_H]，其中T_L为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数下限值，T_H为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数上限值。

具体实施时，所述滤波时间常数选择模块303具体可以用于：

在所述低通滤波时间常数限值范围内不断选择不同的两阶滤波时间常数，分别按如下公式对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波：

其中，P_V为混合储能系统的输出功率；P_line为混合储能系统的并网联络线功率；P_E为混合储能系统的储能补偿功率；P_{bat_ref}为混合储能系统中蓄电池的参考输出功率；P_{SC_ref}为混合储能系统中超级电容器的参考输出功率；T₁为一阶滤波时间常数；T₂为二阶滤波时间常数；S表示频域；

并按如下公式计算混合储能系统的光伏出力波动率：

其中，F_t为混合储能系统的光伏出力波动率；P_n为混合储能系统的光伏额定功率；ΔP_t为t时间段内混合储能系统的最大输出功率变化量；P_tmax为t时间段内混合储能系统的最大输出功率；P_tmin为t时间段内混合储能系统的最小输出功率；

直至计算所得混合储能系统的光伏出力波动率满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求，输出相应的满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。

具体实施时，所述参考输出功率调整模块305具体可以用于：

对每个超级电容器充放电周期内的超级电容器参考输出功率进行平移，使每个超级电容器充放电周期内的超级电容器平移后的参考输出功率之和为零；

对相应超级电容器充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行反向等量平移，使混合储能系统的总输出功率不变；

对每个蓄电池充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行再次平移，使每个蓄电池充放电周期内的蓄电池平移后的参考输出功率之和为零。

具体实施时，所述额定功率确定模块306具体可以用于：将调整后的蓄电池参考输出功率的最大值确定为蓄电池的额定功率；将调整后的超级电容器参考输出功率的最大值确定为超级电容器的额定功率。

具体实施时，所述额定容量确定模块307具体可以用于：

按如下公式计算蓄电池的充放电电量：

n＝1,2...N₁；

其中，E[n]为蓄电池的充放电电量；P_bat'[i]为调整后的蓄电池参考输出功率；T_s为调整后的蓄电池参考输出功率的采样周期；N₁＝T_bat/T_S，T_bat为蓄电池的充放电周期；

按如下公式计算蓄电池的额定容量：

其中，E_N为蓄电池的额定容量；SOC_up为混合储能系统的荷电状态最大限值；SOC_low为混合储能系统的荷电状态最小限值；

按如下公式计算超级电容器的充放电电量：

n＝1,2...N₂；

其中，E[n]'为超级电容器的充放电电量；P_SC'[i]为调整后的超级电容器参考输出功率；T_s'为调整后的超级电容器参考输出功率的采样周期；N₂＝T_SC/T_S'，T_SC为超级电容器的充放电周期；

按如下公式计算超级电容器的额定容量：

其中，E_N'为超级电容器的额定容量。

综上所述，本发明实施例在对混合储能系统的功率及容量进行配置的过程中，将频谱分析和低通滤波结合，根据混合储能系统输出功率的频谱分析结果和光伏出力波动率限值及置信度要求，确定最佳的两阶滤波时间常数，进而得到蓄电池及超级电容的参考输出功率；再结合蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，得到蓄电池及超级电容器的额定功率；又结合混合储能系统的荷电状态，得到蓄电池及超级电容器的额定容量；以此提供了标准统一的混合储能系统的功率及容量配置算法，便于在工程实践中推广应用；其中确定出两阶滤波时间常数，对蓄电池及超级电容器的额定功率额定容量进行了优化配置，并且在配置过程中，综合考虑了混合储能系统的荷电状态、蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束；此外配置过程对于蓄电池SOC变化范围没有特殊要求，优化出的蓄电池经济性也有所提高。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种混合储能系统的功率及容量配置方法，其特征在于，包括：

确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；

对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；

通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数；

确定选择的两阶滤波时间常数对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率；

根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整；

根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率；

根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量；根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量；

所述根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整，包括：

对每个超级电容器充放电周期内的超级电容器参考输出功率进行平移，使每个超级电容器充放电周期内的超级电容器平移后的参考输出功率之和为零；

对相应超级电容器充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行反向等量平移，使混合储能系统的总输出功率不变；

对每个蓄电池充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行再次平移，使每个蓄电池充放电周期内的蓄电池平移后的参考输出功率之和为零。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度，包括按如下公式确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度：

P％＝t₁/t_total；

其中，P％为混合储能系统的光伏出力波动率置信度；t₁为光伏发电数据样本中满足光伏出力波动率限值要求的采样点数，t_total为光伏发电数据样本周期的采样点数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值，包括：

按如下公式对混合储能系统的输出功率样本数据进行离散傅里叶变换：

其中，P(n)为混合储能系统的输出功率样本数据；P(k)为离散傅里叶变换后的混合储能系统的输出功率样本数据；N为混合储能系统的输出功率样本数据的采样点数；

根据P(k)的幅频特性，确定混合储能系统的输出功率波动频率范围[ω_L,ω_H]，其中ω_L为混合储能系统的输出功率波动频率范围的下限值，ω_H为混合储能系统的输出功率波动频率范围的上限值；

根据[ω_L,ω_H]确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值[T_L,T_H]，其中T_L为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数下限值，T_H为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数上限值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数，包括：

在所述低通滤波时间常数限值范围内不断选择不同的两阶滤波时间常数，分别按如下公式对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波：

其中，P_V为混合储能系统的输出功率；P_line为混合储能系统的并网联络线功率；P_E为混合储能系统的储能补偿功率；P_{bat_ref}为混合储能系统中蓄电池的参考输出功率；P_{SC_ref}为混合储能系统中超级电容器的参考输出功率；T₁为一阶滤波时间常数；T₂为二阶滤波时间常数；S表示频域；

并按如下公式计算混合储能系统的光伏出力波动率：

其中，F_t为混合储能系统的光伏出力波动率；P_n为混合储能系统的光伏额定功率；ΔP_t为t时间段内混合储能系统的最大输出功率变化量；P_tmax为t时间段内混合储能系统的最大输出功率；P_tmin为t时间段内混合储能系统的最小输出功率；

直至计算所得混合储能系统的光伏出力波动率满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求，输出相应的满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，包括：将调整后的蓄电池参考输出功率的最大值确定为蓄电池的额定功率；

所述根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率，包括：将调整后的超级电容器参考输出功率的最大值确定为超级电容器的额定功率。

6.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量，包括：

按如下公式计算蓄电池的充放电电量：

其中，E[n]为蓄电池的充放电电量；P_bat'[i]为调整后的蓄电池参考输出功率；T_s为调整后的蓄电池参考输出功率的采样周期；N₁＝T_bat/T_S，T_bat为蓄电池的充放电周期；

按如下公式计算蓄电池的额定容量：

其中，E_N为蓄电池的额定容量；SOC_up为混合储能系统的荷电状态最大限值；SOC_low为混合储能系统的荷电状态最小限值；

所述根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量，包括：

按如下公式计算超级电容器的充放电电量：

其中，E[n]'为超级电容器的充放电电量；P_SC'[i]为调整后的超级电容器参考输出功率；T_s'为调整后的超级电容器参考输出功率的采样周期；N₂＝T_SC/T_S'，T_SC为超级电容器的充放电周期；

按如下公式计算超级电容器的额定容量：

其中，E_N'为超级电容器的额定容量。

7.一种混合储能系统的功率及容量配置装置，其特征在于，包括：

波动率限值及置信度确定模块，用于确定混合储能系统的光伏出力波动率限值及置信度；

频谱分析模块，用于对混合储能系统的输出功率进行频谱分析，确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值；

滤波时间常数选择模块，用于通过对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波，在所述低通滤波时间常数限值范围内，选择满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数；

参考输出功率确定模块，用于确定选择的两阶滤波时间常数对应的混合储能系统中蓄电池及超级电容的参考输出功率；

参考输出功率调整模块，用于根据蓄电池及超级电容器充放电周期内的功率平衡约束，对蓄电池及超级电容器的参考输出功率进行调整；

额定功率确定模块，用于根据调整后的蓄电池参考输出功率确定蓄电池的额定功率，根据调整后的超级电容器参考输出功率确定超级电容器的额定功率；

额定容量确定模块，用于根据调整后的蓄电池参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定蓄电池的额定容量；根据调整后的超级电容器参考输出功率及混合储能系统的荷电状态，确定超级电容器的额定容量；

所述参考输出功率调整模块具体用于：

对每个超级电容器充放电周期内的超级电容器参考输出功率进行平移，使每个超级电容器充放电周期内的超级电容器平移后的参考输出功率之和为零；

对相应超级电容器充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行反向等量平移，使混合储能系统的总输出功率不变；

对每个蓄电池充放电周期内的蓄电池参考输出功率进行再次平移，使每个蓄电池充放电周期内的蓄电池平移后的参考输出功率之和为零。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述波动率限值及置信度确定模块具体用于按如下公式确定混合储能系统的光伏出力波动率置信度：

P％＝t₁/t_total；

其中，P％为混合储能系统的光伏出力波动率置信度；t₁为光伏发电数据样本中满足光伏出力波动率限值要求的采样点数，t_total为光伏发电数据样本周期的采样点数。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述频谱分析模块具体用于：

按如下公式对混合储能系统的输出功率样本数据进行离散傅里叶变换：

其中，P(n)为混合储能系统的输出功率样本数据；P(k)为离散傅里叶变换后的混合储能系统的输出功率样本数据；N为混合储能系统的输出功率样本数据的采样点数；

根据P(k)的幅频特性，确定混合储能系统的输出功率波动频率范围[ω_L,ω_H]，其中ω_L为混合储能系统的输出功率波动频率范围的下限值，ω_H为混合储能系统的输出功率波动频率范围的上限值；

根据[ω_L,ω_H]确定混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数限值[T_L,T_H]，其中T_L为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数下限值，T_H为混合储能系统输出功率的低通滤波时间常数上限值。

10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述滤波时间常数选择模块具体用于：

在所述低通滤波时间常数限值范围内不断选择不同的两阶滤波时间常数，分别按如下公式对混合储能系统的输出功率进行二阶低通滤波：

其中，P_V为混合储能系统的输出功率；P_line为混合储能系统的并网联络线功率；P_E为混合储能系统的储能补偿功率；P_{bat_ref}为混合储能系统中蓄电池的参考输出功率；P_{SC_ref}为混合储能系统中超级电容器的参考输出功率；T₁为一阶滤波时间常数；T₂为二阶滤波时间常数；S表示频域；

并按如下公式计算混合储能系统的光伏出力波动率：

其中，F_t为混合储能系统的光伏出力波动率；P_n为混合储能系统的光伏额定功率；ΔP_t为t时间段内混合储能系统的最大输出功率变化量；P_tmax为t时间段内混合储能系统的最大输出功率；P_tmin为t时间段内混合储能系统的最小输出功率；

直至计算所得混合储能系统的光伏出力波动率满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求，输出相应的满足所述光伏出力波动率限值及置信度要求的两阶滤波时间常数。

11.如权利要求7至10任一项所述的装置，其特征在于，所述额定功率确定模块具体用于：将调整后的蓄电池参考输出功率的最大值确定为蓄电池的额定功率；将调整后的超级电容器参考输出功率的最大值确定为超级电容器的额定功率。

12.如权利要求7至10任一项所述的装置，其特征在于，所述额定容量确定模块具体用于：

按如下公式计算蓄电池的充放电电量：

其中，E[n]为蓄电池的充放电电量；P_bat'[i]为调整后的蓄电池参考输出功率；T_s为调整后的蓄电池参考输出功率的采样周期；N₁＝T_bat/T_S，T_bat为蓄电池的充放电周期；

按如下公式计算蓄电池的额定容量：

其中，E_N为蓄电池的额定容量；SOC_up为混合储能系统的荷电状态最大限值；SOC_low为混合储能系统的荷电状态最小限值；

按如下公式计算超级电容器的充放电电量：

其中，E[n]'为超级电容器的充放电电量；P_SC'[i]为调整后的超级电容器参考输出功率；T_s'为调整后的超级电容器参考输出功率的采样周期；N₂＝T_SC/T_S'，T_SC为超级电容器的充放电周期；

按如下公式计算超级电容器的额定容量：

其中，E_N'为超级电容器的额定容量。

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