CN111371105B - 一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法，属于多源储能装置控制的技术领域，该方法通过锂电池与氢氧燃料电池对频率指数高低响应速度的不同，根据下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据，快速计算出其配电网负荷功率与发电功率差额对应的频率指数，通过与锂电池、储氢装置和氢氧燃料电池的调节能力指数进行比较，选择不同的调节策略。本发明的协同作用，增强了对多能源系统的调节效果，达到多源储能装置控制频率稳定。
Description
技术领域
本发明涉及多源储能装置控制的技术领域，尤其涉及一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法。
背景技术
随着新能源技术的迅速发展，尤其是风电，光伏为代表的清洁能源。由于大规模新能源并网对电力系统运行的可靠性和电能质量的稳定性造成冲击，使得电网的频率问题格外突出。我国目前大多还是采用单一的储能装置对频率进行调节，单一的储能装置在容量及其响应速度将难以满足调频需求，该问题已经成为电网接纳新能源并网的主要制约因素之一。为缓解新能源并网问题并改善电网频率指标，有必要引入具有快速响应特性的储能装置。
现有的储能装置参与电网调频的类型包括锂离子电池、超级电容、抽水蓄能等。其中抽水蓄能的技术成熟，应用广泛，但对地理环境的依赖制约着其进一步发展。超级电容具有快速充放电的有点，但假如使用不当会造成电解质泄漏等现象，它内阻较大，因而不可以用于交流电路因此阻碍其进一步发展。以锂离子电池储能为主的新型快速储能装置充放电效率高、可循环次数多因而其实用性高。氢氧燃料电池具有清洁环保，放电效率高等特点。因此本发明通过对负荷频率指数的计算得到不同频率指数，再计算锂离子电池与氢氧燃料电池的调节能力指数，通过它们之间的协同作用来达到配电网频率稳定的作用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：数据采集，下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据P1,P2,…,P23,P24；电池的最大容量Cmax；电池充放电量Qe；电池满充电压Efull；电池放电曲线中指数区的截止电压EEXP；放电截止电压Enom；电池放电曲线中线性区的电池容量和电流Qnom、Inom；电池内阻R；储氢化学反应过程需要的电能EH和热能Qcell；电解水的热能
环境温度T0和加热源温度Ts；电解槽横截面面积S；氢氧燃料电池的电压和电流VH和IH；氢气输入电堆的速率
法拉第常数F；氢气摩尔质量
氢氧燃料电池理想电压和电压损耗Eideal、Eloss。
步骤2：通过以下公式，计算采集的下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额对应下一日的24个整点时刻数据的频率指数；
步骤2.1：计算下一日的24个整点时刻数据，得到24个负荷频率指数：
其中，Pk为下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据。
步骤3：用锂电池进行充放电，根据锂电池的充放电功率模型计算电池储能的充放电功率；用电解水制氢气进行存储计算储氢功率，用氢氧燃料电池放电模型计算燃料电池放电功率；
步骤3.1：计算锂电池的充放电功率：
其中，EE为锂电池的电压；IE为锂电池的电流；
和
分别为储电的充放电功率；E0为电池内电势；K为电池极化电压；Cmax为电池的最大容量；Qe为锂电池充放电量；A为指数区电压振幅；B为指数区时间常数的倒数；Efull为电池满充电压；EEXP为电池放电曲线中指数区的截止电压；QEXP为指数区域的电池容量；Enom为放电截止电压；Qnom、Inom为电池放电曲线中线性区的电池容量和电流；R为锂电池内电阻。
步骤3.2:用电解水制氢气进行存储计算储氢功率，用氢氧燃料电池放电模型计算燃料电池放电功率：
其中，
和
分别为燃料电池的储氢和放电功率；EH、Qcell分别是化学反应过程需要的电能和热能；T0、Ts分别是环境温度和加热源温度；S为电解槽横截面面积；VH、IH分别为氢氧燃料电池的电压和电流；F为法拉第常数；
为氢气输入电堆的速率；
为氢气摩尔质量；Eideal为理想条件下电压；Eloss为电压损耗；
为电解水的热能。
步骤4：计算锂电池调节能力指数及储氢装置和氢氧燃料电池的调节能力指数；
步骤4.1：计算锂电池调节能力指数：
其中，
与
为锂电池的充电与放电调节能力指数。
步骤4.2：计算储氢装置和氢氧燃料电池的调节能力指数：
其中，
与
为储氢装置与氢氧燃料电池的调节能力指数。
步骤5：根据步骤4计算的调解能力指数，对多能源系统的配电网负荷功率与发电功率差额进行调解：
当负荷频率指数
或者
时，配电网负荷功率与发电功率差额由锂电池进行调节；当负荷频率指数
或者
时，配电网负荷功率与发电功率差额由氢氧燃料电池进行调节。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1、本发明提供一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法，采用了锂电池与氢氧燃料电池协同作用，使得调频效果更好。
2、本发明储能装置具有较快的功率调节速度，能够对系统频率变化做出快速响应，适合参与电力系统的频率调节，并且储能装置对于减小传统发电机组的调频需求和提高调频效果具有显著作用。本发明采用的多源储能装置包括电池储能装置和氢氧燃料电池储能装置，它们对频率指数高低响应速度不同。通过对频率指数的划分，使得调频装置之间也能协同运行，达到多源储能装置控制频率稳定。
3、相比于传统调频机组，本发明采用氢氧燃料电池储能装置更加经济与环保。
4、本发明采用的方法能够根据下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据，快速计算出其配电网负荷功率与发电功率差额对应的频率指数，并通过此方法快速响应，从而达到配电网频率稳定的作用。
附图说明
图1为本发明一种基于多源储能装置的配电网频率稳定控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例采用10000组电池与10000组燃料电池和储氢装置协同作用。
如图1所示，本实施例的方法如下所述。
步骤1：数据采集；
下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据P1,P2,…,P23,P24；电池的最大容量Cmax＝200Ah；电池充放电量Qe＝30Ah；电池满充电压Efull＝28V；电池放电曲线中指数区的截止电压EEXP＝22V；放电截止电压Enom＝18V；电池放电曲线中线性区的电池容量和电流Qnom＝30Ah、Inom＝133.5Ah；电池内电阻R＝0.1Ω；电池额定充放电电流I＝60A；储氢化学反应过程需要的电能EH＝6×103j/mol和热能Qcell＝8×103j/mol；环境温度T0＝25℃和加热源温度Ts＝100℃；电解水的热能Qcell＝5333j/mol；电解槽横截面面积S＝0.1m2；氢氧燃料电池的电压和电流VH和IH；氢气输入电堆的速率
法拉第常数F＝96482C/mol；氢气摩尔质量
氢氧燃料电池理想电压和电压损耗Eideal＝70V、Eloss＝10V。
表1下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额
步骤2：通过以下公式，计算采集的下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额对应的24个整点时刻数据的频率指数；
步骤2.1：采用以下公式对下一日的24个整点时刻数据进行分析：
本实施例通过上式求得下一日内24个整点时刻频率指数如表2所示；
表2下一日24个整点时刻频率指数
步骤3：用锂电池进行储电，根据锂电池的充放电功率模型计算电池储能的充放电功率；用电解水制氢气进行存储计算储氢功率，用氢氧燃料电池放电模型计算燃料电池放电功率；
步骤3.1：计算锂电池的充放电功率：
步骤3.2：用电解水制氢气进行存储计算储氢功率，用氢氧燃料电池放电模型计算燃料电池放电功率
步骤4：计算锂电池调节能力指数及储氢装置和氢氧燃料电池的调节能力指数；
步骤4.1：计算锂电池调节能力指数
步骤4.2：计算储氢装置与氢氧燃料电池的调节能力指数
步骤5：根据步骤4计算的调解能力指数，对多能源系统的配电网负荷功率与发电功率差额进行调解：
当负荷频率指数
或者
时，配电网负荷功率与发电功率差额由锂电池进行调节；当负荷频率指数
或者
时，配电网负荷功率与发电功率差额由氢氧燃料电池进行调节。
根据表1、表2所提供的数据，本实施例以第19个时刻为例，通过上述调频策略进行调频。P19＝9.35MW，此时P19的频率指数X19＝9.21。又0＜5.82＜9.21＜13.7，所以此时P19＝9.35MW＜24MW由氢氧燃料电池进行调节。
Claims (3)
1.一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：数据采集，下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据P1，P2，…，P23，P24；电池的最大容量Cmax；电池充放电量Qe；电池满充电压Efull；电池放电曲线中指数区的截止电压EEXP；放电截止电压Enom；电池放电曲线中线性区的电池容量和电流Qnom、Inom；电池内阻R；储氢化学反应过程需要的电能EH和热能Qcell；电解水的热能
环境温度T0和加热源温度Ts；电解槽横截面面积S；氢氧燃料电池的电压和电流VH和IH；氢气输入电堆的速率
法拉第常数F；氢气摩尔质量
氢氧燃料电池理想电压和电压损耗Eideal、Eloss；
步骤2：计算采集的下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额对应下一日的24个整点时刻数据的频率指数；
所述频率指数的计算公式如下：
其中，Pk为下一日预测的配电网负荷功率与发电功率差额的24个整点时刻数据；
步骤3：用锂电池进行充放电，根据锂电池的充放电功率模型计算电池储能的充放电功率；用电解水制氢气进行存储计算储氢功率，用氢氧燃料电池放电模型计算燃料电池放电功率；
步骤4：计算锂电池调节能力指数及储氢装置和氢氧燃料电池的调节能力指数；
所述步骤4的过程如下：
步骤4.1：计算锂电池调节能力指数：
其中，
与
为锂电池的充电与放电调节能力指数；
步骤4.2：计算储氢装置和氢氧燃料电池的调节能力指数：
其中，
与
为储氢装置与氢氧燃料电池的调节能力指数；
和
分别为燃料电池的储氢和放电功率；
步骤5：根据步骤4计算的调解能力指数，对多能源系统的配电网负荷功率与发电功率差额进行调解。
2.根据权利要求1所述的一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法，其特征在于：所述步骤3的过程如下：
步骤3.1：计算锂电池的充放电功率：
其中，EE为锂电池的电压；IE为锂电池的电流；
和
分别为储电的充放电功率；E0为电池内电势；K为电池极化电压；Cmax为电池的最大容量；Qe为锂电池充放电量；A为指数区电压振幅；B为指数区时间常数的倒数；Efull为电池满充电压；EEXP为电池放电曲线中指数区的截止电压；QEXP为指数区域的电池容量；Enom为放电截止电压；Qnom、Inom为电池放电曲线中线性区的电池容量和电流；R为锂电池内电阻；
步骤3.2：用电解水制氢气进行存储计算储氢功率，用氢氧燃料电池放电模型计算燃料电池放电功率：
其中，
和
分别为燃料电池的储氢和放电功率；EH、Qcell分别是化学反应过程需要的电能和热能；T0、Ts分别是环境温度和加热源温度；S为电解槽横截面面积；VH、IH分别为氢氧燃料电池的电压和电流；F为法拉第常数；
为氢气输入电堆的速率；
为氢气摩尔质量；Eideal为理想条件下电压；Eloss为电压损耗；
为电解水的热能。
3.根据权利要求1所述的一种基于配电网负荷频率指数的多源储能装置控制方法，其特征在于：所述步骤5的过程如下：
当负荷频率指数
或者
时，配电网负荷功率与发电功率差额由锂电池进行调节；当负荷频率指数
或者
时，配电网负荷功率与发电功率差额由氢氧燃料电池进行调节。
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