CN113452044B - 一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法 - Google Patents
一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,包括S1:以短期风力和光伏预测功率为依据制定风力系统和光伏系统的次日出力计划;S2:在负荷预测模型下,由次日出力计划调配确定出日前调度;S3:由日前调度协调出换电站的实时调度,在实时调度中在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率。该方法优化电能调配,最大限度消纳电网中弃风、弃光电能,并维持电网系统的电能质量与稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域,具体涉及一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法。
背景技术
风能、光能作为优质的清洁能源,由于风力发电、光伏发电有明显的缺点,其受天气因素、环境温度、光照强度等的影响较大,导致出力的间歇性与波动性。若大量的光伏并入电网将会对电网的频率、电能质量等造成严重的负面影响。长期以来,西北等区域弃风弃光问题严重,主要是电力系统调峰能力不足,而且受到传输容量的限制。2014年,国家能源局提出将氢储能作为解决弃风、弃光问题的新思路,2019年,我国各地新能源产业多元化发展趋势,传统的风电、光伏基地地区积极布局储能、氢能等产业,构建多能互补的产业格局,另外部分地区依然面临弃风、弃光、窝电等难题,清洁能源的消纳依然是部分新能源发展的重要课题。储能系统凭借其快速吞吐能力、灵活调节能力和充放电一体的特性,能有效的进行电力系统需求侧管理,消除用电高峰和低谷期间的峰谷差,平滑负荷,提高设备的利用率和使用寿命。将储能系统引入到电力系统中,作为补偿负荷波动的重要手段,可改善电网电能质量,提高系统供电可靠性,储能系统是智能电网和能源互联网的重要组成部分。
由于氢储能的功率响应速率低,氢储能无法单独承担电网的削峰填谷任务,而液态金属电池储能具有响应速率快,高电导效率、高转化效率能力的优点,其高倍率的充放电性能可以有效满足大规模风力系统、光伏系统的储能,将氢储能与液态金属电池储能进行混合联合储能,将风力发电站与光伏发电站的波动电能转化为可应用的稳压电能,有效削峰填谷,补偿缺额电力,可构建高效且利用率高的能源体系。本发明设计了一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,旨在合理分配氢储能和液态金属电池的充放电功率,优化电能调配,最大限度消纳电网中弃风、弃光电能,并维持电网系统的电能质量与稳定性。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题,本发明提供了一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,优化电能调配,最大限度消纳电网中弃风、弃光电能,并维持电网系统的电能质量与稳定性。
本发明提供如下技术方案:
一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:以短期风力和光伏预测功率为依据制定风力系统和光伏系统的次日出力计划;
S2:在负荷预测模型下,由次日出力计划调配确定出日前调度;
S3:由日前调度协调出换电站的实时调度,在实时调度中在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率。
优选地,所述次日出力计划包括短期风力预测功率Ppf与短期光伏预测功率Ppv,所述风力的次日出力计划功率P′f-plan与光伏的次日出力计划功率P′pv-plan如下:
P'f-plan=Ppf;
P′pv-plan=Ppv;
将风力的次日出力计划功率与光伏的次日出力计划功率合并得到出力计划综合功率P′=P′pv_plan+P′f_plan,利用P′确定氢储能和液态金属电池储能的次日出力计划;
所述负荷预测模型根据历史数据在用电需求侧短期时间段的实时工作负荷中修正处理得到,利用负荷预测模型结合氢储能和液态金属电池储能的次日出力计划确定合理的日前调度;
所述实时调度中,首先控制风力系统出力与光伏系统出力对液态金属电池进行充电,再控制风力系统出力与光伏系统出力对氢储能充电,并由液态金属电池储能或主电网来补偿短期功率的盈余或缺额,以及补充氢储能中电解槽的启动电能与部分运行缺额电能。
优选地,所述氢储能和液态金属电池储能的出力计划包括:
判断液态金属电池储能开启和关闭的时刻,液态金属电池储能功率Pon为P′(t)-PL(t)=Pon,得到解集T,液态金属电池开启时间ton=min{T},液态金属电池关闭时间toff=max{T};
若P′>PL,液态金属电池储能开启,盈余的风力出力和光伏出力功率为液态金属电池充电储能,充电时,液态金属电池功率P′b=min{P′-PL,Pb max};
设立液态金属电池荷电状态SOC的两个点位:SOCL与SOCH;
若SOC>SOCH时,启用氢储电充电,将盈余的风力出力和光伏出力功率电能转化为氢气储备,如果P′<PL,则负荷功率缺额由液态金属电池补充,放电时,液态金属电池功率P′b=min{PL-P′,Pb max};
若SOC<SOCH时,则从主电网配电或启用氢储能燃料供电来满足负荷;
在氢储能开启后,氢储能消耗的功率P′H=min{P′-PL,PHmax},需要判断P′H相较于上一时刻功率的变化率是否在氢电解槽允许的范围内;
若不满足,则取P′H(t)=P′H(t-1)+ΔP,对应的液态金属电池功率P′b=max{P′-PL-P′H,Pb max},缺额或盈余功率由主电网补充或吸收,当t=toff时,判断是否关闭氢电解槽,判断方法为:
其中:P'(t)为t时刻出力计划综合功率;PL(t)为负荷预测下实际出力计划综合功率;PL为实际出力计划综合功率;Pon为盈余液态金属电池功率;SOCL为液体金属电池低荷电状态阈值点位;SOCH为液体金属电池高荷电状态阈值点位;Pb max为液态金属电池最大放电功率;Wbat为液态金属电池充放电总容量。
优选地,所述氢电解槽判断为不关闭时,氢电解槽以额定功率运行,假设氢电解槽消耗的额度功率Pe,H为定值,且P′H=Pe,H,
在P′-PL<Pe,H时:
若SOC≤SOCL时,液态金属电池停运,氢电解槽缺额的功率由主电网补偿,此时主电网补偿功率Pg=Pe,H-P'+PL;
若SOCL<SOC<SOCH时,液态金属电池运行正常充放电,氢电解槽缺额的功率由主电网补偿,补偿功率Ps=P'-Pt;
若SOCH<SOC时,启用氢储电充电;
其中,Pt为风力与光伏实际出力计划综合功率。
优选地,所述实时调度中,将系统所有的滤波电容等效为一个,由基尔霍夫电流定律:
t1时刻电压初始值为U2,且Umin≤U1≤Umax,
其中,t1和t2为采样时间点;ipv为光伏系统出力计划工作电流;ipf为风力系统出力计划工作电流;ipb为液态金属电池充放电电流;iph为氢电解槽运行工作电流;ipg为主电网补偿工作电流;ipl为负荷预测下实际出力计划综合工作电流;
假设各部分电流采样后为定值,与时间无关,上式积分变换为:
令U2=U(t),U1=U(t-1),则有:
U(t)=U(t-1)+[Ppv(t)+Ppf(t)+P′b(t)-PL-P′g(t)]·k (1)
其中,U(t)为t时刻母线电压,U(t-1)为t-1时刻母线电压,k根据液态金属电池的响应能力设置;Ue为母线额定电压;
结合(1)与(2)式,代入t时刻短期风力预测功率Ppf(t)、t时刻短期光伏预测功率Ppv(t)、t时刻液态金属电池功率P'b(t)、t时刻主电网补偿功率P'g(t)以及实际出力计划综合功率PL;
当母线电压许可的判断式成立,按照日前调度计划出力继续运行,当判断式不成立时,利用液态金属电池进行功率平衡出力运行。
优选地,所述SOCL>SOCmin,所述SOCH<SOCmax;
其中,SOCmin为液态金属电池SOC可放电的最小值;SOCmax为液态金属电池SOC可充电的最大值。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
通过以短期风力和光伏预测功率为依据,制定风力系统和光伏系统的次日出力计划,优化风力系统和光伏系统的电能输出调配;在负荷预测模型下,由次日出力计划调配确定出日前调度,联合历史数据中用电需求侧短期时间段的实时工作负荷和风力系统和光伏系统的出力确定相应的日前调度,以最大限度消纳电网中弃风、弃光等电能;再由日前调度协调出换电站的实时调度,输出电能至主电网、用户需求侧或混合储能系统,并在实时调度中,在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率,以减少了预测误差对液态金属电池充放电的影响,同时维持电网系统的电能质量,可有效避免充放电状态频繁切换,减少储能系统负载的停运频率,降低不良风险、提高储能系统的稳定性;
利用氢储能和液态金属电池储能联合对风力系统与光伏系统的出力进行充放电,氢储能充放电响应速率慢、液态金属电池储能充放电响应速率快,形成互补的储能系统,以充分满足对户需求侧的供电,有效削峰填谷,补偿缺额电力,可构建高效且利用率高的能源体系。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。
图1为本发明的实施例操作流程图;
图2为本发明侧电网调度结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明的实施例作详细说明。
实施例1:
请参阅图1与图2,本实施例提供了一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:以短期风力和光伏预测功率为依据制定风力系统和光伏系统的次日出力计划;
S2:在负荷预测模型下,由次日出力计划调配确定出日前调度;
S3:由日前调度协调出换电站的实时调度,在实时调度中在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率。
次日出力计划包括短期风力预测功率Ppf与短期光伏预测功率Ppv,风力的次日出力计划功率P′f-plan与光伏的次日出力计划功率P′pv-plan如下:
P'f-plan=Ppf;
P′pv-plan=Ppv;
将风力的次日出力计划功率与光伏的次日出力计划功率合并得到出力计划综合功率P′=P′pv_plan+P′f_plan,利用P′确定氢储能和液态金属电池储能的次日出力计划;
氢储能和液态金属电池储能的出力计划包括:
判断液态金属电池储能开启和关闭的时刻,液态金属电池储能功率Pon为P′(t)-PL(t)=Pon,得到解集T,液态金属电池开启时间ton=min{T},液态金属电池关闭时间toff=max{T};
若P′>PL,液态金属电池储能开启,盈余的风力出力和光伏出力功率为液态金属电池充电储能,充电时,液态金属电池功率P′b=min{P′-PL,Pb max};
设立液态金属电池荷电状态SOC的两个点位:SOCL与SOCH;
优选地,SOCL>SOCmin,SOCH<SOCmax;
其中,SOCmin为液态金属电池SOC可放电的最小值;SOCmax为液态金属电池SOC可充电的最大值;控制SOC>SOCmin(考虑到液态金属电池的安全使用,取SOCmin=0.2),控制SOC>SOCmax(考虑到液态金属电池的安全使用,取SOCmax=0.8);
若SOC>SOCH时,启用氢储电充电,将盈余的风力出力和光伏出力功率电能转化为氢气储备,如果P′<PL,则负荷功率缺额由液态金属电池补充,放电时,液态金属电池功率P′b=min{PL-P′,Pb max};
若SOC<SOCH时,则从主电网配电或启用氢储能燃料供电来满足负荷;
在氢储能开启后,氢储能消耗的功率P′H=min{P′-PL,PHmax},需要判断P′H相较于上一时刻功率的变化率是否在氢电解槽允许的范围内;
若不满足,则取P′H(t)=P′H(t-1)+ΔP,对应的液态金属电池功率P′b=max{P′-PL-P′H,Pb max},缺额或盈余功率由主电网补充或吸收,当t=toff时,判断是否关闭氢电解槽,判断方法为:
氢电解槽判断为不关闭时,氢电解槽以额定功率运行,假设氢电解槽消耗的额度功率Pe,H为定值,且P′H=Pe,H,
在P′-PL<Pe,H时:
若SOC≤SOCL时,液态金属电池停运,氢电解槽缺额的功率由主电网补偿,此时主电网补偿功率Pg=Pe,H-P'+PL;
若SOCL<SOC<SOCH时,液态金属电池运行正常充放电,氢电解槽缺额的功率由主电网补偿,补偿功率Ps=P'-Pt;
若SOCH<SOC时,启用氢储电充电;
其中:P'(t)为t时刻出力计划综合功率;PL(t)为负荷预测下实际出力计划综合功率;PL为实际出力计划综合功率;Pon为盈余液态金属电池功率;SOCL为液体金属电池低荷电状态阈值点位;SOCH为液体金属电池高荷电状态阈值点位;Pb max为液态金属电池最大放电功率;Wbat为液态金属电池充放电总容量。
其中,Pt为风力与光伏实际出力计划综合功率。
负荷预测模型根据历史数据在用电需求侧短期时间段的实时工作负荷中修正处理得到,利用负荷预测模型结合氢储能和液态金属电池储能的次日出力计划确定合理的日前调度;
实时调度中,首先控制风力系统出力与光伏系统出力对液态金属电池进行充电,再控制风力系统出力与光伏系统出力对氢储能充电,优化储能系统的容量配置,并由液态金属电池储能或主电网来补偿短期功率的盈余或缺额,以及补充氢储能中电解槽的启动电能与部分运行缺额电能。
风力系统和光伏系统由出力计划优先对液态金属电池充电,在SOC>SOCH时,启用氢储电充电,将盈余的风力出力和光伏出力功率电能转化为氢气储备,在日前调度中,由于光伏的特性,光伏系统在白天出力,氢储能在白天时的开启时间由风力系统和光伏系统的出力计划综合功率P'决定,可减少从主电网购买的电力,节约经济成本,傍晚时及至第二天早晨(夜间),光伏系统基本不工作运行,期间氢储能关闭时刻由夜间风机出力大小与液态金属电池剩余容量共同决定,当夜间风机总出力不足以充满液态金属电池时,在夜间不开启氢电解槽,即傍晚时刻直接关闭掉氢储能,否则继续开启氢储能,利用风力系统制氢。根据风力系统和光伏系出力功率来决定氢电解槽开启与否,可以减少制氢设备的频繁开启与关闭,有利于制氢设备使用寿命的维持,避免氢电解槽以及液态金属电池充放电状态频繁切换,减少储能系统负载的停运频率,降低不良风险、提高储能系统的稳定性。
将高质量的电能通过换电站输送至主电网或用户需求侧,将低质量和盈余的电能输送给氢电解槽或存储在液态金属电池中,再通过换电站输出电能至主电网以及用户需求侧,以进行高利用率的电能交换,维持电网系统内的电能质量;液态金属电池储能中利用先串联后并联的多个液态金属电池单体进行充放电,通过熔融金属a与熔融金属b为正负极,熔盐为电解质,在电池放电时,作为负极的熔融金属b失去电子,并通过电路做功,负极金属离子化后通过熔盐迁移至作为正极的熔融金属a,且与熔融金属a合金化;充电过程相反。
利用补偿选择单元根据SOC的判别选择主电网或液体金属电池对氢电解槽运行的补偿,在氢储能中,由电解槽将电能转化为氢能与氧能,可根据需求利用燃烧池中氢氧燃料电池将氢能转化为电能,盈余的氢气存储在高压储氢罐中,高纯度的氢气与氧气可作为生产原料直接对外出售,经济效应较高。
实施例2:
本实施例区别实施例1的特征在于:
在实时调度中,液态金属电池、氢储能和电网按照出力计划运行,但由于风力系统与光伏系统的不稳定的波动性,以短期风力和光伏预测功率为依据的出力预测功率存在不可避免地误差,系统的功率平衡在部分范围内被打破;该预测功率误差一方面会导致液态金属电池频繁切换充放电状态,不利于液态金属电池的寿命保持,另一方面,会严重扰乱在负荷预测模型下调配的日前调度计划,为了解决上述问题,在实时调度中,在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率,将系统所有的滤波电容等效为一个,由基尔霍夫电流定律:
t1时刻电压初始值为U2,且Umin≤U1≤Umax,
其中,t1和t2为采样时间点;ipv为光伏系统出力计划工作电流;ipf为风力系统出力计划工作电流;ipb为液态金属电池充放电电流;iph为氢电解槽运行工作电流;ipg为主电网补偿工作电流;ipl为负荷预测下实际出力计划综合工作电流;
假设各部分电流采样后为定值,与时间无关,上式积分变换为:
令U2=U(t),U1=U(t-1),则有:
U(t)=U(t-1)+[Ppv(t)+Ppf(t)+P′b(t)-PL-P′g(t)]·k (1)
其中,U(t)为t时刻母线电压,U(t-1)为t-1时刻母线电压,k根据液态金属电池的响应能力设置;Ue为母线额定电压;
结合(1)与(2)式,代入t时刻短期风力预测功率Ppf(t)、t时刻短期光伏预测功率Ppv(t)、t时刻液态金属电池功率P'b(t)、t时刻主电网补偿功率P'g(t)以及实际出力计划综合功率PL;
当母线电压许可的判断式成立,按照日前调度计划出力继续运行,当判断式不成立时,利用液态金属电池进行功率平衡出力运行。
实时调度中,采用上述在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率,实时跟踪母线电压的波动范围,选择按照日前调度计划出力继续运行或通过液态金属电池平衡出力运行,可避免电网中液态金属电池因风力系统出力与光伏系统实时出力与预测值相差较小时的频繁动作问题,有利于加强电网的运行稳定能力。
同时,在日前调度中使液态金属电池工作的SOC范围小于实时调度中的SOC范围,可以预防特殊天气或者极端天气时,因风力系统和光伏系统出力计划预测偏差高带来的系统功率失衡现象。
综上,本发明可以有效地将氢储能与液态金属电池相结合,可为电网稳定高效以及风力系统、光伏系统出力联合储能系统高利用率的运行提供理论依据。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明,但是本专利并不限于上述实施方式,在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化与改进。
Claims (4)
1.一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:以短期风力和光伏预测功率为依据制定风力系统和光伏系统的次日出力计划;
S2:在负荷预测模型下,由次日出力计划调配确定出日前调度;
S3:由日前调度协调出换电站的实时调度,在实时调度中在母线电压的允许范围内控制氢储能中电解槽以及液态金属电池储能的充放电功率;
所述实时调度中,首先控制风力系统出力与光伏系统出力对液态金属电池进行充电,再控制风力系统出力与光伏系统出力对氢储能充电,并由液态金属电池储能或主电网来补偿短期功率的盈余或缺额,以及补充氢储能中电解槽的启动电能与部分运行缺额电能;
所述次日出力计划包括短期风力预测功率Ppf与短期光伏预测功率Ppv,所述风力的次日出力计划功率P'f_ plan与光伏的次日出力计划功率P'pv_ plan如下:
P'f_ plan=Ppf;
P'pv_ plan=Ppv;
将风力的次日出力计划功率与光伏的次日出力计划功率合并得到出力计划综合功率P′=P′pv_plan+P′f_plan,利用P′确定氢储能和液态金属电池储能的次日出力计划;
所述负荷预测模型根据历史数据在用电需求侧短期时间段的实时工作负荷中修正处理得到,利用负荷预测模型结合氢储能和液态金属电池储能的次日出力计划确定合理的日前调度;
所述氢储能和液态金属电池储能的出力计划包括:
判断液态金属电池储能开启和关闭的时刻,液态金属电池储能功率Pon为P′(t)-PL(t)=Pon,得到解集T,液态金属电池开启时间ton=min{T},液态金属电池关闭时间toff=max{T};
若P′>PL,液态金属电池储能开启,盈余的风力出力和光伏出力功率为液态金属电池充电储能,充电时,液态金属电池功率Pb′=min{P′-PL,Pbmax};
设立液态金属电池荷电状态SOC的两个点位:SOCL与SOCH;
若SOC>SOCH时,启用氢储电充电,将盈余的风力出力和光伏出力功率电能转化为氢气储备,如果P′<PL,则负荷功率缺额由液态金属电池补充,放电时,液态金属电池功率Pb′=min{PL-P′,Pbmax};
若SOC<SOCH时,则从主电网配电或启用氢储能燃料供电来满足负荷;
在氢储能开启后,氢储能消耗的功率PH′=min{P′-PL,PHmax},需要判断PH′相较于上一时刻功率的变化率是否在氢电解槽允许的范围内;
若不满足,则取PH′(t)=PH′(t-1)+ΔP,对应的液态金属电池功率Pb′=max{P′-PL-PH′,Pbmax},缺额或盈余功率由主电网补充或吸收,当t=toff时,判断是否关闭氢电解槽,判断方法为:
其中:P'(t)为t时刻出力计划综合功率;PL(t)为负荷预测下实际出力计划综合功率;PL为实际出力计划综合功率;Pon为盈余液态金属电池功率;SOCL为液体金属电池低荷电状态阈值点位;SOCH为液体金属电池高荷电状态阈值点位;Pbmax为液态金属电池最大放电功率;Wbat为液态金属电池充放电总容量。
2.根据权利要求1所述的一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,其特征在于:所述氢电解槽判断为不关闭时,氢电解槽以额定功率运行,假设氢电解槽消耗的额度功率Pe,H为定值,且PH′=Pe,H,
在P′-PL<Pe,H时:
若SOC≤SOCL时,液态金属电池停运,氢电解槽缺额的功率由主电网补偿,此时主电网补偿功率Pg=Pe,H-P'+PL;
若SOCL<SOC<SOCH时,液态金属电池运行正常充放电,氢电解槽缺额的功率由主电网补偿,补偿功率Ps=P'-Pt;
若SOCH<SOC时,启用氢储电充电;
其中,Pt为风力与光伏实际出力计划综合功率。
3.根据权利要求1所述的一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,其特征在于:所述实时调度中,将系统所有的滤波电容等效为一个,由基尔霍夫电流定律:
t1时刻电压初始值为U2,且Umin≤U1≤Umax,
其中,t1和t2为采样时间点;ipv为光伏系统出力计划工作电流;ipf为风力系统出力计划工作电流;ipb为液态金属电池充放电电流;iph为氢电解槽运行工作电流;ipg为主电网补偿工作电流;ipl为负荷预测下实际出力计划综合工作电流;
假设各部分电流采样后为定值,与时间无关,上式积分变换为:
令U2=U(t),U1=U(t-1),则有:
U(t)=U(t-1)+[Ppv(t)+Ppf(t)+Pb′(t)-PL-Pg′(t)]·k (1)
其中,U(t)为t时刻母线电压,U(t-1)为t-1时刻母线电压,k根据液态金属电池的响应能力设置;Ue为母线额定电压;
结合(1)与(2)式,代入t时刻短期风力预测功率Ppf(t)、t时刻短期光伏预测功率Ppv(t)、t时刻液态金属电池功率P'b(t)、t时刻主电网补偿功率P'g(t)以及实际出力计划综合功率PL;
当母线电压许可的判断式成立,按照日前调度计划出力继续运行,当判断式不成立时,利用液态金属电池进行功率平衡出力运行。
4.根据权利要求1所述的一种含氢与液态金属电池混合储能系统的风力光伏电网调度方法,其特征在于:所述SOCL>SOCmin,所述SOCH<SOCmax;
其中,SOCmin为液态金属电池SOC可放电的最小值;SOCmax为液态金属电池SOC可充电的最大值。
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