专利名称：平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法
技术领域：
本发明是一种平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，属于平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法的改造技术。
背景技术：
现有以风力、光伏发电为代表的可再生能源具有间歇性、随机性及不确定性等特点。随着可再生能源渗透率不断增加，它们给电网的安全可靠运行带来了越来越多的挑战。 储能系统凭借其可充可放的运行特性，可有效用于克服可再生能源发电系统的波动性。储能系统与可再生能源发电系统的配合模式按其控制目标的不同大致可分为两类(1)配合可再生能源平滑输出波动(包括短期和长期波动)；( 将间歇式可再生能源转变为可调度能源，实现削峰填谷、计划发电等。现有有关储能系统容量的选择方法已经取得了一些研究成果，如仿真法、补偿频段确定法等。1)仿真法。以“Control strategies for battery energy storage for wind farm dispatching (IEEE Trans. Energy Convers.，vol. 24，no. 3，pp. 725-732，Sep. 2009.) ” 禾口 “New Control Method for Regulating State-of-Charge of a Battery in Hybrid Wind Power/Battery Energy Storage System (IEEE PES Power Systems Conference and Exposition, PSCE^ 06， Oct. 2006，pp. 1244-1251.)”为代表，该方法由用户经过多次仿真之后，得到满意的容量结果。优点是能够考虑储能充放电速率、S0C(剩余能量水平)、寿命等各种限制，仿真结果精确；缺点是储能容量选取往往根据经验，需多次仿真之后才能得到比较满意的结果。且单次仿真耗时较长，故总耗时长，同时不能保证得到最优容量。2、补偿频段确定法。在“基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计(电力系统自动化，2009，33 (9) :86-90.)”和 "Design of Hybrid Energy Storage Control System for Wind Farms Based on Flow Battery and Electric Double-Layer Capacitor (Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), 2010Asia-Pacif ic, pp. 1-6, 28-3IMarch 2010) ” 中介绍了通过确定储能系统补偿频段来确定储能系统所需功率的方法。优点是给出了储能系统所需功率的计算公式，功率确定耗时较短；缺点是对储能容量的确定没有详细阐述，在确定混合储能合理的补偿频段时缺乏依据。同时缺乏经济性评估，故该方法得出容量结果经济性难以令人满
辰、ο综上所述，将储能系统应用于平滑可再生能源输出波动场景下的储能系统容量优化方法所考虑的因素还很不全面，远没有达到实用化程度。
发明内容
本发明的目的在于针对目前平滑可再生能源输出波动场景下的储能系统容量优化方法所考虑的因素不全面，没有达到实用化的缺点，本发明提出了一种基于可再生能源输出功率频谱分析结果的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法。该方法能够给出满足经储能系统补偿之后的目标功率输出波动率约束下的储能系统容量方案，实用、简单、快速且易于实现。本发明提出的储能系统容量优化方法以可再生能源输出功率频谱分析结果为基础，能够有效给出满足经储能系统补偿之后的目标功率输出波动率约束下的储能系统最小容量方案。本发明的技术方案是本发明的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，在确定储能系统容量前，选择合理的可再生能源输出功率样本数据，确定合理的可再生能源输出功率样本数据之后，可依次确定储能系统功率、容量及初始SOC状态，其具体步骤如下1)功率确定为满足平滑可再生能源功率输出波动需求，并保证储能系统连续稳定运行，应确定合理的储能系统功率输出并具备足够大的充放电功率；针对给定的可再生能源功率输出样本数据，满足目标功率输出波动率约束的储能系统所需最大充放电功率可以利用仿真法获得；所谓仿真法，由下述几个步骤构成11)对功率输出样本数据Pg进行离散傅里叶变换，获得幅频结果Sg和fg ；Sg = DFT(Pg) = [Sg[l], . . . , Sg[n], . . . , Sg[Nj]T (1)fg = [fg[l], . . .，fg[n], . . .，fg[Nj]T式中，Pg = [Pg[l]，. . .，Pg [η],. . .，Pg[Ns] ]τ代表可再生能源功率输出样本数据； Pg[η]代表第η个采样点输出功率[kW]，Ns代表采样点个数。DFT(Pg)代表对样本数据&进行离散傅里叶变换。=t g[n]+Ig[n]i代表傅里叶变换结果中第η个频率fg[n]对应的幅值，t g[n]，Ig[n]分别代幅值的实部和虚部。fg为与\对应的频率列向量；fg[n] =fs(n-l)/Ns= (n-1)/(TsNs)⑵式中，fs，Ts分别为样本数据Pg的采样频率[Hz]和采样周期[s]；由采样定理和离散傅里叶变换数据的对称性可知，Sg以Nyquist频率fN = fs/2 (频谱分析结果的最高分辨频率，为采样频率的二分之一)为对称轴，两侧对称的复序列互为共轭，模相等；故只需要考虑0 fN频率范围的幅频特性；值得特别指出的是，利用离散傅里叶变换直接获得的\并非原信号的实际幅值， 原信号的实际幅值及其对应的频率分别由列向量Dg，fNg表示
权利要求
1. 一种平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于在确定储能系统容量前，选择合理的可再生能源输出功率样本数据，确定合理的可再生能源输出功率样本数据之后，可依次确定储能系统功率、容量及初始SOC状态，其具体步骤如下I)功率确定为满足平滑可再生能源功率输出波动需求，并保证储能系统连续稳定运行，应确定合理的储能系统功率输出并具备足够大的充放电功率；针对给定的可再生能源功率输出样本数据，满足目标功率输出波动率约束的储能系统所需最大充放电功率可以利用仿真法获得；所谓仿真法，由下述几个步骤构成II)对功率输出样本数据Pg进行离散傅里叶变换，获得幅频结果\和fg；Sg = DFT(Pg) = [Sg[l]，· . .，Sg[n], . . .，Sg[Nj]T (1)fg = [fg[l], . . .，fg[n], . . .，fg[Ns]]T式中，Pg = [Pg[l]，...，Pg[n]，...，Pg[Ns]]T代表可再生能源功率输出样本数据；Pg[n] 代表第η个采样点输出功率[kW]，NsR表采样点个数；DFT (Pg)代表对样本数据&进行离散傅里叶变换= t g[n]+Ig[n]i代表傅里叶变换结果中第η个频率fg[n]对应的幅值， Rg [n], Ig [η]分别代幅值的实部和虚部；fg为与\对应的频率列向量；fg[n] = fs(n-l)/Ns = (n-1)/(TsNs)⑵式中，fs，Ts分别为样本数据Pg的采样频率[Hz]和采样周期[s]；由采样定理和离散傅里叶变换数据的对称性知，\以Nyquist频率fN = fs/2 (频谱分析结果的最高分辨频率，为采样频率的二分之一)为对称轴，两侧对称的复序列互为共轭，模相等；故只需要考虑0 &频率范围的幅频特性；值得特别指出的是，利用离散傅里叶变换直接获得的\并非原信号的实际幅值，原信号的实际幅值及其对应的频率分别由列向量Dg，fNg表示Dg=[Dg[ll...,Dg[jl...,Dg[lNs/2\ + l]]T(幻fNg=[m,-JsUi-JdlNs/2]+i]f式中，[乂/2」代表取队/2的整数部分；0山_]代表频谱分析中第j个频率fg[j]对应的原信号实际幅值大小；当Ns为偶数时\l R2JM +I2JJy Ns j = l,NJ2 + l ^ R2g[j] +I2g[j]/Ns 7 = 2,...,^/2当Ns为奇数时JR2Aj]+I2Aj] ^Ns 7 = 1,Dg[j] = r Ui sUi j(4-2)R2g[j] +I2g[j]/Ns j = 2,.. lNs/2] + \12)基于频谱分析结果，确定满足功率输出波动约束的目标功率输出及其对应的储能系统补偿频段；假定fps代表依据频谱分析结果Dg确定的补偿频段，fpsl代表\中以Nyquist频率fN为对称轴与fps对称的频段；用& = ，. . .，，. . .，Stl[NJ]τ代表经储能系统补偿后的目标功率输出对应的频谱分析复数结果；其中，将补偿频段对应的幅值置为0，表示补偿后消除了相应频段的功率波动，补偿频段外的幅值不变；即^οΜ = 0 + 0/ f^H1(5)[^gM fn ^ fps UfpSl对&进行离散傅里叶反变换得到经储能系统补偿后的目标功率输出结果Ptl P0= IDFT(S0) = [P0[l]，···，P0[n]，···，P0[NS]]T (6)式中，IDFT(Stl)代表对&进行离散傅里叶反变换；Pjn]代表第η个采样点的目标输出功率RW]；为评价储能系统补偿效果是否满足要求，需要引入功率输出波动率作为评价储能系统补偿效果的指标；假定在Te时间段内的功率波动率用^^；^表示，其计算公式如下P max pminFRtf = Τε ~ Τε χ 100%(7)Pn式中，Pn代表额定功率[kW] ；^Γ1，乃Γ分别代表1时间段内最大与最小输出功率[kW]； 判断目标功率输出是否满足要求，需保证波动率^KRzi不超过设定的上限i^r1 FRte <FR^x(8)储能系统容量优化的目的就是获取满足波动率要求的最小补偿容量；实际分析结果表明，储能系统的补偿容量与补偿频段直接相关；一般来说，同样的频段宽度，高补偿频段所需储能系统容量会小于低补偿频段；在确定系统补偿频段时，采用试差法，从高频开始，逐渐将频段向低频段延伸，利用前面的分析方法检验补偿后的波动率是否满足要求，进而确定出既能满足波动率要求，又能保证储能系统容量尽可能小的补偿频段，进而获得针对该补偿频段的补偿后系统的理想化功率输出；13)根据系统功率输出的理想值，在考虑储能系统充放电效率等因素的影响下，确定能够保证储能系统连续稳定运行的储能系统功率输出，进而确定储能系统所需最大充放电功率，亦即其额定功率；在确定理想功率目标输出Ptl之后，所需储能系统的功率输出由列向量Pm = [pb0[l]，...，Pbo[n], ... , PbQ[Ns]]T 表示Pbo [n] =P0 [η]-Pg [η](9)Pbo[η]为正或为负，为正代表储能系统放电，为负代表充电；在实际储能系统中，其充放电过程中会有一定的损耗，储能系统充放电一个循环的效率称为储能系统综合效率，用 ηES表示；根据所需储能系统的功率输出值，考虑储能系统的综合效率，确定储能系统实际充放电功率，用 Pb = [Pb [ 1 ]，...，Pb [η]，...，Pb [NJ ]τ 表示:PbM = \Pb°[nVlESd(10)[Pbo[n]g]ES,c ^oW <0式中，I1es,。和IIes, 别代表储能系统充电效率和放电效率，若假定储能系统充放电效率相等，则Tfee=Tfed =V^;考虑到充放电功率损耗后，在放电时，储能系统实际放电功率扣除损耗后需满足所需放电功率要求，其值为所需放电功率除以放电效率；在充电时， 储能系统实际充电功率为所需充电功率扣除充电损耗后的值，应为所需充电功率乘以充电效率；经储能系统补偿之后的目标功率输出不但要满足功率波动约束，还要保证储能系统能够连续稳定运行；为此，要求在整个样本周期内，储能系统运行过程中满足净充(放)电电量为零，即
2.根据权利要求1所述的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于上述在确定储能系统容量前，首先需根据长时或短时波动平滑的应用场景选择合理的可再生能源输出功率样本数据。
3.根据权利要求1所述的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于上述样本数据的采样周期、数据片段长度参数直接与拟研究的具体问题相关，当储能系统用于平滑可再生能源的短时功率波动时，平滑时间尺度为秒级到数十分钟级。
4.根据权利要求1所述的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于上述当储能系统用于平滑可再生能源的长时功率波动时，储能系统主要用于补偿可再生能源功率输出与负荷需求间的不匹配性，其时间尺度是数十分钟级到小时级。
5.根据权利要求1所述的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于上述样本数据片段的长度选择需要满足片段内储能系统的放电量与充电量大致相等，扣除充放电功率损耗，当满足这一必要条件时，能保证储能系统平滑样本数据片段时的初始能量和结束时能量大体相等。
6.根据权利要求1所述的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于上述对于短时平滑输出模式，其数据片段长度选为1小时，对于长时平滑模式，数据片段长度选为1天。
7.根据权利要求1所述的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法，其特征在于上述由于光伏、风力发电等可再生能源具有较强的季节性，数据片段选取不同季节的典型日数据。
全文摘要
本发明是一种平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法。在确定储能系统容量前，选择合理的可再生能源输出功率样本数据,确定合理的可再生能源输出功率样本数据之后，可依次确定储能系统功率、容量及初始SOC状态。本发明针对目前平滑可再生能源输出波动场景下的储能系统容量优化方法所考虑的因素不全面，没有达到实用化的缺点提出了一种基于可再生能源输出功率频谱分析结果的平滑可再生能源发电输出波动的储能系统容量优化方法。该方法能够给出满足经储能系统补偿之后的目标功率输出波动率约束下的储能系统容量方案，实用、简单、快速且易于实现。
文档编号H02J15/00GK102377248SQ201110304960
公开日2012年3月14日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者刘中胜, 刘怡, 李勇琦, 申刚, 董旭柱, 郭力, 陆志刚, 陈波, 陈满, 饶宏 申请人:南方电网科学研究院有限责任公司