一种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法。通过对微型燃气轮机、蓄电池、超级电容器的协调控制，平抑系统功率波动，保证系统功率平衡，微型燃气轮机的输出功率用于补偿功率缺额和平抑低频段功率波动，降低储能装置的配置容量。由于风力发电输出功率波动较大，含有高频分量和低频分量，除依靠微型燃气轮机补充系统功率平衡外，还利用能量型储能装置蓄电池和功率型储能装置超级电容器保证功率平抑的准确性和快速性。通过实时跟踪调节滤波器时间常数T，使得缺额功率在储能装置之间得到更为合理分配，减小储能装置荷电状态越限概率，充分利用不同种类储能装置的优势，满足系统功率平衡。
【专利说明】-种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法，属新能源技术领 域。
【背景技术】
[0002] 随着环境问题和能源危机的日趋严重，传统电力系统通过消耗化石燃料来产生电 能以及长距离传输的方式已难以满足节能减排、减轻环境污染、降低网损、改善电能质量和 提高供电可靠性等要求，世界各国都在大力开发新能源及可再生能源和推动智能电网新技 术的发展，以提高可再生能源发电的比重和满足用户对电能质量和供电可靠性的更高要 求。因此，一种由光伏发电、风力发电、微型燃气轮机和储能装置等组成的多元互补发电系 统应用而生。
[0003] 多元互补新能源发电系统主要目标是充分利用间歇性新能源发电，满足负荷功率 需求，提高系统效率。在外界环境和自然因素的影响下，间歇性新能源发电（风力发电和光 伏发电）输出功率的随机性和波动性，负荷功率的随机波动给电网的稳定运行带来了新挑 战，如何使系统内部功率平衡，安全稳定运行，能量优化分布成为了多元互补新能源发电系 统实现高效经济运行的关键。多元互补发电系统中间歇性新能源、微型燃气轮机和储能装 置等典型分布式能源的功率响应特性各异，多时间尺度的能量协调优化方法更具工程应用 价值。
[0004] 多元互补新能源发电系统中分布式能源机组的时间响应特性差别较大，按照时间 尺度分类：分钟级（风力发电、光伏发电等）、秒级（微型燃气轮机、柴油发电机等）、毫秒级 (储能装置），另外，各类负荷的响应速度也不相同，因此，多元互补发电系统的能量优化较 为复杂。采用固定功率输出且不计及时间响应的能量优化方法难以保证电网的稳定经济运 行，应通过多时间尺度能量协调优化并计及电能质量指标，实现多种分布式能源与负载之 间最佳的能量匹配，即时-分-秒时间尺度的能量协调优化方法。其中，多元互补发电系统 的优化运行和机组组合优化属于运行发电计划的制定，优化时间尺度为"时"，微型燃气轮 机等机组承担功率缺额，其功率输出存在延时，优化时间尺度为"分"，储能装置的响应速度 较快，优化时间尺度为"秒"。
[0005] 多元互补发电系统通过相应的控制和各子系统之间的有效协调，使得功率得到有 效传递，满足所连负载需求。随着科技发展和进步，风力发电系统（wind power generation systems，WPGS)的建设成本和运行成本不断降低，将接近与传统化石燃料发电。随着半导 体制造技术的发展，光伏电池的效率和装机容量明显增大，光伏发电系统（photovoltaic systems, PVS)的成本也明显降低。然而，和风力发电相比，光伏发电的能量转换效率和功 率密度较低，成本较高，所以大型光伏电站可产生足够的电力供给分散的孤立负荷，或通过 DC-AC转换器将功率输送到公用电网。燃料电池可以利用传统的化石燃料，如煤、石油、天然 气，或含氢分子的回收能量，如沼气、甲醇等，燃料电池的发电方式和传统的热电厂完全不 同。燃料电池发电具有高效率，低污染，上门安装调试，排出的热量和水可重复利用，燃料多 样性等优势。
[0006] 在另一方面，多元互补发电系统的能量存储子系统发挥着重要作用，并在适当的 时刻存储和释放电能。飞轮储能系统（FESS)系统通过飞轮以动能的方式存储电能，它可 以被称为"动能电池"。FESS的优点是能量存储密度高，与系统功率交换效率高，80-90%的 高转换效率和无污染设计。当集成连接到弱电和含风力发电或其它可再生能源发电的孤 岛电力系统中，飞轮储能可以提供一个有效的短期存储用于过滤风功率波动。电池储能系 统（BESS)以直流形式存储电能，它需要整流电路，充电电路和DC-AC逆变器与交流系统交 换电能。超级电容器（SC)利用双电层原理直接存储电能，容量介于蓄电池和传统电容器之 间。SC具有体积小、质量轻、功率密度高、动态响应快、循环使用寿命长等优点。
【发明内容】
[0007] 本发明所考虑的多元互补发电系统中包含分布式电源和各类储能装置，并且负荷 结构较复杂，波动较大，系统中能量协调优化较困难。另外，风力发电输出功率波动较为剧 烈，功率波动中高频分量所占比例较高，光伏发电输出功率波动较为缓慢，功率波动中低频 分量所占比例较高，可见，风力发电给分布式电源和储能装置的协调运行，以平抑功率波 动，保证功率平衡提出了更高的要求。为此，以含风力发电的多元互补发电系统为例，重点 分析系统运行过程中"分-秒"时间尺度优化过程，协调微型燃气轮机、蓄电池、超级电容器 输出功率来弥补系统功率缺额，平抑功率波动，保证良好的电能质量指标。
[0008] 1风速模型及风力发电输出功率特性
[0009] 在风力发电系统中，风速的模拟是关键的环节，正确的风速模型不仅能够很好的 反应实际风速变化情况，而且能够给风力发电系统研究提供正确的源参数。风力发电机组 的发电量取决于风速。风速建模为基础风速、阵风风速、斜坡风速和噪声风速的代数和。以 下是不同风速分量的相关方程。
[0010] 基本风速分量可表示为：
【权利要求】
1. 一种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法，其特征在于所述的多元互补新 能源发电系统包括风力发电机、微型燃气轮机、蓄电池、超级电容器、负荷及控制系统，通过 对微型燃气轮机、蓄电池、超级电容器的协调控制，平抑系统功率波动，保证系统功率平衡， 微型燃气轮机的输出功率用于补偿功率缺额和平抑低频段功率波动，降低储能装置的配置 容量，由于风力发电输出功率波动较大，含有高频分量和低频分量，除依靠微型燃气轮机补 充系统功率平衡外，还利用能量型储能装置蓄电池和功率型储能装置超级电容器保证功率 平抑的准确性和快速性，控制系统负责多元互补新能源发电系统的调控。
2. 如权利要求1所述的一种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法，其特征在 于所述的利用能量型储能装置蓄电池和功率型储能装置超级电容器的特点，保证功率平抑 的准确性和快速性，具体为： 采用一阶低通滤波的方法区分较大时间尺度功率波动和较小时间尺度功率波动，其 中，较小时间尺度功率波动采用超级电容器承担，较大时间尺度功率波动采用蓄电池承担， 所述的一阶低通滤波的传递函数为：
其中，s为拉普拉斯变量，T表示一阶低通滤波器的时间常数，由式可知，一阶低通滤波 器的截止频率与滤波器时间常数T的大小有关，当T发生变化时，滤波效果随之发生变化， T的大小与蓄电池和超级电容器承担的功率缺额有关，T越大，蓄电池承担的功率部分变化 更为平滑，超级电容器承担的功率比重越大，反之，T越小，蓄电池承担的功率变化时间尺度 越小，则蓄电池承担功率与总功率缺额趋于一致，超级电容器承担功率比重越小，故通过实 时调节T的大小来调整其滤波效果，使协调控制具有自适应性，保证功率缺额在不同储能 装置之间合理分配。
3. 如权利要求1所述的一种多元互补新能源发电系统的能量协调优化方法，其特征在 于所述的滤波器的时间常数T调整的方法为： 为保证蓄电池和超级电容器各自特点得到成分发挥，并延长二者的使用寿命，缺额功 率分配由二者的荷电状态SOC决定，蓄电池的SOC安全工作区间为0. 2-0. 8,优化区间为 0. 4-0. 6,超级电容器的SOC安全工作区间为0. 1-0. 9,优化区间为0. 4-0. 8,在优化区间内， 储能装置具备较强的充放电能力，且利于延长其循环寿命，为此，荷电状态在非优化区间 时，应根据蓄电池和超级电容器的SOC得出合理的变化量AT，实时跟踪调节滤波器时间常 数T，进而分配缺额功率，减小进入非安全区间的概率，因此定义储能系统的平均SOC为：
其中為ESS和'分别为蓄电池和超级电容器的容量，s〇cBESS和SOCs。分别为蓄电池和超 级电容器的荷电状态；滤波器时间常数变化量AT为：
滤波器时间常数为： T2 =I\±AT(13) 其中，为调整前的滤波器时间常数，T2为调整后的滤波器时间常数；滤波器时间常数T调整规则如下： (1) 充电过程 a. 如果SOCBESS不位于优化区间，则T2 =I\+AT，当SOCBESS >SOCsc时，AT> 0,滤波器 时间常数增大，蓄电池充电功率减小，对应的超级电容器充电功率增大，二者的荷电状态趋 于系统平均荷电状态，便于发挥各自特点优势；当SOCbESS <SOCs。时，AT< 0,滤波器时间 常数减小，蓄电池充电功率增大，对应的超级电容器充电功率减小，同样，二者的荷电状态 趋于系统平均荷电状态；当SOCBESS =SOCs。时，AT保持不变； b. 如果SOCBESS位于优化区间，则进一步判断SOCs。是否位优化区间，如果不位于优化区 间，AT调节同a; (2) 放电过程 c. 如果SOCBESS不位于优化区间，则T2 =T「AT，当SOCBESS >SOCsc时，AT> 0,滤波器 时间常数减小，蓄电池放电功率增大，对应的超级电容器放电功率减小，二者的荷电状态趋 于系统平均荷电状态，便于发挥各自特点优势；当SOCbESS <SOCs。时，AT< 0,滤波器时间 常数增大，蓄电池放电功率减小，对应的超级电容器放电功率增大，同样，二者的荷电状态 趋于系统平均荷电状态；当SOCBESS =SOCs。时，AT保持不变； d. 如果SOCBESS位于优化区间，则进一步判断SOCs。是否位优化区间，如果不位于优化区 间，AT调节同c。
【文档编号】H02J3/32GK104410092SQ201410743868
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】刘永亭 申请人:国网新疆电力公司经济技术研究院