一种用于风光储优化配置的复合控制方法与流程

本发明属于多能源协调优化控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于风光储优化配置的复合控制方法。

背景技术：

风力发电作为清洁能源的一种，其发电方式具有改善能源供需矛盾、促进环保无污染、经济实惠可再生等优点。但是，风能自身存在的间歇性、随机性、波动性和不稳定性的特点，单一能源系统投入使用的话，必然会存在输出功率波动幅值偏大，电压突变冲击电网，输出功率不平稳等问题。这些问题无疑阻碍了新能源发电技术的进一步实践和应用。

例如文献“廖勇，何金波，姚骏，庄凯.基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制[j].中国电机工程学报，2009，29(18)：71-77.”中，提出采用模糊变桨距控制来限制发电机的转速运行范围，采用发电机转矩动态滑模控制来实现发电机输出平滑的有功功率。文献“jvpaatero，pdlund.effectofenergystorageonvariationsinwindpower[j].windenergy，2010，8(8)：421-441.”则提出基于低通滤波原理的储能控制方法，采用储能系统来对风电功率中的高频分量进行补偿，为此可以得到较为平滑的功率输出。

上述方案虽然在一定程度上改善了功率输出不平稳的问题，但有些控制策略没有加入储能系统的运用，所以风能资源利用率较低，同时也可能因为电池的过充过放，极大的影响电池的使用寿命。文献“kushiwata，sshishido，rtakahashi，tmurata.smoothingcontrolofwindgeneratoroutputfluctuationbyusingelectricdoublelayercapacitor[j].internationalconferenceonelectricalmachines&systems，2007：308-313.”提出采用电力电子元件结合储能系统的方法对风力发电机组的功率波动进行平抑，表现优良，但此方法需要添加新的硬件设备及装置，提高了系统的成本和控制难度。

在实际应用中，单一新能源的发电大多会配备相应的储能系统和功率波动平抑系统。风能与太阳能存在良好的互补性，即光电系统在白天能够达到输出峰值，而风电系统大多在夜晚达到输出峰值，两者结合互补不仅可以提高能源利用率，还可以减少相应储能系统的配置容量。因此，将风能、太阳能、储能系统联合运用起来，建立风光储混合发电系统，可以使新能源供电系统的可靠性、稳定性及经济性有显著的提高。

为评价系统功率平稳程度好坏，采用定义的功率平滑度性能指标psmooth。由以下公式可以计算：

式中，cins为电场的有效装机容量；pgrid为发电系统输入到电网的总功率大小，即并网功率，psmooth值越小，说明该发电场并入电网的功率越平滑。

由于风、光伏系统的采样数据是不连续的，可以对上式进行离散化处理，得到下式：

配置了储能系统的电场，其有功功率的输出分为两部分，一是直接送入电网，二是输出给储能系统。储能系统可以对电场的功率输出进行平抑，当电场的输出功率大于系统限定的最大并网功率时，多余的电能将储存在储能系统中，若储能系统的存电量状态此时达到负荷上限值，则将多余的电功率弃用；若电场输出的有功功率低于系统所限定的并网功率下限时，并网功率差额由储能系统放电加以补充，因此可以减小并网功率的波动值，实现功率平滑。

供电系统是通过风电系统和光伏系统两个系统共同工作提供功率，在系统的构造上，对于储能系统的配置提出两种状态：双储能系统dess(doubleenergystoragesystem)和单储能系统sess(singleenergystoragesystem)。

第一种状态为在风、光系统分别配备一套储能系统，对输出进行平滑处理，然后一起并网。第二种状态为风光系统先互补，然后配备一套储能系统，对输出进行平滑处理，最后并网。在这两种状态下对应储能系统容量的大小选取，对整个系统的影响也有不同。选取的方法分为以下三种：(1)dess中单个储能容量小于sess，且dess容量之和大于sess；(2)dess中单个储能容量等于sess；(3)dess中单个储能容量小于sess，且dess容量之和小于sess。

功率平滑参数可以描述为单位时间内允许的最大功率波动幅度，即在t时间内，功率的波动值不能超过δp。对t进行离散化处理，可得：

t＝nδt

式中：δt为单位采样时间，可知若δt取值越小，越趋近于真实值。为了保证功率的最大波动值不超过δp，那么可以将每个采样时段δt的功率波动值限定在δpτ范围内即可。如此，即便在最极端的情况下，即δpτ一直增大或一直减小，在t时间内功率的波动值也不会超过δp。

储能系统存电量比可表现为储能系统当前电量与储能系统配置容量之比，可用下式表示为：

式中：cess(i)为第i时段储能系统的实时电量；c为储能系统的配置容量。

s(i)能够比较准确且客观地描述储能系统的实时储能状态。当s(i)值较大时，说明储能系统存电量较多，空余储能空间较少，此时增大并网功率，更好地发挥其经济效益；当s(i)值较小时，说明储能系统存电量较少，空余储能空间较大，此时减小并网功率，产能输入储能系统，当系统处于发电低谷时，可以填补功率低谷，平滑功率输出。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于风光储优化配置的复合控制方法，以功率平滑参数和储能系统存电量比为基础，比较在不同储能系统配置状态及不同储能容量约束下的功率平滑度及其经济效益，实现风光储系统的复合控制。

为实现上述发明目的，本发明一种用于风光储优化配置的复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设定风光储系统、单储能系统和双储能系统的初值，并读入实测数据；

(2)、基于单、双两种储能系统，计算风光储系统在第i个时段的输出功率pout(i)；

其中，pgrid(i)为风光储系统在第i个时段的并网功率，表示风光储系统在第i个时段输出到储能系统的总功率，j＝1,2，j＝1表示单储能系统，j＝2表示双储能系统；pw(i)为风光储系统在第i个时段的弃用功率；

(3)、根据功率平滑参数δpτ对并网功率pgrid(i)进行修正，使并网功率pgrid(i)满足设定的功率波动阈值；

当pgrid(i)＞pgrid(i-1)+δpτ时，pgrid(i)＝pgrid(i-1)+δpτ；

当pgrid(i)＜pgrid(i-1)-δpτ时，pgrid(i)＝pgrid(i-1)-δpτ；

当pgrid(i-1)+δpτ＞pgrid(i)＞pgrid(i-1)-δpτ时，pgrid(i)保持不变；

(4)、确定风光储系统在第i个时段的工作状态，并进行资源调控；

当pout(i)＞pgrid(i)时，风光储系统输出的电能发送给电网，多余产能发送给储能系统，若储能系统处于满充状态，则弃掉多余电能；

当pout(i)＝pgrid(i)时，风光储系统输出的电能全部发送给电网，储能系统不工作；

当pout(i)＜pgrid(i)时，若储能系统的存电量足够负担pout(i)与pgrid(i)间的差值功率时，即δt表示单位采样时间，由风光储系统和储能系统共同负担功率输出，其中，风光储系统的产能全部输出给电网，其缺少的电能由储能系统补足；若储能系统的存电量不能够负担pout(i)与pgrid(i)间的差值功率时，即，则断开风光储系统与电网端的连接，风光储系统输出的电能全部输入到储能系统，当储能系统的存电量比s(i)达到预设阈值且风光储系统的产能大于零时，再次并入电网；

(5)、i＝i+1，进入到下一时间段，并返回步骤(2)，进行下一轮的复合控制。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种用于风光储优化配置的复合控制方法，通过以风光电场功率输出作为输入，根据存电量比约束确定并网功率大小，利用功率平滑参数约束对其进行修正，确定工作状态后进行充电、放电或离网运行等操作，为了防止储能系统过充过放电对其寿命的影响，对其存电量限定其上下限幅值，不仅使风光储系统功率波动显著降低，更具有一定的工程实际意义。

同时，本发明一种用于风光储优化配置的复合控制方法还具有以下有益效果：

(1)、通过利用存电量比和功率平滑参数对并网功率的修正，使得风光储系统并网功率波动显著降低。

(2)、通过确定工作状态后进行充电、放电或离网运行等操作，对风光储系统输出功率进行更高效的控制，降低了弃用能量，提高了能源利用率。

(3)、通过对存电量的上下限幅值进行限定，可以防止储能系统因过充或过放电对其寿命的影响，使得储能系统的经济性更高。

附图说明

图1是一种用于风光储优化配置的复合控制方法流程图；

图2是功率平滑前后并网功率对比图；

图3是功率平滑前后及单、双储能系统平滑度对比图；

图4是储能系统容量对离网时间的影响图；

图5是储能系统容量对离网次数的影响图；

图6是储能系统容量对离网次数的影响图；

图7是储能系统容量对储能系统经济效益的影响图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是一种用于风光储优化配置的复合控制方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种用于风光储优化配置的复合控制方法，包括以下步骤：

s1、设定风光储系统、单储能系统和双储能系统的初值，并读入实测数据；

在本实施例中，风光储系统包括风电系统和光电系统；设定的初值主要包括：系统运行时间、单位采样时间、风电系统装机容量、光电系统装机容量、储能系统容量、储能系统初始电量、功率平滑参数。

s2、基于单、双两种储能系统，计算风光储系统在第i个时段的输出功率pout(i)；

其中，pgrid(i)为风光储系统在第i个时段的并网功率，表示风光储系统在第i个时段输出到储能系统的总功率，j＝1,2，j＝1表示单储能系统，j＝2表示双储能系统；pw(i)为风光储系统在第i个时段的弃用功率；

其中，风光储系统在第i个时段的并网功率pgrid(i)的计算方法为：

s2.1、计算储能系统存电量比sj(i)：

其中，表示储能系统在第i个时段的存电量，j＝1,2，j＝1表示单储能系统，j＝2表示双储能系统；c^j表示储能系统的总容量；

其中，根据储能系统的功率平衡方程，可以用下面公式表示为储能系统在第i个时段的存电量

在储能系统充电时，表示为：

在储能系统放电时，表示为：

整理上面两式，从第0时刻累加至第i时刻，可得

充电时，表示为：

放电时，表示为：

式中：为第0时段储能系统的电量，即为该系统的初始电量值；ηc为储能系统的充电效率；ηd为储能系统的放电效率；为储能系统输入到电网端的有功功率。

储能系统的运行可用实时电量的曲线来描述，可知，曲线上最大值与最小值之差即为该功率平滑控制系统所配置的储能系统的最低总容量阈值cmin，所以储能系统的容量选值需大于等于此阈值。

s2.2、根据储能系统第i-1个时段的存电量计算第i个时段并入到电网端的并网功率pgrid(i)：

pgrid(i)＝pder·sj(i-1)

其中，pder表示风光储系统的额定输出功率。

s3、根据功率平滑参数δpτ对并网功率pgrid(i)进行修正，使并网功率pgrid(i)满足设定的功率波动阈值；

当pgrid(i)＞pgrid(i-1)+δpτ时，pgrid(i)＝pgrid(i-1)+δpτ；

当pgrid(i)＜pgrid(i-1)-δpτ时，pgrid(i)＝pgrid(i-1)-δpτ；

当pgrid(i-1)+δpτ＞pgrid(i)＞pgrid(i-1)-δpτ时，pgrid(i)保持不变；

在本实施例中，如图2所示，经过两种不同储能系统平滑后的并网功率明显波动变得更加平稳，且sess的并网功率比dess更加平滑，没有出现功率跳变。由图3可知，经两种不同的储能系统平滑后的平滑度psmooth值远小于平滑前，并且sess的平滑度略优于dess的平滑度。

s4、确定风光储系统在第i个时段的工作状态，并进行资源调控；

当pout(i)＞pgrid(i)时，风光储系统输出的电能发送给电网，多余产能发送给储能系统，若储能系统处于满充状态，则弃掉多余电能；

当pout(i)＝pgrid(i)时，风光储系统输出的电能全部发送给电网，储能系统不工作；

当pout(i)＜pgrid(i)时，若储能系统的存电量足够负担pout(i)与pgrid(i)间的差值功率时，即δt表示单位采样时间，由风光储系统和储能系统共同负担功率输出，其中，风光储系统的产能全部输出给电网，其缺少的电能由储能系统补足；若储能系统的存电量不能够负担pout(i)与pgrid(i)间的差值功率时，即则断开风光储系统与电网端的连接，风光储系统输出的电能全部输入到储能系统，当储能系统的存电量比s(i)达到预设阈值且风光储系统的产能大于零时，再次并入电网；

s5、i＝i+1，进入到下一时间段，并返回步骤s2，进行下一轮的复合控制。

实例

为了说明本发明的技术效果，基于某风光电场数据信息为例，比较处于不同状态时的储能系统的并网功率、功率平滑度、系统存电量、离网时间、离网次数、弃用电量和经济效益，并进行仿真分析。

在储能系统工作的周期内，发电量可以通过以下公式来计算：

式中：eout为一个设定周期内风光储系统所产生的发电总量，mw·h；d为系统总运行天数，day；t为一天中整个系统的运行时间，hour。

并入电网的电量可以通过以下公式计算：

式中：为一个设定周期内，电场直接输入给电网总电量，mw·h；为风光储系统输入电网端的有功功率。

通过电场输入到储能系统的电量可以表示为

式中：为一个设定周期内，储能系统所充入电量，mw·h；为风光储系统输出到储能系统的功率；

对dess的离网时间及离网次数定义为：光伏电场和风电场离网运行的时间之和；光伏电场和风电场分别离网次数之和。

利用储能系统提高的经济效益可以表示为：

式中：kd2g为电场输给电网的入网电价，元/mw·h；kess则为储能系统的入网电价，元/mw·h。

利用储能系统，扩大风光储系统规模带来的环境效益可以等价为，通过加入储能系统带来的节能减排效益，如下式计算：

式中：kh为火电厂(heat-engineplant)生产单位电能带来的排放成本，元/mw·h。

综合储能系统及风光储系统的发电效益、环境效益、初始成本的投资以及其运行维护的费用，总的经济效益可以表示为：

c(e)＝b(e)+r(e)-1000·c·m-c·n·y

式中：c(e)为储能系统的总经济效益，万元；m为配置单位储能系统的容量价格，万元/(mw·h)；n为配置单位储能系统的总维护费用，万元/(mw·h)/year；y为使用年份。

其中，光电系统的有效装机容量cpv为50mw，风电系统的有效装机容量cwind为100mw。风、光系统的采样时间间隔cmin均为5min。光电系统与风电系统的平均输出功率分别为19.25mw和36.02mw。选取dess的容量cdess为20mw·h，sess的容量csess为30mw·h，且储能系统初始存电量比s(i)均为50％，即dess的初始电量为10mw·h，sess的初始电量为15mw·h。可以明显看出，sess的容量小于dess的容量。设定功率波动值δp＝0.1cder，即dess中，光电功率波动值为δppv＝0.1cpv，风电功率波动值为δpwind＝0.1cwindδpwind＝0.1cwind。sess的功率波动值为δpsess＝0.1csess。

实验发现，dess中光电系统离网运行了495min，风电系统离网运行了910min，风、光系统同时离网运行0min；sess中，离网运行了0min。在此期间，dess中的光电系统的弃用电量为81mw·h，风电系统的弃用电量为385.35mw·h，合计弃用电量为466.35mw·h；而sess中，弃用电量为0mw·h。可以看出，sess完全没有离网运行且弃用电量为零，表现比dess更加优秀。

为计算经济效益，在前面算例的基础上再加入以下计算条件：储能系统的造价为6300000元/(mw·h)；储能系统维护费用为27.4元/(mw·h)/day即10000元/(mw·h)/year；光电系统、风电系统及储能系统输出至电网端的入网电价为400元/(mw·h)，且排放成本kh按230元/(mw·h)计算。运行时间一年365天，经计算得到光电系统经济效益cpv(e)为16.6715亿元，风电系统经济效益cwind(e)为25.0706亿元，求和得到dess的经济效益cdess(e)为41.7421亿元，sess的经济效益csess(e)为46.9473亿元。sess比dess多5.2052亿元，显然sess的经济效益优于dess。

图4是储能系统容量对离网时间的影响图。

图5是储能系统容量对离网时间的影响图。

图6是储能系统容量对离网次数的影响图。

图7是储能系统容量对储能系统经济效益的影响图。

图4至图7的坐标横轴意义为：sess的总容量和dess的总容量，为简化问题，令dess中光伏系统的储能系统和风电系统的储能系统容量一致，即dess中单个储能系统容量为sess的一半。

由图4可以看出，在对离网时间的影响上，sess对其影响大小明显小于dess；由图5和图6可以看出，在对弃用电量和离网次数的影响上，随着储能容量cσ的增大，采用sess结构比采用dess结构的系统，效果更理想。

通过图7可以看出，对储能系统经济效益的影响上，sess明显表现出比dess有更大的经济效益。甚至在sess选取更小容量时，其储能系统经济效益仍然比dess优秀。

可以发现在sess恰好能完全消纳新能源电场生产的电能时，sess的经济效益csess(e)取得最大值。并且随着sess的消纳能力越强，新能源电场的输出电能总电量不变，增大容量使成本增大，所以sess的经济效益开始线性减少。而dess一直在增大的原因也显而易见，即容量值一直没有达到完全消纳能量的零界点。

在功率平滑参数和储能系统存电量比为基础的复合算法计算下，sess的平滑度性能指标优于dess，说明sess可以更好的平抑新能源发电系统的有功功率波动。

根据多个储能系统容量约束仿真结果显示，sess在对离网时间、弃用电量、离网次数及储能系统经济效益的影响明显优于dess。并且该算法中，为了防止储能系统过充过放电对其寿命的影响，对其存电量限定其上下限幅值，使之更有实用意义。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。