一种储能缓存器容量的确定方法与流程

本发明属于电力领域，尤其涉及一种储能缓存器容量的确定方法。

背景技术：

由于电网有限的接纳能力，可再生能源并不能被充分利用，进而发展出了分布式电源直流配电技术，同时储能缓存技术也引发了大家的关注。在电力系统中，储能技术可以起到削峰填谷、平抑可再生能源输出波动、提高新能源接纳能力以及改善电能质量的作用，并且在多个场合中得以应用。在电力分组调度系统中，由于分组传输的断续性，会造成电力供应的间断，而缓存储能的应用可以有效解决该问题。如何确定缓存器容量是目前急需解决的技术问题。

技术实现要素：

本申请提出了一种储能缓存器容量的确定方法，该方法着重对直流电力分组传输系统中的储能缓存器容量进行了分析。利用一阶电路三要素法推导出电容容量表达式，将其应用到电力分组系统中，得出缓存器容量范围，建立了缓存器和负载之间的关系。基于其关系，从时分复用的角度分析了系统可容纳负载数量问题。通过减小电力包的有效载荷持续时间等来满足更多负载的需求。这一研究在一定程度上既减少了投资成本，又使电力资源得到了有效利用。

一种储能缓存器容量的确定方法，具体如下：

第一步，将电力分组传输系统模型等效为一阶电路图，利用一阶电路三要素法，对电容值进行分析。

第二步，在电容充、放电时刻，根据三要素，得到初始值，稳态值，时间常数，并推导出电容电压的表达式，分析电容，电阻，电压三者的关系

第三步，从电容充电角度分析，推导出缓冲器电容容量的取值范围

第四步，为实现n个负载传输，利用时分复用的思想，得到一个周期内时间的表达式，考虑到负载的有效载荷持续时间和负载的等待时间，进一步推导出负载个数n的取值范围，求出n值的最大整数解。

其中，缓存器容量分析具体为：

为便于电容值的分析，将电力分组传输系统模型等效为简单的一阶电路图，实际用电器中既有容性负载，又有感性负载，在此，本文将考虑理想电阻以降低分析复杂性，并且考虑到电容特性，分析电路时将涉及微分方程。对于此电路图，本文采用三要素法进行分析。一阶电路三要素包括初始值f(0+)、稳态值f(∞)和时间常数τ，三要素法通式为：

其中，在电容充电时刻，分析电容、电压、电阻三者之间的关系具体为：

根据电力分组调度系统的原理，在电力包未到达路由器之前，电路中的开关处于断开状态，此时可以得到电容电压的初始值。当电力包到达路由器时，路由器会根据包上的标签信息选择开关，开关闭合之后，电路处于稳定状态，可得到当前稳态值。时间常数τ＝r0c，其中r0表示换路后从电容c看进去的戴维南等效电阻。

充电时刻的三要素为：

初始值：

uc(0+)＝uc(0-)＝0

稳态值：

时间常数：

式中：uc表示电容电压，v表示源电压,c为电容电压，r表示传输线上的电阻，rl表示负载电阻。将上述各参数代入三要素法的通式中，化简得：

式中：t1为电容充电时间。

其中，在电容放电时刻，分析电容、电压、电阻三者之间的关系具体为：

电容放电时的分析方法与充电时类似，路由器转发电力包过程中，开关处于闭合状态。当读取到电力包的尾部信息时，表示该电力包传输结束，开关断开。

放电时刻的三要素为：

初始值：

稳态值：

uc(∞)＝0

时间常数：

τ＝rlc

将上述各参数代入三要素法的通式中，得：

式中：t2为电容放电时间。

为了简化分析，我们将式子化简为

将式子化简为

其中，在电容充电角度进行分析，确定电容范围具体为：

从电容充电角度分析，令r＝vc/v，其中，r表示可容许电压降，vc表示此时的电容电压，v表示电压峰值^[20]。ton代替t1，ton为电容充电时间。代入公式经简单变换，得到：

对于电容来说，时间常数越小，充放电速度越快。一般情况下r＜rl，所以电容放电时间比充电时间长，即ton≤toff(toff为电容放电时间)。由可推导出：

因为r＜rl，则缓冲器的电容容量可表示为：

其中，为实现n个负载传输，利用时分复用的思想，考虑到负载有效载荷持续时间和负载等待时间的限制，进一步推导出负载个数n的取值范围，具体为：

为减少投资成本，与负载并联的电容值不能过大。同时也要考虑到满足n个负载在同一根电力线上的传输，容值不能太小，防止给n个负载传输电力的过程中会有用户发生电力中断。因此，为实现n个负载传输，利用时分复用的思想，如图4所示，一个周期的时间t要满足：

式中：表示传输给第i个负载的电力包的有效载荷持续时间。

为了不使传输过程中电力包发生重合，第i+1个负载到第n个负载的有效载荷持续时间和必须小于第i个负载的等待时间，即要满足：

…

将上述各式彼此进行相加，得：

假设有一固定电容值，为了使该电容值满足n个负载使用，也就是说在与n个用户并联的电容容值相同的情况下，负载可以正常工作。则每个负载的等待时间必须满足：

…

依次相加，得：

综合以上式子，可以得到以下关系式：

对上式进一步变换，得：

所以n值即为最大整数解。

本申请的有益效果如下：

本申请提出了一种储能缓存器容量的确定方法，该方法着重对直流电力分组传输系统中的储能缓存器容量进行了分析。利用一阶电路三要素法推导出电容容量表达式，将其应用到电力分组系统中，得出缓存器容量范围，建立了缓存器和负载之间的关系。基于其关系，从时分复用的角度分析了系统可容纳负载数量问题。通过减小电力包的有效载荷持续时间等来满足更多负载的需求。这一研究在一定程度上既减少了投资成本，又使电力资源得到了有效利用。

附图说明

图1是基于直流电力分组传输的缓存储能研究流程图；

图2是电力分组传输系统模型；

图3是电力包调度系统等效电路图；

图4是一个周期内持续时间表示。

具体实施方式

本发明专利的核心思想是：着重对直流电力分组传输系统中的储能缓存器容量进行了分析。利用一阶电路三要素法推导出电容容量表达式，将其应用到电力分组系统中，得出缓存器容量范围，建立了缓存器和负载之间的关系。基于其关系，从时分复用的角度分析了系统可容纳负载数量问题。通过减小电力包的有效载荷持续时间等来满足更多负载的需求。这一研究在一定程度上既减少了投资成本，又使电力资源得到了有效利用。

为解决上述问题，本专利提供的技术方案如下：

第一步，将电力分组传输系统模型等效为一阶电路图，利用一阶电路三要素法，对电容值进行分析。

第二步，在电容充、放电时刻，根据三要素，得到初始值，稳态值，时间常数，并推导出电容电压的表达式，分析电容，电阻，电压三者的关系

第三步，从电容充电角度分析，推导出缓冲器电容容量的取值范围

第四步，为实现n个负载传输，利用时分复用的思想，得到一个周期内时间的表达式，考虑到负载的有效载荷持续时间和负载的等待时间，进一步推导出负载个数n的取值范围，求出n值的最大整数解。

通过分析和推导，可以确定电容、负载阻值和电力包有效载荷持续时间之间的数学关系。下面对上述方案涉及到的关键步骤进行说明：

1、缓存器容量分析

为便于电容值的分析，图2可以等效为简单的一阶电路图，如图3所示。实际用电器中既有容性负载，又有感性负载，在此，本文将考虑理想电阻以降低分析复杂性，并且考虑到电容特性，分析电路时将涉及微分方程。对于此电路图，本文采用三要素法进行分析。一阶电路三要素包括初始值f(0+)、稳态值f(∞)和时间常数τ，三要素法通式为：

2、在电容充电时刻，分析电容、电压、电阻三者之间的关系

根据电力分组调度系统的原理，在电力包未到达路由器之前，电路中的开关处于断开状态，此时可以得到电容电压的初始值。当电力包到达路由器时，路由器会根据包上的标签信息选择开关，开关闭合之后，电路处于稳定状态，可得到当前稳态值。时间常数τ＝r0c，其中r0表示换路后从电容c看进去的戴维南等效电阻。

充电时刻的三要素为：

初始值：

uc(0+)＝uc(0-)＝0

稳态值：

时间常数：

式中：uc表示电容电压，v表示源电压,c为电容电压，r表示传输线上的电阻，rl表示负载电阻。将上述各参数代入三要素法的通式中，化简得：

式中：t1为电容充电时间。

3、在电容放电时刻，分析电容、电压、电阻三者之间的关系

电容放电时的分析方法与充电时类似，路由器转发电力包过程中，开关处于闭合状态。当读取到电力包的尾部信息时，表示该电力包传输结束，开关断开。

放电时刻的三要素为：

初始值：

稳态值：

uc(∞)＝0

时间常数：

τ＝rlc

将上述各参数代入三要素法的通式中，得：

式中：t2为电容放电时间。

为了简化分析，我们将式子化简为

将式子化简为

4、在电容充电角度进行分析，确定电容范围

从电容充电角度分析，令r＝vc/v，其中，r表示可容许电压降，vc表示此时的电容电压，v表示电压峰值。ton代替t1，ton为电容充电时间。代入公式并经简单变换，得到：

对于电容来说，时间常数越小，充放电速度越快。一般情况下r＜rl，所以电容放电时间比充电时间长，即ton≤toff(toff为电容放电时间)。则由可推导出：

因为r＜rl，则缓冲器的电容容量可表示为：

5、为实现n个负载传输，利用时分复用的思想，考虑到负载有效载荷持续时间和负载等待时间的限制，进一步推导出负载个数n的取值范围。

为减少投资成本，与负载并联的电容值不能过大。同时也要考虑到满足n个负载在同一根电力线上的传输，容值不能太小，防止给n个负载传输电力的过程中会有用户发生电力中断。因此，为实现n个负载传输，利用时分复用的思想，如图4所示，一个周期的时间t要满足：

式中：表示传输给第i个负载的电力包的有效载荷持续时间。

为了不使传输过程中电力包发生重合，第i+1个负载到第n个负载的有效载荷持续时间和必须小于第i个负载的等待时间，即要满足：

…

将上述各式彼此进行相加，得：

假设有一固定电容值，为了使该电容值满足n个负载使用，也就是说在与n个用户并联的电容容值相同的情况下，负载可以正常工作。则每个负载的等待时间必须满足：

…

依次相加，得：

综合以上式子，可以得到以下关系式：

对上式进一步变换，得：

所以n值即为最大整数解。

由上式可以确定电容、负载阻值和电力包有效载荷持续时间之间的数学关系，对此数学关系进行深一步的说明及验证。

首先考虑负载阻值与负载个数之间的关系。当设定每个负载的阻值范围，每个电容的电容值，可容许电压降以及有效载荷持续时间后，可分析出有效载荷持续时间相同时，n随着阻值r的增加而上升，也就是说每个负载配备一个相同电容时，负载阻值越大，系统可以容纳更多的负载。另外，负载阻值相同时，有效载荷持续时间值越大，可容纳的负载数越少。

其次，考虑有效载荷持续时间与负载个数之间的关系。设定每个负载的阻值范围以及有效载荷持续时间，而其他变量保持不变。可以分析出负载阻值一定时，有效载荷持续时间增加，负载个数减少。此外，当有效载荷持续时间相同时，随着负载阻值的增大，负载个数呈现增加趋势。因此，在以时分复用的方式传输电力包时，为了满足更多负载的需求，有效载荷持续时间应设置小一些。通过进一步的分析，我们可以得出负载阻值一定时，最佳周期同时受有效载荷持续时间和负载个数两个条件的制约。

当考虑可容许电压降与负载个数之间的关系时，我们设定负载阻值的取值范围，有效载荷持续时间，电容值，以及电压降的变化范围，通过分析，我们可以得出随着可容许电压降的增加，负载个数也会增多。因此，可以通过提升可容许电压降，来保证更多负载正常运行。

最后，我们考虑电容与负载个数之间的关系，当设定电压降，负载阻值，有效载荷持续时间以及电容的取值范围后，我们可以分析出当负载阻值一定时，随着电容值增加，负载个数也会增加。此外，也可以分析出负载阻值越小，若要实现系统容纳的负载更多，所需要的电容值越大。

基于上述分析，由于电力电子器件的存在，加入电容之后，不同的电容值会对负载端造成不同的影响。电容值的确定会受到系统中传输速率的影响，并不是越大越好。因此，为了使添加电容之后既能实现连续电力传输，又不影响负载特性，电容值范围的确定是尤为重要的。当系统中的传输速率使得网络中的输入阻抗的电抗部分接近零时，表明负载的输出电压与电流相位同步，此时的电容值即为最佳缓存器容量。

本申请的有益效果：

(1)将以往的两源两负载系统模型通过在负载侧并联电容之后变换成一源多负载系统模型，考虑多于两个负载情况下利用电力包实现连续的电力供应，这样可以更好地应用于实际生活中。

(2)将一阶电路图中电容充放电的思想应用到电力分组调度系统中，简化了分析过程，进而推导出满足源与负载之间连续电力传输的最小电容容量。

(3)为了满足n个负载在同一根电力线上的传输，且不使传输过程中电力包发生重合，利用时分复用的思想，结合一个周期的时间得出负载个数与有效载荷持续时间、负载等待时间之间的关系。

(4)给定一电容值之后，可以根据式确定该直流电力分组传输系统可以为多少个负载提供连续的电力传输。

(5)考虑到电力电子技术在配电系统负载中的大量渗透，其非线性特性愈加明显，电路中电容元件对负载的影响越来越大。所以，为了使添加电容之后既能实现连续电力传输，又不影响负载特性，电容值范围的确定是尤为重要的。当系统中的传输速率使得网络中的输入阻抗的电抗部分接近零时，表明负载的输出电压与电流相位同步，此时的电容值即为最佳缓存器容量。

(6)将电力分组调度系统与一阶电路有效结合，得到负载个数与电力包有效载荷持续时间、电容容量、负载阻值、可容许电压降之间的关系，为之后储能容量的进一步研究提供了依据。

(7)基于直流电力分组传输的缓存储能模型，该方法可以减小将电力传输到负载时的电压波动，实现电源和多个负载之间连续电力传输。

(8)基于直流电力分组传输的缓存储能模型，该方法不仅可以减少投资成本，而且可以使电力资源得到有效利用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本申请所示的实施例，而是要符合与本申请所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。