含dg区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法
【专利摘要】本发明公开一种含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，包括：监测每个时间点分布式电源出力和负荷数据并分别拟合出其概率分布函数；建立储能设备充放电的控制策略并得到其输出功率的控制规则；建立分布式电源与负荷的动态半不变量，得到储能设备的充放电功率的概率分布；建立以储存设备容量最小化为目标，储能设备的荷电状态作为不等式约束条件的配置优化模型，求解出储能设备的配置容量。本发明引入动态半不变量，将储能设备输出功率的概率分布约束在一定的置信度之下，并引入储能设备充放电功率控制策略实时使储能设备既不长时间运行于枯竭或饱和状态，又能充分利用储能设备的容量，确保区域电网孤岛模式下的电能质量与经济性。
【专利说明】含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及储能设备容量领域，更具体地，涉及一种含DG(分布式电源）区域电网 孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，该方法特别适用于故障情况解决含分布式电源 区域电网孤岛模式下稳定运行和经济性问题，避免储能设备容量枯竭或饱和。
【背景技术】
[0002] 永久性故障情况下，含分布式电源（Distributed Generation, DG)配网处于孤岛 运行方式时，通过对分布式电源进行调控，并在满足供电质量和负荷需求等前提下，实现系 统孤岛运行。在孤岛运行模式下，储能设备作为主控制单元，根据光伏出力、风机出力和负 荷情况进行综合调控，依靠储能设备维持微电网系统的电压和频率。然而，由于储能设备的 造价相对较高，如何经济高效地进行储能容量的选取仍为目前工程实际的一个难点。
[0003] 由于风电场、光伏电站的出力具有随机波动性，电力系统运行中负荷随时都在变 化，不可避免会突然出现大幅度的功率波动，希望通过储能装置使风电、光伏输出完全可 控，既不经济也不现实，亦即采取100%满足约束条件来配置混合储能装置，则其成本将极 大增加。此时若采取某一置信水平满足约束条件，将更具实际应用价值。
[0004] 机会约束规划的实质是在一定程度上考虑不确定因素，将传统优化中完全满足的 约束条件软化为满足约束条件的概率高于某一置信水平。如果能采用概率的方法，就可以 由给定的DG的出力和负荷的概率分布得到储能设备输出的概率分布情况，然后以它们作 为概率约束，使目标函数达到最优，得到系统最优运行方式。现有是采用同一种概率分布特 性来描述分布式电源出力和负荷变化，而实际DG出力和负荷的波动特性会随时间动态变 化，各个时刻的概率特性可能不同。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于提供一种含DG(分布式电源）区域电网孤岛模式下的储能设备容 量的配置方法，用于解决永久性故障情况下区域电网孤岛模式稳定运行和经济性问题，本 发明的配置方法是以一定的置信度确保孤网运行的可靠性与经济性，同时兼顾储能设备寿 命。
[0006] 本发明提供的一种含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，具 体包括以下步骤：
[0007] 1)监测各个时刻风电场的出力Pw，光伏电站的出力PPV及负荷为P lMd，并拟合出各 自的概率密度分布函数；
[0008] 2)建立储能设备充放电的控制策略得到储能设备输出功率的控制规则；
[0009] 3)建立DG和负荷动态半不变量，求出储能设备冲放电功率置信度；
[0010] 4)建立以储能设备容量最小化为目标函数，储能设备荷电状态作为不等式约束的 优化配置模型，并求解出储能设备的容量。
[0011] 风能、太阳能和电力负荷的波动具有一定的随机性，但其随机波动中蕴含有一定 的规律性，因此风电场出力Pw、光伏电站出力PPV及负荷PlMd可通过在各种确定性规律基础 上叠加相应的随机波动性来建立动态随机变量的概率模型。
[0012] 其中具体的过程为：
[0013] 1)监测各个时刻风电场的出力Pw，光伏电站的出力PPV及负荷为P lMd，并拟合出它 们的概率密度分布函数分别为：
[0014] 由式（1)可得变速恒频风力发电机出力Pw的概率密度分布函数：
[0015] Pw(t) = Pb(t) + Ab (1)
[0016] 式中：Pb(t)为基础函数，是各个时刻的风速在期望值情况下风力发电机的出力， Ab为变速恒频风力发电机出力中包含的随机波动成分；
[0017] 由式（2)可得光伏电站出力Ppv的概率密度分布函数：
[0018] Ppv(t) =Psm(t)-Asun (2)
[0019] 式中：Psm(t)为基础函数，是各个时刻的太阳能在期望值情况下光伏电站的出力， 随机变量表示大气层对太阳光照的阻碍作用；
[0020] 由式（3)可得负荷概率密度分布函数：
[0021] Pi〇ad(t) = Ρχ(?) + Δ1 (3)
[0022] 式中A (t)为日负荷曲线的基础函数为负荷的随机波动成份。
[0023] 2)建立储能设备充放电的控制策略，将储能设备的能量状态划分成3个区间，包 括分非工作区间、正常工作区间以及警戒工作区间即储能设备容易进入枯竭或饱和，其控 制策略分别为 ：
[0024] (21)当储能设备的荷电状态在工作区时，DG与负荷的差值确定储能设备的充放 电功率；
[0025] (22)当储能设备的荷电状态枯竭状态时，引导储能设备减少放电功率；当储能设 备的荷电状态处于饱和状态，采取弃风措施，防止储能设备过冲。
[0026] 3)建立DG和负荷的动态半不变量，求出储能设备冲放电功率的概率分布；所建立 DG和负荷的原点矩与半不变量的关系由式（4)获得，接着由分布式电源与负荷的基准函数 和Gram-charlier级数求出储能设备充放电功率的概率分布由式（5)得到：
[0027] 随机变量矩与半不变量的关系如式（4): Κγ - ocx K，= ou - a;
[0028]人W,:-3￥2 + 2< ⑷ K4 = a4 - 3a^ -4α,οτ. + \ 2a~a, -6a1
[0029] 式中，Km为随机变量的m阶半不变量，v = 1，2, 3, 4, a i为随机变量的i阶原点矩， i = 1,2,3,4 ；
[0030] 由Gram-charlier级数把随机变量的分布函数表达为由正态随机变量各阶导数 组成的级数，而其中级数的系数则由该随机变量的各阶半不变量构成，由此得到储能设备 充放电功率的概率密度分布函数可由式（5)得到：
【权利要求】
1. 一种含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，其特征在于，包括以 下步骤： 1) 监测各个时刻风电场的出力Pw，光伏电站的出力Ppv及负荷为PlMd，并分别拟合出其 各自的概率密度分布函数； 2) 建立储能设备充放电的控制策略得到储能设备输出功率的控制规则； 3) 建立DG和负荷动态半不变量，求出储能设备冲放电功率置信度； 4) 建立以储能设备容量最小化为目标函数，储能设备荷电状态作为不等式约束的优化 配置模型，并求解出储能设备的容量。
2. 根据权利要求1所述的含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，其 特征在于，所述步骤2)的风电场出力Pw、光伏电站出力P pv及负荷PlMd可由以下获得： 由式（1)可得变速恒频风力发电机出力Pw的概率密度分布函数： Pw (t) = Pb (t) + Δ b (1) 式中：Pb(t)为基础函数，是各个时刻的风速在期望值情况下风力发电机的出力，八，为 变速恒频风力发电机出力中包含的随机波动成分； 由式（2)可得光伏电站出力PPV的概率密度分布函数： Ppv(t) = Psun(t)-Asun (2) 式中：Psun⑴为基础函数，是各个时刻的太阳能在期望值情况下光伏电站的出力，随机 变量表示大气层对太阳光照的阻碍作用； 由式（3)可得负荷概率密度分布函数： Plead (t) = P1(t) + A1 (3) 式中巧⑴为日负荷曲线的基础函数为负荷的随机波动成份。
3. 根据权利要求1所述的含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，其 特征在于，将储能设备的能量状态划分成3个区间，包括分非工作区间、正常工作区间以及 警戒工作区间即储能设备容易进入枯竭或饱和，其控制策略分别为： (21) 当储能设备的荷电状态在工作区时，DG与负荷的差值确定储能设备的充放电功 率； (22) 当储能设备的荷电状态枯竭状态时，减少储能设备放电功率； (23) 当储能设备的荷电状态处于饱和状态，采取弃风措施，防止储能设备过冲。
4. 根据权利要求1所述的含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，其 特征在于，所述DG出力和负荷的原点矩与半不变量的关系由式（4)获得，接着由DG与负荷 的基准函数以及Gram-charlier级数求出储能设备充放电功率的概率分布如式（5)， 随机变量矩与半不变量的关系如式（4): - €Χγ - oc^ - CC, -^ , ⑷ - a, -3ala^ + 2a K4 = a4 - 3a; -4or,a, + 12α2α, -6α,' 式中，Km为随机变量的m阶半不变量，v = 1，2, 3, 4, a i为随机变量的i阶原点矩，i = 1,2, 3,4 ； 由Gram-Charlier级数把随机变量的分布函数表达为由正态随机变量各阶导数组成 的级数，而其中级数的系数则由该随机变量的各阶半不变量构成，由此储能充放电功率的 概率密度分布函数可由式（5)得到：
式中，gm = Km/ σ m，m = 3、4、一4,1为随机变量的m阶半不变量，σ m为随机变量标准 差的m次幂；Ν(γ) (X) ( γ = 1，2,. . .，4)为标准正态分布函数的γ阶导数，X为随机变量。
5.根据权利要求1所述的含DG区域电网孤岛模式下储能设备容量的优化配置方法，其 特征在于，建立以储能设备容量最小化为目标函数，储能设备荷电状态作为不等式约束，具 体由以下获得： 以设备储能容量最小化为目标函数，如式（6): F = minS (6) 式中，S分别为储能设备额定容量； 以储能设备充放电功率的置信度作为不等式约束，如式（7):
式中：仏￡和&为储能设备荷电状态的上下限，Soct为储能设备t时刻的荷电状态； ηΑ，ndis分别为储能设备充放电效率；p^，pd&分别为充放电功率；Z为储能设备额定容 量，△ t为储能设备充放电相邻两个时刻时间差，Eini为储能设备的初始容量，r为储能设备 充放电的第一个时刻，t为储能设备充放电的第t个时刻。
【文档编号】H02J3/38GK104092230SQ201410312857
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月2日 优先权日:2014年7月2日
【发明者】魏承志, 周红阳, 刘之尧, 文安, 苏杰和, 黄维芳, 刘年, 金鑫, 杨颖安, 史文博 申请人:中国南方电网有限责任公司