本发明涉及一种适用于并网光伏系统的，考虑变流器影响的超级电容器-蓄电池容量的优化配置方法，属于发电
技术领域：
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背景技术：
：光伏等可再生能源发电系统输出功率波动大，在其运行过程中会产生一系列的问题，如引起电网运行不稳定、供电电能质量差、参与电网调度困难等。在系统中加入储能装置可以有效解决上述问题，由超级电容器和蓄电池构成的混合储能系统是高性能、低成本储能系统的最优构成形式，其关键问题是如何进行容量的优化配置。蓄电池技术成熟、性能可靠，但循环寿命短，频繁大功率小容量充放电会极大地缩短蓄电池的使用寿命。而超级电容器循环寿命长、功率密度大、充放电速度快。超级电容器与蓄电池相结合可以组成混合储能系统，通过电力电子变流器进行协调充放电控制，超级电容器承担高频功率部分，蓄电池负责低频功率部分，这样可以实现超级电容器和蓄电池的优势互补，在保障电能质量的同时，可以提高储能系统的整体性能、延长储能系统运行年限。变流器是储能系统中不可缺少的重要部件，混合储能系统的总投资成本应该包括变流器的购置成本、运行成本和处置成本。然而现有的混合储能系统容量配置方法大多没有将变流器的影响考虑在内，或者只是笼统地将变流器的成本包含在超级电容器或者蓄电池之中，而且大部分是根据工程经验，科学理论依据不足，因此无法保证系统配置的合理性和经济性。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种并网光伏系统中超级电容器与蓄电池容量的优化配置方法，在保证光伏发电系统高效、稳定运行的同时，提高发电系统的运行效率和经济性。本发明所述目的是以下述技术方案实现的：一种并网光伏系统中超级电容器与蓄电池容量的优化配置方法，所述方法利用两个双向变流器分别对超级电容器组和蓄电池组进行充放电控制，根据超级电容器、蓄电池和变流器的全生命周期成本，利用粒子群算法获得满足不平衡光伏电能存储与释放要求的超级电容器和蓄电池的经济配置容量(配置组数)，从而实现超级电容器与蓄电池容量的优化配置。上述并网光伏系统中超级电容器与蓄电池容量的优化配置方法，所述方法按以下步骤进行：a.获取光伏电站典型工作日发电功率与就地负荷功率、并网功率之间的不平衡功率特性数据；b.对混合储能系统充放电功率特性数据进行经验模态分解，获取高频功率分量和低频功率分量；c.按高频功率分量最大值计算电容变流器的成本，按低频功率分量最大值计算电池变流器的成本；d.建立包含电容变流器成本和电池变流器成本的混合储能系统容量配置优化目标函数：minC＝Csc+Cba+C1+C2其中Csc、Cba、C1、C2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的总成本，表达式为：Csc=ksc×n×fsc×(1+ηsc+μsc)Cba=kba×m×fba×(1+ηba+λba+μba)C1=k1×l1×f1×(1+η1+μ1)C2=k2×l2×f2×(1+η2+μ2)]]>式中m、n分别为蓄电池和超级电容器的组数，l1和l2分别为电容变流器和电池变流器的功率单元个数，ksc、kba、k1和k2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的折旧率，fsc、fba、f1和f2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的单价，ηsc、ηba、η1和η2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的运行成本系数，λba为蓄电池的维护成本系数，μsc、μba、μ1和μ2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的处置成本系数；蓄电池的约束条件：Pbamin≤Pba(t)≤PbamaxEbamin≤Eba(t)≤EbamaxSOCmin≤SOC(t)≤SOCmax]]>超级电容器的约束条件：Pscmt·n≤Psc(t)≤PscmaxEscmin≤Esc(t)≤EscmaxVscmin≤Vsc(t)≤Vscmax]]>变流器的约束条件：P1(t)≤P1maxT1(t)≤T1max]]>P2(t)≤P2maxT2(t)≤T2max]]>式中Pba、Psc分别为蓄电池和超级电容器的充放电功率，Pbamin、Pscmin分别为蓄电池和超级电容器充放电的最小功率；Pbamax、Pscmax分别为蓄电池和超级电容器充放电的最大功率；Eba(t)、Esc(t)分别为t时刻蓄电池和超级电容器的能量，Ebamin、Escmin分别为蓄电池和超级电容器能量限制的最小值；Ebamax、Escmax分别为蓄电池和超级电容器能量限制的最大值；SOC(t)为t时刻蓄电池的荷电状态，SOCmin、SOCmax分别为荷电状态最小和最大值；Vsc(t)为t时刻超级电容器的电压，Vscmin、Vscmax为超级电容器的电压限制最小和最大值；P1(t)、P2(t)分别为t时刻通过电容变流器和电池变流器的总功率，P1max、P2max分别为电容变流器和电池变流器允许往返通过的总功率最大值，T1(t)、T2(t)分别为t时刻电容变流器和电池变流器的温度，T1max、T2max为电容变流器和电池变流器可以承受的最大温度；e.利用粒子群算法对目标函数进行寻优计算，获得成本最低的超级电容器和蓄电池最优配置容量。上述并网光伏系统中超级电容器与蓄电池容量的优化配置方法，各部件折旧率的计算方法如下：蓄电池的折旧率为kba＝Ne/Nba，其中Ne＝NDOD*lDOD，式中lDOD为蓄电池的放电深度，NDOD为蓄电池的充放电循环次数，Nba为100％充放电循环寿命次数，Ne为等效的充放电循环次数；超级电容器的折旧率为ksc＝N/Nsc，式中Nsc为超级电容器从Escmax到Escmin的充放电循环寿命次数，N为实际充放电循环次数；电容变流器和电池变流器的折旧率由各自的疲劳损伤度来代替，疲劳损伤度D的计算公式为D＝n/N，式中N为变流器的温度或功率的寿命循环次数，n为温度或功率的实际循环次数。上述并网光伏系统中超级电容器与蓄电池容量的优化配置方法，蓄电池的处置成本系数由下式计算：μba=kba×(1+kba)n(1+kba)n-1]]>式中，n是蓄电池充放电次数。本发明充分考虑变流器的运行方式与成本，将其作为独立的个体参与到混合储能系统配置容量的优化计算中，同时考虑超级电容器、蓄电池和变流器的约束条件，使计算结果更加科学合理。该方法在保证光伏发电系统高效、稳定运行的同时，有效提高了发电系统的经济性。附图说明图1是并网光伏系统一般结构图；图2是电容变流器和电池变流器成本获取流程图；图3是本发明的优化计算流程图。图中和文中各符号为：Csc、Cba、C1、C2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的总成本，l1和l2分别为电容变流器和电池变流器的功率单元个数，ksc、kba、k1和k2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的折旧率，fsc、fba、f1和f2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的单价，ηsc、ηba、η1和η2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的运行成本系数，λba为蓄电池的维护成本系数，μsc、μba、μ1和μ2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的处置成本系数，Pbamin、Pscmin分别为蓄电池和超级电容器充放电的最小功率；Pbamax、Pscmax分别为蓄电池和超级电容器充放电的最大功率；Eba(t)、Esc(t)分别为t时刻蓄电池和超级电容器的能量，Ebamin、Escmin分别为蓄电池和超级电容器能量限制的最小值；Ebamax、Escmax分别为蓄电池和超级电容器能量限制的最大值；P1(t)、P2(t)分别为t时刻通过电容变流器和电池变流器的总功率，P1max、P2max分别为电容变流器和电池变流器允许往返通过的总功率最大值，T1(t)、T2(t)分别为t时刻电容变流器和电池变流器的温度，T1max、T2max为电容变流器和电池变流器可以承受的最大温度，Ppv为光伏电源输出功率，PGrid为并网功率，PLoad为负荷功率，PH为分解得到的高频功率分量，PL为低频功率分量，PHmax为高频部分功率最大值，PLmax为低频部分功率最大值，SOC(t)为t时刻蓄电池的荷电状态，SOCmin、SOCmax分别为荷电状态最小和最大值；Vsc(t)为t时刻超级电容器的电压，Vscmin、Vscmax为超级电容器的电压限制最小和最大值；Eba为蓄电池内存储的能量，Eba0为蓄电池初始能量，Esc为超级电容器内存储的能量，Esc0为超级电容器初始能量，Pba为蓄电池组充放电功率，Psc为超级电容器组充放电功率，lDOD为蓄电池的放电深度，NDOD为蓄电池的充放电循环次数，Nba为100％充放电循环寿命次数，Ne为等效的充放电循环次数；Nsc为超级电容器从Escmax到Escmin的充放电循环寿命次数，D为疲劳损伤度，V(t)是超级电容器的初始电压。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详述。本发明不只是考虑超级电容器和蓄电池的成本，同时把变流器作为与超级电容器和蓄电池同样的组成部分，将其购置成本、运行成本和处置成本包含在混合储能系统总成本计算中。并网光伏系统一般结构如图1所示，其构成中包括光伏发电系统、电网、交直流负荷、超级电容器组、蓄电池组、双向DC/DC电容变流器、双向DC/DC电池变流器、单向DC/DC接口电路、DC/AC逆变器、DC/AC并网逆变器。其中的虚线框部分为混合储能系统，主要包括超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器四部分。系统运行时，光伏电源输出功率为PPV；就地直流负载和交流负载功率为PLoad；通过并网逆变器输送到电网的并网功率为PGrid；混合储能系统存储(或释放)的功率为PHESS，其中包括超级电容器负责的高频功率分量和蓄电池负责的低频功率分量。变流器1和变流器2成本计算步骤如图2所示。首先根据发电功率、负荷功率和并网功率确定出需由混合储能系统充放电的总功率，该总功率经过经验模态分解方法，得到高频和低频功率分量，接着根据高频和低频的最大功率确定变流器1和变流器2的功率单元个数等相关参数，从而根据这些参数计算变流器1和变流器2的成本。超级电容器和蓄电池容量优化配置的流程如图3所示。首先获取超级电容器和蓄电池的初始状态参数(超级电容器的电压和蓄电池的荷电状态)，获取光伏发电功率，就地负荷功率和并网功率数据，并根据这三种功率数据确定出需由混合储能系统进行充放电的总功率，该总功率经过经验模态分解找到分界频率，从而将总功率分解为高频功率分量和低频功率分量，由高频功率分量最大值和低频功率分量最大值确定变流器1和变流器2的功率单元个数，从而计算变流器1和变流器2的成本，同时分解出的高频功率分量根据超级电容器的电压状态进行充放电或者放弃充放电，同样低频功率分量根据蓄电池的荷电状态决定充放电或者放弃充放电，最后根据超级电容器和蓄电池实际充放电情况计算两者的成本，所以总成本为超级电容器、蓄电池、变流器1和变流器2成本的总和，在全生命周期中计算总成本，从而对超级电容器和蓄电池进行优化配置。混合储能系统容量优化的目标是，根据超级电容器、蓄电池和变流器的全生命周期成本，利用粒子群算法获得满足不平衡光伏电能存储与释放要求的超级电容器和蓄电池的经济配置容量(配置组数)。所述方法按照以下步骤进行：a.获取光伏电站典型工作日发电功率与就地负荷功率、并网功率之间的不平衡功率特性数据。对于建好的光伏电站，利用电站本身配置的检测设备获取光伏发电功率；针对没有建好的光伏电站则根据日照情况预测发电功率。若已知就地负荷，则可以根据具体使用情况，用功率表进行测量；若负荷没有投入，则采用负荷功率预测的方法。并网功率是根据电网调度部门规定的并网联络线协议功率获得b.对混合储能系统充放电功率特性数据进行经验模态分解，获取高频功率分量和低频功率分量。经验模态分解(EMD)和希尔伯特频谱分析相结合对非平稳非线性信号分析能达到不错的效果。EMD根据自身的时间尺度进行信号分解，经过EMD分解，不平衡功率被分解为一系列固有模态函数ci，并且ci的频率随i的增加是逐渐降低的，经验模态分解后利用希尔伯特频谱得到瞬时频率—时间曲线。获取高频功率分量和低频功率分量：从经验模态分解和希尔伯特频谱得到的这些曲线中寻找分界频率fg，将混合储能系统的总功率分为高频和低频两部分。频率高于fg的高频功率分量记为PH，频率低于fg的低频分量记为PL。计算公式PH＝c1+c2+...+cg(1)，PL＝cg+1+cg+2+…+cm(2)。选择分界频率的原则是fg与紧邻的两个模态重叠少。此处的分界频率和传统定义相同。c.按高频功率分量最大值计算电容变流器的成本，根据高频功率分量的最大值确定需配置的电容变流器的功率单元个数等配置参数，根据这些参数确定变流器1的成本。按低频功率分量最大值计算电池变流器的成本；同样，根据低频分量功率的最大值计算出需要电池变流器的功率单元个数等配置参数，根据这些参数计算变流器2的成本。d.建立包含电容变流器成本和电池变流器成本的混合储能系统容量配置优化目标函数。①混合储能容量优化配置的目标函数是minC＝Csc+Cba+C1+C2(1)Csc、Cba、C1、C2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的总成本。其中总成本包括购置成本、维护成本、运行成本和处置成本。Csc=ksc×n×fsc×(1+ηsc+μsc)Cba=kba×m×fba×(1+ηba+λba+μba)C1=k1×l1×f1×(1+η1+μ1)C2=k2×l2×f2×(1+η2+μ2)---(2)]]>m、n分别为蓄电池和超级电容器的组数，l1和l2分别为电容变流器和电池变流器的功率单元个数，ksc、kba、k1和k2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的折旧率，fsc、fba、f1和f2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的单价，ηsc、ηba、η1和η2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的运行成本系数，λba为蓄电池的维护成本系数，μsc、μba、μ1和μ2分别为超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器的处置成本系数。②折旧率的计算蓄电池的折旧进程可以通过其容量损失程度来表示，一些研究表明，蓄电池的容量损失与放电深度lDOD呈线性关系。所以具体计算其折旧值时，可先将不同放电深度的充放电循环次数NDOD折算为等效的充放电循环次数Ne。折算公式可表示为Ne＝NDOD*lDOD：若蓄电池进行lDOD＝100％充放电循环寿命次数为Nba，则蓄电池的折旧值为kba＝Ne/Nba。超级电容器的折旧值可以直接用循环次数来计算。若超级电容器进行从Escmax到Escmin的充放电循环的次数为Nsc，那么进行N次充放电循环后，它的折旧值可表示为：ksc＝N/Nsc。变流器的疲劳失效主要由长时间的温度或功率循环产生的热机械应力造成的，这里利用变流器的疲劳损伤来代替折旧值。若变流器的寿命为N次，假设在某恒幅应力S的作用下，经过了n次应力循环，则损伤度为D＝n/N，即k1＝n1/N1，k2＝n2/N2。蓄电池侧的变流器折旧值和超级电容器侧的折旧值是不同的。③其他系数的计算蓄电池、超级电容器和变流器三种设备的运行系数是根据经验总结出的一个大约值，超级电容器可以免维护，所以不需要计算其维护成本系数，即ηsc＝0，同样变流器在运行中几乎也不需要维护，一般需维护时都是寿命结束的时候，所以η1＝0，η2＝0。蓄电池的处置系数：④约束条件蓄电池的约束条件：Pbamin≤Pba(t)≤PbamaxEbamin≤Eba(t)≤EbamaxSOCmin≤SOC(t)≤SOCmax---(3)]]>超级电容器的约束条件：Pscmin≤Psc(t)≤PscmaxEscmin≤Esc(t)≤EscmaxVscmin≤Vsc(t)≤Vscmax---(4)]]>变流器的约束条件：P1(t)≤P1maxT1(t)≤T1max---(5)]]>P2(t)≤P2maxT2(t)≤T2max---(6)]]>式中，Pba、Psc分别为蓄电池和超级电容器的充放电功率，Pbamin、Pscmin分别为蓄电池和超级电容器充放电的最小功率；Pbamax、Pscmax分别为蓄电池和超级电容器充放电的最大功率；Eba(t)、Esc(t)分别为t时刻蓄电池和超级电容器的能量，Ebamin、Escmin分别为蓄电池和超级电容器能量限制的最小值；Ebamax、Escmax分别为蓄电池和超级电容器能量限制的最大值；SOC(t)为t时刻蓄电池的荷电状态，SOCmin、SOCmax分别为荷电状态最小和最大值；Vsc(t)为t时刻超级电容器的电压，Vscmin、Vscmax为超级电容器的电压限制最小和最大值；P1(t)、P2(t)分别为t时刻通过电容变流器和电池变流器的总功率，P1max、P2max分别为电容变流器和电池变流器允许往返通过的总功率最大值，T1(t)、T2(t)分别为t时刻电容变流器和电池变流器的温度，T1max、T2max为电容变流器和电池变流器可以承受的最大温度。e.利用粒子群算法对所述目标函数进行寻优计算，获得成本最低的超级电容器和蓄电池最优配置容量。本发明既考虑了超级电容器和蓄电池的成本，也考虑了系统运行中至关重要的电容变流器和电池变流器的成本，使得优化计算结果更合理。依据该优化计算结果配置超级电容器、蓄电池、电容变流器和电池变流器，可以构成成本低、性能强、长寿命的混合储能系统，以保证光伏发电系统高效、稳定发电运行。当前第1页1 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