一种光氢储耦合微电网中电池储能系统的容量优化方法与流程

本发明属于光伏发电与储能技术领域，涉及一种光氢储耦合微电网中电池储能系统的容量优化方法。

背景技术：

随着全球能源与环境问题日趋严重，光伏发电技术成为世界各国研究和发展的热点。由于光伏电能具有间歇性和波动性，直接将其接入电网会降低电能质量。借助大规模储能技术可以有效解决这一问题。氢储能是一种优质廉价的大规模储能技术，它可以同时适应极短或极长时间的供电需求，具有能量密度高、运行维护成本低、可长时间存储、储能过程无污染等优点，但由于氢电转换速度较慢，氢储能装置无法快速响应电力负荷变化。电池储能与氢储能的特性相反，它对负荷变化的响应速度较快，但大规模配置时成本较高。因此，可以为光伏发电系统设计一种电池储能与氢储能相结合的综合储能系统，从而实现二者的优势互补，进一步提高储能系统的性能。

恰当的储能配置容量可以提高微电网的经济性，同时保证对分布式电能的充分利用。大多数现有文献中将平抑新能源输出功率波动视为储能装置的主要作用，以系统总成本最小为优化目标，利用单目标规划模型求解最优储能容量。微电网系统的总成本一般包括设备投资成本和运行维护成本，再减去政府对新能源发电的补贴。当微电网孤岛运行时，可能无法满足对全部负荷的可靠供电，所以有些文献中还在总成本中加入了负荷停电时的惩罚成本。当微电网并网运行时，分布式电源发出的电能可以售给电网或后级用户，所以一些文献中还考虑了微电网的售电收入。如果分布式电源的发电量可以用于工业生产，则微电网的总成本中应减去该产品的收益。如果将优化目标定义为微电网全寿命周期的总成本，那么还应考虑储能电池的更换成本。规划模型中一般包含多个约束条件，比如微电网内的功率平衡约束、负荷缺电率约束，以及储能电池的荷电状态约束、充放电功率约束等。根据这些约束条件，可以为微电网内的各微电源与负荷设计调度方案。

实际上，除了平抑功率波动，储能装置在微电网中还可以起到多方面的作用，比如作为微电网的后备电源、实现移峰填谷等，而上述文献中的方法只适用于单一功能的储能容量优化，具有一定的局限性。同时，微电网的总成本无法全面的反映微电网性能，所以以总成本最低为单一目标优化储能容量显得比较片面。此外，上述文献中的方法只针对单一种类的储能系统，没有考虑氢储能装置对电池储能装置最优容量的影响，所以不适合光氢储耦合微电网中储能电池的容量优化问题。

技术实现要素：

为解决现有技术只针对单一种类的储能系统，没有考虑氢储能装置对电池储能装置最优容量的影响，所以不适合光氢储耦合微电网中储能电池的容量优化问题；本发明的目的是提供一种光氢储耦合微电网中电池储能系统的容量优化方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光氢储耦合微电网中电池储能系统的容量优化方法，包括：

对离散的光伏功率预测数据进行拟合，将拟合得到的光滑曲线作为并网光伏功率的调度曲线，并计算出的波动率，根据波动率的大小，将调度曲线分类；分别针对每类调度曲线给出对应的微网调度方案；

根据所述的微网调度方案，仿真计算调度方案下微网的电池配置成本、微网年利润、电池预期使用寿命和电池容量不足的天数，并利用这四项指标构建微网性能的综合评价模型；

分别计算不同储能容量下微网性能的评价得分，选择得分最高时对应的储能电池容量为最优容量。

可选的，所述光氢储耦合微电网包含：电能链和氢能链两条能量转化线路；

在电能链中，由光伏发电系统为微电网内的用电负荷提供电能，该微电网还与主电网相连，进行电能交换；

在氢能链中，利用电解制氢设备制取氢气，并对氢气进行存储和利用；电能链和氢能链的交汇之处在于电解槽，将电能转变为氢能存储起来。

可选的，根据波动率r²的大小，将调度曲线分为三类：

第一类：r²<0.8，这类曲线表示当日的光伏发电功率曲线波动剧烈，可能存在长时间的乌云遮盖情况；

第二类：0.8≤r²≤0.9，这类曲线表示当日的光伏发电功率曲线为小幅波动，可能存在短时的乌云遮盖情况；

第三类：r²>0.9，这类曲线表示当日的光伏发电功率曲线仅有微小波动，基本不存在乌云遮盖情况。

可选的，三类曲线的调度方案遵循相同的光伏电能使用顺序：首先保证对微电网内负荷的供电，剩余电能尽量上网销售；

且在谷电时段利用电网电能供应微电网内的用电负荷，同时对储能电池充电。

可选的，针对第一类曲线的调度方案如下：

首先用光伏发电功率预测曲线减去微电网内负荷的用电功率曲线，得到剩余光伏功率曲线；再将光伏发电功率拟合曲线向下平移，直到其与剩余光伏功率曲线最大差值的绝对值小于储能电池的额定功率；将下移后的拟合曲线作为并网光伏功率的调度曲线；

采用电池储能和氢储能装置共同平抑光伏功率波动，首先利用波动部分的光伏电能给储能电池充电，当波动部分功率达到电解槽的最小开启功率之后，将波动部分电能全部输入氢储能装置；当波动部分功率小于最小开启功率时，关闭电解槽，将波动功率输送给储能电池。

可选的，针对第二类曲线的调度方案如下：

将剩余光伏功率曲线向下平移，直到该曲线完全位于剩余光伏功率曲线之下，将下移后的曲线作为并网光伏功率的调度曲线；

当波动部分光伏功率短时小于最小开启功率时，使用储能电池维持电解槽工作在最小开启功率状态。

可选的，针对第三类曲线的调度方案如下：

直接使用光伏发电功率的拟合曲线作为并网光伏功率调度曲线；

只使用储能电池平抑功率波动，不需要使用氢储能装置。

可选的，建立微电网性能的综合评价模型如下：

y＝a1x1+a2x2+a3x3+a4x4

其中，y为微电网性能的评价结果；x1、x2、x3、x4为四项评价指标，x1为电池储能系统的配置成本，一般由功率成本和容量成本两部分组成；x2为光氢储耦合微电网的年利润，主要包括售电收入、制氢收入和发电补贴等收入来源；x3为电池储能系统的预期使用寿命；x4为电池容量不足的天数，即一年中电池储能系统无法满足平抑光伏功率波动需求的总天数；

a1、a2、a3、a4为各指标的权重系数。

可选的，预期使用寿命具体计算方法是：

首先利用雨流计数法提取电池的放电深度，然后根据电池循环寿命随放电深度变化的函数关系，得出电池的等效循环次数，从而计算剩余寿命。

可选的，权重系数采用熵权法和层次分析法分别计算各项指标的权重，再将二者结合为一个综合权重。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所提出的光氢储耦合微电网中电池储能系统的容量优化方法由微电网调度方案设计与储能电池容量优化两部分组成。首先，按照光伏发电功率预测曲线的波动率将其分为三类，分别设计对应的微网调度方案。其次，仿真计算该调度方案下微网的电池配置成本、微网年利润、电池预期使用寿命、电池容量不足的天数等指标，并利用这四项指标构建微网性能的综合评价模型。最后，分别计算不同储能容量下微网性能的评价得分，选择得分最高时对应的储能电池容量为最优容量。本发明为光氢储耦合微电网设计了一套经济合理的调度方案，同时提出了微电网中电池储能系统的容量优化方法。合适的储能容量不但可以保证并网电能质量，还可以提高微电网的经济效益，使光伏电能得到充分利用。

附图说明

图1是本发明实施例中所研究的光氢储耦合微电网结构图；

图2是本发明实施例中第一类曲线的调度方案算例；

图3是本发明实施例中第二类曲线的调度方案算例；

图4是本发明实施例中第三类曲线的调度方案算例。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中光氢储耦合微电网结构图如图1所示。该微电网中包含：电能链和氢能链两条能量转化线路。

在电能链中，由光伏发电系统为微电网内的用电负荷提供电能。由于光伏发电功率的波动较大，所以需要使用综合储能系统来平抑新能源输出功率的波动，将低质量和富余的电能用于氢气制备或存储在蓄电池中。同时，该微电网还与主电网相连，可以进行电能交换。在氢能链中，首先利用电解制氢设备制取氢气，然后对氢气进行存储和利用。电能链和氢能链的交汇之处在于电解槽，它可以将电能转变为氢能存储起来。高纯度的氢气可以作为工业生产原料出售，是微电网的主要经济来源之一。

本发明原理为：以光氢储耦合微电网为研究对象，首先为其设计一套经济可靠的调度方案，使其中的综合储能装置可以同时发挥削峰填谷、平抑功率波动等多种功能；然后利用实际气象数据仿真计算出微电网每天的调度计划，再根据该计划计算微电网经济性与可靠性的评价指标；最后，利用这些指标建立综合评价模型，分别计算不同储能容量下微电网的性能得分，从而确定最优储能容量。

具体步骤如下：

步骤1：设计微电网并网运行时的调度方案

本发明所研究的光氢储耦合微电网一般运行在并网模式，当微电网内部或外部发生严重故障时转为孤岛模式。本发明中只研究微电网在并网运行时的调度方案。国家标准中规定，装机容量为10mw以上的光伏发电站应具有0-72h短期光伏发电功率预测功能，所以在设计调度方案时可以使用光伏发电量的预测数据。在没有乌云遮挡的理想情况下，光伏发电功率随时间的变化曲线基本符合高斯函数形式，所以可以用高斯函数对离散的光伏功率预测数据进行拟合，将拟合得到的光滑曲线作为并网光伏功率的调度曲线，从而满足电网对并网光伏功率波动率的限制。拟合过程中计算出的参数r²可以衡量回归方程的拟合优度，r²越大，说明拟合效果越好。根据r²的大小，可以将拟合曲线分为三类：

第一类：r²<0.8，这类曲线的拟合效果较差，说明当日的光伏发电功率曲线波动剧烈，可能存在长时间的乌云遮盖情况。

第二类：0.8≤r²≤0.9，这类曲线的拟合效果较好，说明当日的光伏发电功率曲线为小幅波动，可能存在短时的乌云遮盖情况。

第三类：r²>0.9，这类曲线的拟合效果非常好，说明当日的光伏发电功率曲线仅有微小波动，基本不存在乌云遮盖情况。

应指出的是，此处所说的光伏发电功率波动不是指特定的太阳运动导致的出力波动，而是指光伏实际发电功率曲线相对于没有乌云遮盖时的标准曲线的波动情况。将光伏发电总功率与并网光伏功率的差值称为光伏发电功率的波动部分，拟合曲线的r²较大时，波动部分的功率较小，可以用储能电池来平抑功率波动，不需要使用氢储能装置；r²较小时，波动部分功率较大，而储能电池的额定功率有限，所以要开启电解槽来吸收波动部分的光伏电能。

根据上述光伏发电功率曲线分类原则，对三类曲线分别设计了并网运行时的调度方案，每种方案中并网光伏功率的计算方法和综合储能系统的运行模式都不同。三类曲线的调度方案遵循相同的光伏电能使用顺序：首先保证对微电网内负荷的供电，剩余电能尽量上网销售，这样可以实现微电网利润的最大化。另外，根据我国的峰谷电价政策，谷电时段的电价较低，所以可以在谷电时段利用电网电能供应微电网内的用电负荷，同时对储能电池充电，使其达到预设的初始荷电状态。

1)第一类曲线(r²<0.8)的调度方案

1.1并网光伏功率的计算方法

首先用光伏发电功率预测曲线减去微电网内负荷的用电功率曲线，得到剩余光伏功率曲线。再将光伏发电功率拟合曲线向下平移，直到其与剩余光伏功率曲线最大差值的绝对值小于储能电池的额定功率。将下移后的拟合曲线作为并网光伏功率的调度曲线。这种处理方法可以保证储能电池在平抑并网功率波动时不会过载运行。

1.2综合储能系统的运行模式

采用电池储能和氢储能装置共同平抑光伏功率波动。首先利用波动部分的光伏电能给储能电池充电，当波动部分功率达到电解槽的最小开启功率phmin之后，将波动部分电能全部输入氢储能装置；当波动部分功率小于phmin时，关闭电解槽，将波动功率输送给储能电池。图2是第一类曲线调度方案的一个算例。

2)第二类曲线(0.8≤r²≤0.9)的调度方案

2.1并网光伏功率的计算方法

将剩余光伏功率曲线向下平移，直到该曲线完全位于剩余光伏功率曲线之下，将下移后的曲线作为并网光伏功率的调度曲线。这种处理方法使储能电池可以在不过载的情况下维持电解槽的最小开启功率。

2.2综合储能系统的运行模式

与第一类调度方案的唯一区别在于：当波动部分光伏功率短时小于phmin时，应使用储能电池维持电解槽工作在phmin状态，避免电解槽的频繁启停对其使用寿命造成影响。图3是第二类曲线调度方案的一个算例。

3)第三类曲线(r²>0.9)的调度方案

3.1并网光伏功率的计算方法

直接使用光伏发电功率的拟合曲线作为并网光伏功率调度曲线，从而保证电池储能装置一天内的充电量与放电量基本相同，提高对电池容量的利用率。

3.2综合储能系统的运行模式

只使用储能电池平抑功率波动，不需要使用氢储能装置，因为波动部分光伏功率很小，达不到电解槽的最小开启功率。图4是第三类曲线调度方案的一个算例。

步骤2：利用微电网性能综合评价模型优化储能容量

根据上文所述的调度方案，可以计算出微电网经济性与可靠性的某些评价指标。利用这些指标，建立微电网性能的综合评价模型如下：

y＝a1x1+a2x2+a3x3+a4x4

其中，y为微电网性能的评价结果，y越大，表明微电网性能越好。为了确定最优储能容量，可以分别计算配置不同容量的电池储能系统时微电网的性能得分，选出得分最高的储能容量作为最优配置容量。

x1、x2、x3、x4为四项评价指标。x1为电池储能系统的配置成本，一般由功率成本和容量成本两部分组成。x2为光氢储耦合微电网的年利润，主要包括售电收入、制氢收入和发电补贴等收入来源。x3为电池储能系统的预期使用寿命，它的具体计算方法是首先利用雨流计数法提取电池的放电深度，然后根据电池循环寿命随放电深度变化的函数关系，得出电池的等效循环次数，从而计算剩余寿命。x4为电池容量不足的天数，即一年中电池储能系统无法满足平抑光伏功率波动需求的总天数。四项指标中，x1和x2可以评价微电网的经济性，而x3和x4可以评价微电网的可靠性。

a1、a2、a3、a4为各指标的权重系数。本发明中采用熵权法和层次分析法分别计算各项指标的权重，再将二者结合为一个综合权重。熵权法是确定评价指标权重的一种客观方法，而层次分析法是一种主观方法，将二者结合起来可以使权重的计算结果更加合理。

综合权重具体是指：

设熵权法计算得到的指标权重为we＝[we1,we2,...,wen]，层次分析法计算得到的指标权重为wa＝[wa1,wa2,...,wan]，按照式(1)可以将二者合成为综合权重wc＝[wc1,wc2,...,wcn]。

wc＝αwe+βwa(1)

其中，α和β分别为熵权法和层次分析法计算结果所占的比重。两种权重计算方法均有各自的特点。熵权法直接根据评价结果矩阵计算权重，比较客观，但其计算结果可能会与人们对指标重要性的普遍认识相悖。层次分析法则恰好相反，它能够很好的反映评价者对指标重要程度的感性认识，但其计算结果的主观性较强。所以，如果希望综合权重倾向于客观结果，可取α>β，否则可取α≤β。

实施例

本发明一种利用电池储能与氢储能跟踪光伏计划出力的调度方法的具体算例如下：

以陕西省某个含有电池储能与氢储能的光伏发电系统为研究对象，验证上文所述的电池储能系统容量优化方法的可行性。该微电网内安装有20mw的光伏发电装置和2台制氢能力为1000m³/h的电解制氢设备，电池储能系统采用额定功率为2mw的液态金属电池。液态金属电池是一种新型储能电池，它具有过载能力强、运行寿命长、经济环保等优点，非常符合电网对大规模储能装置的要求。目前，对于2mw的液态金属电池而言，其功率成本为300万元，容量成本为5250元/kwh。算例中使用的其他参数如表1所示。

表1算例参数

本发明重点研究3mwh-5mwh内5组储能容量。表2中是这5组储能容量对应的四项评价指标的计算结果。由表中数据可知，随着储能容量的增大，电池配置成本、系统年收益和电池寿命都会逐渐增加，而电池容量不足的天数会逐渐减少。

利用熵权法和层次分析法分别计算四项指标的权重，计算结果如表3所示。根据两种方法的特点，将熵权法计算结果的权重设置为0.2，层次分析法计算结果的权重设置为0.8，从而得到综合权重系数。为了方便后续计算与分析，综合权重系数仅保留一位小数。

利用表2中的指标数据和表3中的权重系数可以计算出不同储能容量下微电网性能的评价得分，计算结果如表4所示。由计算结果可知，微电网性能得分最高时对应的储能容量为4mwh，所以该微电网中电池储能系统的最优配置容量为4mwh。

表2不同储能容量对应的评价指标

表3权重系数

表4储能电池容量优化结果

综上所述，本发明为光氢储耦合微电网设计了一套经济合理的调度方案，同时提出了微电网中电池储能系统的容量优化方法。合适的储能容量不但可以保证并网电能质量，还可以提高微电网的经济效益，使光伏电能得到充分利用。本发明所提出的调度方案与储能容量优化方法不仅可以应用于光氢储耦合微电网，还可以推广至风氢耦合等其他形式的多能互补微电网。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。