高渗透率光伏电网储能容量规划与优化控制研究

摘要

近年来，光伏发电装机容量持续增加，但是，天气、太阳辐射、温度等多种因素对光伏发电输出功率影响比较大。与风力发电相比，光伏发电瞬时功率大幅随机波动程度更为剧烈，随着其渗透率的提高，为了维持电网频率稳定，电网需要大幅度增加系统调频备用容量。电池储能系统(battery energy storage system，BESS)具有反应速度快、可双向能量调节等优势，能够通过快速充放电平抑光伏发电功率的大幅度波动。其规模化应用能够降低电网调频备用容量配置需求，为大规模光伏发电并网带来的问题提供了新的解决途径。但目前BESS成本仍较高，无法完全依赖其应对光伏发电功率的波动问题。鉴于此，本文的主要研究内容为高渗透光伏电网中BESS的容量优化配置和在线实时控制运行。本论文的具体研究内容如下:
　　在储能系统容量优化配置方面，提出了考虑爬坡功率有限平抑的储能配置方法。以锂离子电池为储能介质对高渗透率光伏电网进行储能配置。首先，提出了利用有限容量的BESS实现光伏爬坡功率有限平抑的控制策略，对光伏发电功率大幅度波动进行有限平抑，为容量优化提供控制策略支撑。然后，考虑高渗透率光伏电网调频容量需求与储能配置容量的相互制约关系，建立了储能投入后调频成本计算的数学模型，并以等效收益最大为优化目标实现储能容量和功率的优化配置。最后，利用遗传算法(generation algorithm，GA)对优化模型进行求解，并通过某高渗透率光伏电网验证所提储能配置方法的优越性。
　　在储能系统的在线控制运行方面，提出了基于模型预测控制(model prediction control，MPC)的储能系统控制方法。考虑到目前光伏发电功率预测误差比较大且算法复杂，利用鲁棒性比较好的MPC算法对BESS进行实时控制，实现对光伏发电功率大幅度波动的有效平抑。首先，根据光伏发电波动情况和储能荷电状态(state of charging，SOC)确定储能动作状态。然后，考虑到电网调频费用与储能费用的相互制约关系，以优化时域内自动发电控制(automation generation control，AGC)付费、储能调节费用和过充过放惩罚费用等总花费最低为目标，并考虑实际运行过程中的约束条件建立储能运行优化模型。在每步优化过程中根据储能动作状态对优化模型进行求解得到储能优化时域内的BESS控制序列;在执行过程中，仅执行控制序列的第一步计算结果，并通过储能SOC反馈和光伏发电实际出力的更新循环进行优化。通过反馈校正和滚动优化，本文提出的基于MPC的储能实时控制方法能够实现对光伏发电功率的大幅度波动的有效平抑，并获得较好的经济效果。

目录

声明

摘要

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 光伏发电发展现状及带来的挑战

1．1．2 储能技术的发展及应用

1．2 国内外研究现状

1．3 存在的主要问题

1．4 本文的主要工作

第二章 高渗透率光伏电网调频备用容量计算方法

2．1 引言

2．2 电网光伏发电和等效负荷波动特性分析

2．2．1 光伏发电功率特性分析

2．2．2 等效负荷波动特性分析

2．3 调频备用容量规划方法及成本分析

2．3．1 电网调频工作机制

2．3．2 AGC容量需求分析

2．3．3 AGC服务费用结算规则

2．4 本章小结

第三章 考虑光伏爬坡功率有限平抑的储能配置方法

3．1 引言

3．2 考虑光伏爬坡功率有限平抑的控制策略

3．2．1 BESS动作状态

3．2．2 基于SOC的充放电功率动态调整

3．3 储能容量优化模型

3．3．1 目标函数

3．3．2 约束条件

3．3．3 求解算法

3．4 算例分析

3．4．1 经济性验证

3．4．2 平抑效果验证

3．5 本章小结

4．1 引言

4．2 基于模型预测控制的储能控制原理

4．2．1 模型预测控制原理

4．2．2 控制参量的选取

4．3 储能实时控制方法

4．3．1 光伏预测模型

4．3．2 优化模型

4．3．3 基于MPC的实现过程

4．4 算例分析

4．4．1 验证控制效果和经济性

4．4．2 不同控制方法对比

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表学术论文和参加科研情况