基于功率预测的微电网储能系统及容量配置方法

摘要

本发明公开基于功率预测的微电网储能系统及容量配置方法，采用快速启动发电设备和储能设备相配合作为微电网系统的备用电源，以平衡微电网系统中风力发电系统和光伏发电系统的功率波动；在单纯由微电网储能系统供电的情况下，测出多次快速启动发电设备的最长发电时间Δt,基于风力发电系统和光伏发电系统的功率预测技术，计算出在该最长发电时间Δt内风力发电系统和光伏发电系统的功率波动ΔP3，得出微电网系统中储能设备的最小容量配置W。本发明基于风力发电和光伏发电功率预测技术，得到储能设备的最小容量配置，从而减少储能系统以及相应配套设备的数量，降低了建筑成本，保证了电力系统的稳定运行。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种基于功率预测的微电网储能系统及容量配置方法。属 于电力系统的微电网技术领域。

背景技术

微电网技术有效地解决了大型集中电网的许多潜在问题，极好地适应分散电 力需求和资源分布，延缓输、配电网升级所需的巨额投资，同时，与大电网互为 备用使供电可靠性得以改善。目前，微电网采用可再生能源作为电源，如风能和 太阳能。然而风力发电和光伏发电受到自然条件的变化不能持续地、稳定地输出 电能，对电力系统的稳定造成影响。为了减小微电网系统中风电场和光伏电场输 出功率不稳定对电力系统的影响，需要在微电网系统中配置一定容量的储能系 统。储能系统可以在峰谷阶段进行合理得充放电，有效的启到削峰填谷的作用。

现在对于微电网系统的储能容量配置还没有一个标准的计算方法，大多数是 根据经验进行配置，往往为了保证系统的稳定，保守地使用较大的容量，使用较 多的储能设备。采用大容量的配置，这种方法没有充分结合可再生能源领域出现 的新技术，对储能系统的容量进行优化，造成储能设备的使用量较大，从而导致 储能设备的布置空间较大，相应的通风保护设备较多，工程成本较高。因此现有 储能设备的成本高，占用空间较大，耗费人力物力，而且具有一定危险性。

发明内容

本发明的目的之一，是为了克服现有技术建设成本高的特点，提供一种基于 功率预测的微电网储能系统。

本发明的目的之二，是为了供一种基于功率预测的微电网储能系统的容量配 置方法，该方法能够减小储能设备的容量，从而降低储能系统的建设成本，能够 提高电力系统的稳定性。

本发明的目的之一可以通过以下技术方案实现：

基于功率预测的微电网储能系统，其特征在于：包括储能设备和快速启动发 电设备，所述快速启动发电设备具有快速启动的发电结构，在微电网储能系统中， 基于风力发电系统和光伏发电系统的功率预测技术，采用快速启动发电设备与储 能设备相互配合构成联合补充电能的备用供电结构，有效平衡微电网系统中风力 发电系统和光伏发电系统的功率波动，减小储能设备的容量。

本发明的目的之一可还以通过以下技术方案实现：

进一步地，所述快速启动发电设备由燃气轮机发电装置或柴油机发电装置构 成。

进一步地，所述快速启动发电设备与储能设备相互配合构成联合补充电能的 备用供电结构，是指当风能和太阳能不足时，储能设备放电，同时快速启动发电 设备启动发电，向储能设备充电，补充电能。

进一步地，所述储能系统以储能设备为主，以快速启动发电设备为辅。

进一步地，所述微电网储能系统采用集总式储能系统；所述储能设备由可充 电式蓄电池构成。

进一步地，所述基于风力发电系统和光伏发电系统的功率预测技术，是根据 Prediktor系统或WPFSVer1.0预报系统设定预测模型，预测出风力发电系统的 输出功率和光伏发电系统的输出功率。

本发明的目的之二可以通过以下技术方案实现：

基于功率预测的微电网储能系统的容量配置方法，其特征在于：

采用快速启动发电设备和储能设备相配合作为微电网系统的备用电源，以平 衡微电网系统中风力发电系统和光伏发电系统的功率波动；由快速启动发电设备 和储能设备构成快速反应式备用电源，以平衡风力发电系统和光伏发电系统出力 的随机性；

2）在单纯由微电网储能系统供电的情况下，测出多次快速启动发电设备的 最长发电时间Δt,基于风力发电系统和光伏发电系统的功率预测技术，计算出在 该最长发电时间Δt内风力发电系统和光伏发电系统的功率波动ΔP₃，得出微电网 系统中储能设备的最小容量配置W，所述最小容量配置W用如下表达式表示：

W＝ΔP₃·Δt·η   ①

式中η是容量安全裕度系数。

本发明的目的之二还可以通过以下技术方案实现：

进一步地，所述快速启动发电设备由燃气轮机发电装置或柴油机发电装置构 成。

进一步地，第2）点所述风力发电系统功率预测技术是指根据Prediktor系 统或WPFSVer1.0预报系统设定预测模型，预测出风力发电系统的输出功率：首 先将风力发电功率相关的历史影响因素风速、气压、温度和历史发电量作为样本 数据输入到合适的预测模型，进而得到最优回归参数，然后将现有影响因素风速、 气压、温度作为输入量代入最优回归函数，得到预测值；

第2）点所述的光伏发电系统功率预测技术是指根据Prediktor系统或 WPFSVer1.0预报系统设定预测模型，预测出光伏发电系统的输出功率；首先将 光伏发电功率相关的历史影响因素地表太阳辐射量、温度以及历史发电量作为样 本数据输入到合适的预测模型，进而得到最优回归参数，然后将现有影响因素地 表太阳辐射量、温度作为输入量代入最优回归函数，得到预测值。

进一步地，计算微电网系统中储能设备的小容量配置W配置步骤如下：

1）根据多次启动实验统计结果或快速启动发电设备厂家提供的数据资料， 统计快速启动发电设备的启动时间t_r，Δt取快速启动发电设备启动时间t_r的最大 值（Δt≤t_r）：

Δt＝max(t_r1、...、t_r6、...t_rm)   ②

2）在孤岛模式下，结合典型日风力发电系统和光伏发电系统的功率率预测 数据，计算出在多次Δt时间段内风力发电系统和光伏发电系统的最大功率波动 ΔP₃，对任意t_j-t_i≤Δt；有

ΔP_dgij＝P_wi-P_wj+P_pi-P_pj   ③

ΔP₃＝maxΔP_dgij   ④

其中，P_wi为Δt时间段内任意时刻i风力发电系统随机输出功率，P_wj为同一 Δt时间段内任意时刻j(j＞i)风力发电系统随机输出功率；P_pi为同一Δt时间段 内时刻i光伏发电系统随机输出功率，P_pj为同一Δt时间段内时刻j光伏发电系统 随机输出功率；

3）依据孤岛模式下快速启动发电设备的最长启动时间Δt，计算出孤岛模式 下，微电网系统中储能设备的最小容量配置W；

W＝ΔP₃·Δt·η   ①

由①、②、③、④式知含风力发电系统和光伏发电系统的微电网系统中储能 设备的小容量配置W：

W＝max(P_wi-P_wj+P_pi-P_pj)·max(t_r1、....t_r6、...t_rm)·η   ⑤

其中（t_j-t_i≤Δt;j＞i）。

本发明的有益效果：

1、本发明涉及的基于功率预测的微电网储能系统，采用属于快速启动发电 设备的燃气轮机发电装置或柴油机发电装置配合储能设备取代单一使用储能设 备作为微网的备用电源，具有减少储能设备的容量，进而减少了储能设备以及相 应的配套设备的数量和设备所占的空间，降低了工程成本，减少了维护费用，并 且保证了微电网系统的稳定性能的突出的有益效果。

2、本发明基于功率预测的微电网储能系统的容量进行配置，通过快速启动 发电设备的最长启动时间和在该时间段风力发电系统和光伏发电系统的最大功 率波动计算出储能设备的最小容量，具有根据燃气轮机快速反应电源的启动时 间，同时预测在该时间段内风力发电和光伏发电出力的最大可能功率波动，利用 储能装置的快速反应来平衡风机和光伏阵列出力的随机性，减小分布式电源出力 随机性，提高电力系统的稳定性的有益效果。

附图说明：

图1是本发明微电网系统的结构示意图。

图2是具体实施例1中风力发电输出功率的预测模型。

图3是本发明采用集总式储能系统的拓扑图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

具体实施例1：

参照图1、图2和图3，本实施例涉及基于功率预测的微电网储能系统，包 括储能设备3和快速启动发电设备，所述快速启动发电设备具有快速启动的发电 结构，在微电网储能系统中，基于风力发电系统1和光伏发电系统2的功率预测 技术，采用快速启动发电设备与储能设备3相互配合构成联合补充电能的备用供 电结构，有效平衡微电网系统中风力发电系统1和光伏发电系统2的功率波动， 减小储能设备3的容量。

所述快速启动发电设备与储能设备3相互配合构成联合补充电能的备用供电 结构，是指当风能和太阳能不足时，储能设备放电，同时快速启动发电设备启动 发电，向储能设备充电，补充电能。

所述储能系统以储能设备3为主，以快速启动发电设备为辅。

所述微电网储能系统采用集总式储能系统3-1；所述储能设备3由可充电式 蓄电池构成；所述快速启动发电设备由燃气轮机发电装置5构成。

所述基于风力发电系统1和光伏发电系统2的功率预测技术，是根据 Prediktor系统或WPFSVer1.0预报系统设定预测模型，预测出风力发电系统1 的输出功率和光伏发电系统2的输出功率。

基于功率预测的微电网储能系统的容量配置方法：

1）采用快速启动发电设备和储能设备3相配合作为微电网系统的备用电源， 以平衡微电网系统中风力发电系统1和光伏发电系统2的功率波动；由快速启动 发电设备和储能设备3构成快速反应式备用电源，以平衡风力发电系统1和光伏 发电系统2出力的随机性；

2）在单纯由微电网储能系统供电的情况下，测出多次快速启动发电设备的 最长发电时间Δt,基于风力发电系统1和光伏发电系统2的功率预测技术，计算 出在该最长发电时间Δt内风力发电系统1和光伏发电系统2的功率波动ΔP₃，得 出微电网系统中储能设备3的最小容量配置W，所述最小容量配置W用如下表达 式表示：

W＝ΔP₃·Δt·η   ①

式中η是容量安全裕度系数。

所述储能设备3由可充电式蓄电池构成，所述快速启动发电设备由燃气轮机 发电装置5构成。

通过风力发电功率预测技术和光伏发电功率预测技术可以提前获得风力发 电系统1和光伏发电系统2的功率输出。

对照图2，本实施例涉及的预测模型流程，第2）点所述的风力发电系统1 的功率预测技术是指根据Prediktor系统或WPFSVer1.0预报系统设定预测模型 或者其他功率预测软件，预测出风力发电系统1的输出功率；首先将风力发电功 率相关的历史影响因素风速、气压、温度和历史发电量作为样本数据输入到合适 的预测模型，进而得到最优回归参数，然后将现有影响因素风速、气压、温度作 为输入量代入最优回归函数，得到预测值，对预测值进行误差分析，为下次预测 风力发电系统1的发电功率提供更精确的数据。

第2）点所述的光伏发电系统2的功率预测技术是指根据Prediktor系统或 WPFSVer1.0预报系统设定预测模型或者其他功率预测软件，预测出光伏发电系 统2的输出功率；首先将光伏发电功率相关的历史影响因素地表太阳辐射量、温 度以及历史发电量作为样本数据输入到合适的预测模型，进而得到最优回归参 数，然后将现有影响因素地表太阳辐射量、温度作为输入量代入最优回归函数， 得到预测值，对预测值进行误差分析，为下次预测光伏发电系统2的发电功率提 供更精确的数据。光伏发电系统2的预测模型流程和风力发电系统1预测模型流 程类似，故在此省略。

所述计算微电网系统中储能设备3的小容量配置W配置步骤如下：

1）根据多次启动实验统计结果或快速启动发电设备厂家提供的数据资料， 统计燃气轮机发电装置5的启动时间t_r，Δt取燃气轮机发电装置5时间t_r的最大 值（Δt≤t_r）：

Δt＝max(t_r1、...、t_r6、...t_rm)   ②

2）在孤岛模式下，结合典型日风力发电系统1和光伏发电系统2的功率率 预测数据，计算出在多次Δt时间段内风力发电系统1和光伏发电系统2的最大 功率波动ΔP₃，对任意t_j-t_i≤Δt；有

ΔP_dgij＝P_wi-P_wj+P_pi-P_pj   ③

ΔP₃＝maxΔP_dgij   ④

其中，P_wi为Δt时间段内任意时刻i风力发电系统随机输出功率，P_wj为同一 Δt时间段内任意时刻j(j＞i)风力发电系统随机输出功率；P_pi为同一Δt时间段 内时刻i光伏发电系统随机输出功率，P_pj为同一Δt时间段内时刻j光伏发电系统 随机输出功率；

3）依据孤岛模式下燃气轮机发电装置5的最长启动时间Δt，计算出孤岛模 式下，微电网系统中储能设备3的小容量配置W；

W＝ΔP₃·Δt·η   ①

由①、②、③、④式知含风力发电系统1和光伏发电系统2的微电网系统中 储能设备3的小容量配置W：

W＝max(P_wi-P_wj+P_pi-P_pj)·max(t_r1、....t_r6、...t_rm)·η   ⑤

其中（t_j-t_i≤Δ_t;j＞i）。

下面是采用本发明建立的微电网储能系统，该微电网储能系统根据厂家提供 的资料，燃气轮机的从静止到全速空载，正常启动的时间为12min，快速启动时 间为7min10s，加载过程正常启动时间为4min，快速启动时间为2min，总的启 动时间分别为16min和9min10s。

则Δt＝max(960,550)＝960s

在孤岛模式下，结合典型日风力发电系统1和光伏发电系统2的功率率预测 数据，计算出在多次Δt时间段内风力发电系统1和光伏发电系统2的最大功率 波动ΔP₃=750kW，

假设，燃气轮机的功率能够完全满足功率预测得到电能不足，取η=1.2，则根据式① 式得

W＝ΔP₃·Δt·η=750Kw*960s*1.2=240kWh

该微电网系统中储能设备的小容量配置W=240kWh。

参照图1，本发明涉及的微电网系统包含风力发电系统1、光伏发电系统2、 燃气轮机发电装置5、储能设备3和本地负荷4，微电网系统中以风力发电系统 1和光伏发电系统2为主电源，当风能和太阳能充足时，向本地负荷4供电，同 时向储能设备3充电；系统中的燃气轮机发电装置5和储能设备3作为备用电源， 当风能和太阳能不足时，燃气轮机发电装置5启动，储能设备3放电，补充不足 的电能。

因风速的随机变化造成微电网中风力发电系统1出力的随机性，光伏的随机 变化造成微电网中光伏发电系统2出力的随机性，所以在微电网中风力发电系统 1和光伏发电系统2无论是日发电还是月发电，都处于波动的状态。采用本发明 在微电网系统中，配以能快速反应的燃汽轮机发电装置5和储能设备3可以有效 地平衡微网系统功率波动。因此，在单纯考虑储能系统作为备用电源的容量配置 时，可以根据燃气轮机发电装置5快速反应电源的启动时间，同时预测在该时间 段内风力发电系统1和光伏发电系统2的最大可能功率波动ΔP₃，利用储能设备 3的快速反应来平衡风力发电系统1和光伏发电系统2出力的随机性，减小分布 式电源出力随机性，提高电力系统的稳定性。

参照图3，本实施例涉及的储能系统采用集总式储能系统3-1，集总式储能 系统即将微网储能系统配置成为整个微网系统服务的单一集中单元。

本发明还适用于其它易出现功率波动的地热发电系统、海洋发电系统等分布 式电源。

具体实施例2：

本具体实施例的特点是：所述快速启动发电设备由柴油机发电装置构成，其 他特点与具体实施例1相同。