一种独立微电网蓄电池储能系统容量优化配置方法

摘要

本发明公开了一种独立微电网蓄电池储能系统容量优化配置方法，首先确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统的负荷大小，输入计算所用的各项资源数据；根据微电网实际情况确定有无作后备电源的柴油发电机以及柴油发电的容量大小；确定选用储能蓄电池的相关约束条件及各项数据以及对于微电网负荷供电缺电率的指标制定；根据详细资源数据计算风、光发出的总功率及同一时段负荷功率需求，得到功率差额；根据每个时段的功率差额计算所需的储能容量，并得到每个时段可能产生的蓄电池无法补偿的功率缺额；计算系统所要求时段内总的缺电率，得到能够满足要求的蓄电池总容量。本发明得到一个可以满足系统运行要求的合理储能容量。

说明书

技术领域

本发明属于微电网系统技术领域，尤其是一种独立微电网蓄电池储能系统容 量优化配置方法。

背景技术

微电网中应用储能设备时的重难点在于不同应用场景下储能容量的确定。在 微电网应用储能设备时，如果不能针对需求科学确定储能容量，一方面可能因为 储能容量过小而无法满足预期要求，另一方面可能因为储能容量过大而导致资金 不必要的大量浪费，因此储能容量的合理配置具有十分重要的意义。在微电网中 配置储能设备时，如果没有综合考虑储能设备的各种自身约束，将导致储能设备 的寿命受到很大影响，甚至进而影响整个系统的安全运行。

目前常用的储能容量配置方法重要有：(1)根据系统运行过程中所出现的最 大功率缺额配置储能容量，但是这种方法的弊端在于将使得所配置的储能容量大 于实际需求，造成浪费；(2)根据各种稳定控制策略确定所需要的储能容量，但 是这种方法会因为缺乏对于储能设备本身约束的总体考虑而有失准确性科学性。

微电网中新能源输出功率受气候的影响很大，易出现波动从而影响系统的稳 定运行，因此需要在综合考虑储能设备各种约束条件的基础上针对功率缺额确定 一个合理的储能容量，以满足微网的运行要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种独立微电网蓄电池储能 系统容量优化配置方法。

本发明所采用的技术方案是：一种独立微电网蓄电池储能系统容量优化配置 方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定微电网中风力发电和光伏发电的装机容量以及接入微电网系统 的负荷大小，输入计算所用的各项资源数据；

步骤2：根据微电网实际情况确定有无作后备电源的柴油发电机以及柴油发 电的容量大小；

步骤3：确定选用蓄电池的相关约束条件及各项数据以及对于微电网缺电率 的指标制定；

步骤4：根据预测或往年实测的风速、光照强度、温度、负荷功率数据，计 算风力发电和光伏发电的有功出力，以及新能源有功出力与负荷有功需求之间的 功率缺额详细资源数据，计算风力发电和光伏发电的总功率及同一时段负荷功率 需求，得到功率差额；

步骤5：根据每个时段的功率差额计算所需的储能容量，并得到每个时段可 能产生的蓄电池无法补偿的功率缺额；

步骤6：计算微电网所要求时段内总的缺电率，得到能够满足要求的蓄电池 总容量。

作为优选，步骤3中所述的蓄电池的相关约束条件包括荷电状态SOC约束、 充放电电流约束、充放电电压约束、系统供电可靠性约束。

作为优选，所述的荷电状态SOC反映当前蓄电池的剩余容量，其计算公式 为：

$\mathrm{SOC}=1-\frac{Q_1}{Q};$

其中Q₁表示已放出的电量，Q表示基准容量、也称为以恒定电流满充状态 下的电量；而放出的电量Q₁用电流与时间的积分来表示：

Q₁＝∫idt；

易知放电电流为正，充电电流为负；

荷电状态SOC能够反应蓄电池的充放电深度，为保证蓄电池的正常运行并 延长其使用寿命，需对荷电状态SOC的范围进行限制：

SOC_min≤SOC≤SOC_max；

其中，SOC_min和SOC_max分别为蓄电池荷电状态的最小值和最大值。

作为优选，蓄电池的充放电电流可以在一定范围内调节，从而达到不同充放 电时间的要求，但是充放电电流过大将对设备本身造成伤害，故对充放电电流I 作如下限制：

I≤I_max

根据不同种类的蓄电池，设定相应的最大电流I_max。

作为优选，蓄电池在一定的电压范围内时可进行充放电，但是若端口电压超 过充放电电压上下限，则无法进行充放电，故对充放电电压U作如下限制：

U_STOP≤U≤U_FULL

式中U_STOP为放电终止电压，U_FULL为满充电压。

作为优选，因为风能和太阳能具有随机性和波动性的特点，全年处于孤岛运 行的微电网会出现发电机出力小于负荷的情况，这时需要不间断电源补充风能和 太阳能出力的不足，故所述的系统供电可靠性约束条件用负荷缺电率LPSP(loss  of power supply probability)这一指标进行衡量；LPSP的定义式为：

$\mathrm{LPSP}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}[P_L\left(t_i\right)-(P_{\mathrm{wt}}\left(t_i\right)+P_{\mathrm{pv}}\left(t_i\right)+P_b\left(t_i\right))]}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_L\left(t_i\right)};$

式中：P_L(t_i)是t_i时刻的微电网负荷功率；P_wt(t_i)是t_i时刻风电系统的输出有 功功率；P_pv(t_i)是t_i时刻光伏发电系统的输出有功功率；P_b(t_i)是t_i时刻的蓄电池 有功功率；N是计算过程中选取的采样区间点数，一般以年为单位。

本发明的优点和积极效果是：

针对微电网中作后备电源的储能蓄电池，综合考虑设备本身的各种指标约束 和系统要求，逐时段的进行储能设备充放电计算，从而得到一个科学合理的容量。

附图说明

图1：是本发明实施例的处理流程图。

图2：是本发明实施例中微电网的资源数据图，其中(a)表示负荷数据，(b) 表示风速数据，(c)表示光照数据，(d)表示温度数据。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对 本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解 释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种独立微电网蓄电池储能系统容量优化配置方法， 包括以下步骤：

在本实施例中，针对国内某海岛，取其全年的实际数据，风、光装机总容量 分别为14MW和10MW。风机的切入、额定和切出风速分别为2.5、9、19m/s， 光伏电池在标准测试条件下的最大功率输出为83w。全年负荷数据及风、光资源 数据如图2所示，其中(a)表示负荷数据，(b)表示风速数据，(c)表示光照 数据，(d)表示温度数据。

步骤2：根据微电网实际情况确定有无作后备电源的柴油发电机以及柴油发 电机的容量大小；

在本实施例中，柴发装机容量为0，即在此风、光、储微电网孤网系统中， 储能蓄电池作全后备电源。

步骤3：确定选用蓄电池的相关约束条件及各项数据以及对于微电网缺电率 的指标制定；蓄电池的相关约束条件包括荷电状态SOC约束、充放电电流约束、 充放电电压约束、系统供电可靠性约束。

(1)荷电状态SOC约束：SOC是用来标称当前电池容量的状态参数，通 过准确可靠的状态参数进行电池的管理与控制，从而能够更好地使用电池组，并 且延长使用寿命。其定义为：SOC反映当前蓄电池的剩余容量，其计算公式为：

$\mathrm{SOC}=1-\frac{Q_1}{Q};$

其中Q₁表示已放出的电量，Q表示基准容量、也称为以恒定电流满充状态 下的电量；而放出的电量Q₁用电流与时间的积分来表示：

Q₁＝∫idt_；

易知放电电流为正，充电电流为负；

荷电状态SOC能够反应蓄电池的充放电深度，为保证蓄电池的正常运行并 延长其使用寿命，需对荷电状态SOC的范围进行限制：

SOC_min≤SOC≤SOC_max；

其中，SOC_min和SOC_max分别为蓄电池荷电状态的最小值和最大值。

(2)充放电电流约束：蓄电池的充放电电流可以在一定范围内调节，从而 达到不同充放电时间的要求，但是充放电电流过大将对设备本身造成伤害，故对 电流I作如下限制：

I≤I_max；

针对不同类型的蓄电池，设定相应的充放电限制电流值I_max。式中电流值 为绝对值大小。

(3)充放电电压约束：蓄电池在一定的电压范围内时可进行充放电，但是 若端口电压超过充放电电压上下限，则无法进行充放电，故对电压U作如下限 制：

U_STOP≤U≤U_FULL；

式中电压上下限分别为满充电压和放电终止电压。

(4)系统供电可靠性的约束：因为风能和太阳能具有随机性和波动性的特 点，全年处于孤岛运行的微电网会出现发电机出力小于负荷的情况，这时需要不 间断电源补充风能和太阳能出力的不足。

系统供电可靠性约束条件用负荷缺电率LPSP(loss of power supply  probability)这一指标进行衡量；LPSP的定义式为：

$\mathrm{LPSP}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}[P_L\left(t_i\right)-(P_{\mathrm{wt}}\left(t_i\right)+P_{\mathrm{pv}}\left(t_i\right)+P_b\left(t_i\right))]}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{P}_L\left(t_i\right)};$

式中：P_L(t_i)是t_i时刻的微电网负荷功率；P_wt(t_i)是t_i时刻风电系统的输出有 功功率；P_pv(t_i)是t_i时刻光伏发电系统的输出有功功率；P_b(t_i)是t_i时刻的蓄电池 有功功率；N是计算过程中选取的采样区间点数，一般以年为单位。

在本实施例中，缺电率指标定为5％。各种类型的蓄电池计算所用的数据如 表1所示。

表1：各种类型的蓄电池计算所用的数据

步骤4：根据预测或往年实测的风速、光照强度、温度、负荷功率数据，计 算风力发电和光伏发电的有功出力，以及新能源有功出力与负荷有功需求之间的 功率缺额详细资源数据，计算风力发电和光伏发电的总功率及同一时段负荷功率 需求，得到功率差额；

步骤5：根据每个时段的功率差额计算所需的储能容量，并得到每个时段可 能产生的蓄电池无法补偿的功率缺额；

步骤6：计算微电网所要求时段内总的缺电率，得到能够满足要求的蓄电池 总容量。

下表2本实施例中各种类型的蓄电池计算得到的所需容量及系统投加储能 设备之后的缺电率，本实施例满足该微网运行要求计算得到的所需蓄电池总容量 大小及投加储能设备之后的缺电率指标。

表2：各种类型的蓄电池计算得到的所需容量及投加储能设备之后的缺电率

蓄电池类型 所需总容量(kwh) 缺电率 锂离子电池 2334 4.998％ 铅酸蓄电池 2554 5％ 镍氢蓄电池 2498 4.997％ 镍镉蓄电池 2521 4.999％

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是 对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不 脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发 明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。