一種用于風光儲優化配置的復合控制方法與流程
本發明屬于多能源協調優化控制技術領域，更為具體地講，涉及一種用于風光儲優化配置的復合控制方法。
背景技術：
風力發電作為清潔能源的一種，其發電方式具有改善能源供需矛盾、促進環保無污染、經濟實惠可再生等優點。但是，風能自身存在的間歇性、隨機性、波動性和不穩定性的特點，單一能源系統投入使用的話，必然會存在輸出功率波動幅值偏大，電壓突變沖擊電網，輸出功率不平穩等問題。這些問題無疑阻礙了新能源發電技術的進一步實踐和應用。
例如文獻“廖勇，何金波，姚駿，莊凱.基于變槳距和轉矩動態控制的直驅永磁同步風力發電機功率平滑控制[j].中國電機工程學報，2009，29(18)：71-77.”中，提出采用模糊變槳距控制來限制發電機的轉速運行范圍，采用發電機轉矩動態滑模控制來實現發電機輸出平滑的有功功率。文獻“jvpaatero，pdlund.effectofenergystorageonvariationsinwindpower[j].windenergy，2010，8(8)：421-441.”則提出基于低通濾波原理的儲能控制方法，采用儲能系統來對風電功率中的高頻分量進行補償，為此可以得到較為平滑的功率輸出。
上述方案雖然在一定程度上改善了功率輸出不平穩的問題，但有些控制策略沒有加入儲能系統的運用，所以風能資源利用率較低，同時也可能因為電池的過充過放，極大的影響電池的使用壽命。文獻“kushiwata，sshishido，rtakahashi，tmurata.smoothingcontrolofwindgeneratoroutputfluctuationbyusingelectricdoublelayercapacitor[j].internationalconferenceonelectricalmachines&systems，2007：308-313.”提出采用電力電子元件結合儲能系統的方法對風力發電機組的功率波動進行平抑，表現優良，但此方法需要添加新的硬件設備及裝置，提高了系統的成本和控制難度。
在實際應用中，單一新能源的發電大多會配備相應的儲能系統和功率波動平抑系統。風能與太陽能存在良好的互補性，即光電系統在白天能夠達到輸出峰值，而風電系統大多在夜晚達到輸出峰值，兩者結合互補不僅可以提高能源利用率，還可以減少相應儲能系統的配置容量。因此，將風能、太陽能、儲能系統聯合運用起來，建立風光儲混合發電系統，可以使新能源供電系統的可靠性、穩定性及經濟性有顯著的提高。
為評價系統功率平穩程度好壞，采用定義的功率平滑度性能指標psmooth。由以下公式可以計算：
式中，cins為電場的有效裝機容量；pgrid為發電系統輸入到電網的總功率大小，即并網功率，psmooth值越小，說明該發電場并入電網的功率越平滑。
由于風、光伏系統的采樣數據是不連續的，可以對上式進行離散化處理，得到下式：
配置了儲能系統的電場，其有功功率的輸出分為兩部分，一是直接送入電網，二是輸出給儲能系統。儲能系統可以對電場的功率輸出進行平抑，當電場的輸出功率大于系統限定的最大并網功率時，多余的電能將儲存在儲能系統中，若儲能系統的存電量狀態此時達到負荷上限值，則將多余的電功率棄用；若電場輸出的有功功率低于系統所限定的并網功率下限時，并網功率差額由儲能系統放電加以補充，因此可以減小并網功率的波動值，實現功率平滑。
供電系統是通過風電系統和光伏系統兩個系統共同工作提供功率，在系統的構造上，對于儲能系統的配置提出兩種狀態：雙儲能系統dess(doubleenergystoragesystem)和單儲能系統sess(singleenergystoragesystem)。
第一種狀態為在風、光系統分別配備一套儲能系統，對輸出進行平滑處理，然后一起并網。第二種狀態為風光系統先互補，然后配備一套儲能系統，對輸出進行平滑處理，最后并網。在這兩種狀態下對應儲能系統容量的大小選取，對整個系統的影響也有不同。選取的方法分為以下三種：(1)dess中單個儲能容量小于sess，且dess容量之和大于sess；(2)dess中單個儲能容量等于sess；(3)dess中單個儲能容量小于sess，且dess容量之和小于sess。
功率平滑參數可以描述為單位時間內允許的最大功率波動幅度，即在t時間內，功率的波動值不能超過δp。對t進行離散化處理，可得：
t＝nδt
式中：δt為單位采樣時間，可知若δt取值越小，越趨近于真實值。為了保證功率的最大波動值不超過δp，那么可以將每個采樣時段δt的功率波動值限定在δpτ范圍內即可。如此，即便在最極端的情況下，即δpτ一直增大或一直減小，在t時間內功率的波動值也不會超過δp。
儲能系統存電量比可表現為儲能系統當前電量與儲能系統配置容量之比，可用下式表示為：
式中：cess(i)為第i時段儲能系統的實時電量；c為儲能系統的配置容量。
s(i)能夠比較準確且客觀地描述儲能系統的實時儲能狀態。當s(i)值較大時，說明儲能系統存電量較多，空余儲能空間較少，此時增大并網功率，更好地發揮其經濟效益；當s(i)值較小時，說明儲能系統存電量較少，空余儲能空間較大，此時減小并網功率，產能輸入儲能系統，當系統處于發電低谷時，可以填補功率低谷，平滑功率輸出。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于風光儲優化配置的復合控制方法，以功率平滑參數和儲能系統存電量比為基礎，比較在不同儲能系統配置狀態及不同儲能容量約束下的功率平滑度及其經濟效益，實現風光儲系統的復合控制。
為實現上述發明目的，本發明一種用于風光儲優化配置的復合控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)、設定風光儲系統、單儲能系統和雙儲能系統的初值，并讀入實測數據；
(2)、基于單、雙兩種儲能系統，計算風光儲系統在第i個時段的輸出功率pout(i)；
其中，pgrid(i)為風光儲系統在第i個時段的并網功率，
(3)、根據功率平滑參數δpτ對并網功率pgrid(i)進行修正，使并網功率pgrid(i)滿足設定的功率波動閾值；
當pgrid(i)＞pgrid(i-1)+δpτ時，pgrid(i)＝pgrid(i-1)+δpτ；
當pgrid(i)＜pgrid(i-1)-δpτ時，pgrid(i)＝pgrid(i-1)-δpτ；
當pgrid(i-1)+δpτ＞pgrid(i)＞pgrid(i-1)-δpτ時，pgrid(i)保持不變；
(4)、確定風光儲系統在第i個時段的工作狀態，并進行資源調控；
當pout(i)＞pgrid(i)時，風光儲系統輸出的電能發送給電網，多余產能發送給儲能系統，若儲能系統處于滿充狀態，則棄掉多余電能；
當pout(i)＝pgrid(i)時，風光儲系統輸出的電能全部發送給電網，儲能系統不工作；
當pout(i)＜pgrid(i)時，若儲能系統的存電量足夠負擔pout(i)與pgrid(i)間的差值功率時，即
(5)、i＝i+1，進入到下一時間段，并返回步驟(2)，進行下一輪的復合控制。
本發明的發明目的是這樣實現的：
本發明一種用于風光儲優化配置的復合控制方法，通過以風光電場功率輸出作為輸入，根據存電量比約束確定并網功率大小，利用功率平滑參數約束對其進行修正，確定工作狀態后進行充電、放電或離網運行等操作，為了防止儲能系統過充過放電對其壽命的影響，對其存電量限定其上下限幅值，不僅使風光儲系統功率波動顯著降低，更具有一定的工程實際意義。
同時，本發明一種用于風光儲優化配置的復合控制方法還具有以下有益效果：
(1)、通過利用存電量比和功率平滑參數對并網功率的修正，使得風光儲系統并網功率波動顯著降低。
(2)、通過確定工作狀態后進行充電、放電或離網運行等操作，對風光儲系統輸出功率進行更高效的控制，降低了棄用能量，提高了能源利用率。
(3)、通過對存電量的上下限幅值進行限定，可以防止儲能系統因過充或過放電對其壽命的影響，使得儲能系統的經濟性更高。
附圖說明
圖1是一種用于風光儲優化配置的復合控制方法流程圖；
圖2是功率平滑前后并網功率對比圖；
圖3是功率平滑前后及單、雙儲能系統平滑度對比圖；
圖4是儲能系統容量對離網時間的影響圖；
圖5是儲能系統容量對離網次數的影響圖；
圖6是儲能系統容量對離網次數的影響圖；
圖7是儲能系統容量對儲能系統經濟效益的影響圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。
實施例
圖1是一種用于風光儲優化配置的復合控制方法流程圖。
在本實施例中，如圖1所示，本發明一種用于風光儲優化配置的復合控制方法，包括以下步驟：
s1、設定風光儲系統、單儲能系統和雙儲能系統的初值，并讀入實測數據；
在本實施例中，風光儲系統包括風電系統和光電系統；設定的初值主要包括：系統運行時間、單位采樣時間、風電系統裝機容量、光電系統裝機容量、儲能系統容量、儲能系統初始電量、功率平滑參數。
s2、基于單、雙兩種儲能系統，計算風光儲系統在第i個時段的輸出功率pout(i)；
其中，pgrid(i)為風光儲系統在第i個時段的并網功率，
其中，風光儲系統在第i個時段的并網功率pgrid(i)的計算方法為：
s2.1、計算儲能系統存電量比sj(i)：
其中，
其中，根據儲能系統的功率平衡方程，可以用下面公式表示為儲能系統在第i個時段的存電量
在儲能系統充電時，表示為：
在儲能系統放電時，表示為：
整理上面兩式，從第0時刻累加至第i時刻，可得
充電時，表示為：
放電時，表示為：
式中：
儲能系統的運行可用實時電量的曲線來描述，可知，曲線上最大值與最小值之差即為該功率平滑控制系統所配置的儲能系統的最低總容量閾值cmin，所以儲能系統的容量選值需大于等于此閾值。
s2.2、根據儲能系統第i-1個時段的存電量計算第i個時段并入到電網端的并網功率pgrid(i)：
pgrid(i)＝pder·sj(i-1)
其中，pder表示風光儲系統的額定輸出功率。
s3、根據功率平滑參數δpτ對并網功率pgrid(i)進行修正，使并網功率pgrid(i)滿足設定的功率波動閾值；
當pgrid(i)＞pgrid(i-1)+δpτ時，pgrid(i)＝pgrid(i-1)+δpτ；
當pgrid(i)＜pgrid(i-1)-δpτ時，pgrid(i)＝pgrid(i-1)-δpτ；
當pgrid(i-1)+δpτ＞pgrid(i)＞pgrid(i-1)-δpτ時，pgrid(i)保持不變；
在本實施例中，如圖2所示，經過兩種不同儲能系統平滑后的并網功率明顯波動變得更加平穩，且sess的并網功率比dess更加平滑，沒有出現功率跳變。由圖3可知，經兩種不同的儲能系統平滑后的平滑度psmooth值遠小于平滑前，并且sess的平滑度略優于dess的平滑度。
s4、確定風光儲系統在第i個時段的工作狀態，并進行資源調控；
當pout(i)＞pgrid(i)時，風光儲系統輸出的電能發送給電網，多余產能發送給儲能系統，若儲能系統處于滿充狀態，則棄掉多余電能；
當pout(i)＝pgrid(i)時，風光儲系統輸出的電能全部發送給電網，儲能系統不工作；
當pout(i)＜pgrid(i)時，若儲能系統的存電量足夠負擔pout(i)與pgrid(i)間的差值功率時，即
s5、i＝i+1，進入到下一時間段，并返回步驟s2，進行下一輪的復合控制。
實例
為了說明本發明的技術效果，基于某風光電場數據信息為例，比較處于不同狀態時的儲能系統的并網功率、功率平滑度、系統存電量、離網時間、離網次數、棄用電量和經濟效益，并進行仿真分析。
在儲能系統工作的周期內，發電量可以通過以下公式來計算：
式中：eout為一個設定周期內風光儲系統所產生的發電總量，mw·h；d為系統總運行天數，day；t為一天中整個系統的運行時間，hour。
并入電網的電量可以通過以下公式計算：
式中：
通過電場輸入到儲能系統的電量可以表示為
式中：
對dess的離網時間及離網次數定義為：光伏電場和風電場離網運行的時間之和；光伏電場和風電場分別離網次數之和。
利用儲能系統提高的經濟效益可以表示為：
式中：kd2g為電場輸給電網的入網電價，元/mw·h；kess則為儲能系統的入網電價，元/mw·h。
利用儲能系統，擴大風光儲系統規模帶來的環境效益可以等價為，通過加入儲能系統帶來的節能減排效益，如下式計算：
式中：kh為火電廠(heat-engineplant)生產單位電能帶來的排放成本，元/mw·h。
綜合儲能系統及風光儲系統的發電效益、環境效益、初始成本的投資以及其運行維護的費用，總的經濟效益可以表示為：
c(e)＝b(e)+r(e)-1000·c·m-c·n·y
式中：c(e)為儲能系統的總經濟效益，萬元；m為配置單位儲能系統的容量價格，萬元/(mw·h)；n為配置單位儲能系統的總維護費用，萬元/(mw·h)/year；y為使用年份。
其中，光電系統的有效裝機容量cpv為50mw，風電系統的有效裝機容量cwind為100mw。風、光系統的采樣時間間隔cmin均為5min。光電系統與風電系統的平均輸出功率分別為19.25mw和36.02mw。選取dess的容量cdess為20mw·h，sess的容量csess為30mw·h，且儲能系統初始存電量比s(i)均為50％，即dess的初始電量為10mw·h，sess的初始電量為15mw·h。可以明顯看出，sess的容量小于dess的容量。設定功率波動值δp＝0.1cder，即dess中，光電功率波動值為δppv＝0.1cpv，風電功率波動值為δpwind＝0.1cwindδpwind＝0.1cwind。sess的功率波動值為δpsess＝0.1csess。
實驗發現，dess中光電系統離網運行了495min，風電系統離網運行了910min，風、光系統同時離網運行0min；sess中，離網運行了0min。在此期間，dess中的光電系統的棄用電量為81mw·h，風電系統的棄用電量為385.35mw·h，合計棄用電量為466.35mw·h；而sess中，棄用電量為0mw·h。可以看出，sess完全沒有離網運行且棄用電量為零，表現比dess更加優秀。
為計算經濟效益，在前面算例的基礎上再加入以下計算條件：儲能系統的造價為6300000元/(mw·h)；儲能系統維護費用為27.4元/(mw·h)/day即10000元/(mw·h)/year；光電系統、風電系統及儲能系統輸出至電網端的入網電價為400元/(mw·h)，且排放成本kh按230元/(mw·h)計算。運行時間一年365天，經計算得到光電系統經濟效益cpv(e)為16.6715億元，風電系統經濟效益cwind(e)為25.0706億元，求和得到dess的經濟效益cdess(e)為41.7421億元，sess的經濟效益csess(e)為46.9473億元。sess比dess多5.2052億元，顯然sess的經濟效益優于dess。
圖4是儲能系統容量對離網時間的影響圖。
圖5是儲能系統容量對離網時間的影響圖。
圖6是儲能系統容量對離網次數的影響圖。
圖7是儲能系統容量對儲能系統經濟效益的影響圖。
圖4至圖7的坐標橫軸意義為：sess的總容量和dess的總容量，為簡化問題，令dess中光伏系統的儲能系統和風電系統的儲能系統容量一致，即dess中單個儲能系統容量為sess的一半。
由圖4可以看出，在對離網時間的影響上，sess對其影響大小明顯小于dess；由圖5和圖6可以看出，在對棄用電量和離網次數的影響上，隨著儲能容量cσ的增大，采用sess結構比采用dess結構的系統，效果更理想。
通過圖7可以看出，對儲能系統經濟效益的影響上，sess明顯表現出比dess有更大的經濟效益。甚至在sess選取更小容量時，其儲能系統經濟效益仍然比dess優秀。
可以發現在sess恰好能完全消納新能源電場生產的電能時，sess的經濟效益csess(e)取得最大值。并且隨著sess的消納能力越強，新能源電場的輸出電能總電量不變，增大容量使成本增大，所以sess的經濟效益開始線性減少。而dess一直在增大的原因也顯而易見，即容量值一直沒有達到完全消納能量的零界點。
在功率平滑參數和儲能系統存電量比為基礎的復合算法計算下，sess的平滑度性能指標優于dess，說明sess可以更好的平抑新能源發電系統的有功功率波動。
根據多個儲能系統容量約束仿真結果顯示，sess在對離網時間、棄用電量、離網次數及儲能系統經濟效益的影響明顯優于dess。并且該算法中，為了防止儲能系統過充過放電對其壽命的影響，對其存電量限定其上下限幅值，使之更有實用意義。
盡管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
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