一种考虑平抑风光出力波动的混合储能配置方法

技术领域

本发明涉及了一种混合储能配置方法，具体涉及一种考虑平抑风光出力波动的混合储能配置方法。

背景技术

储能技术具有双向功率特性和灵活调剂能力，可实现能源“断点续传”，支撑能源和信息的实时交互，有效改善新能源波动性、电网调峰调频能力不足，是新型电力系统重要环节。

常见的储能技术包括电化学储能、抽水蓄能、飞轮储能等，新兴的则有氢储能、压缩空气储能等多种形式。其中，氢能燃料电池作为一种清洁高效的先进发电技术，通过电化学原理发电，效率高达60％，远超火力发电以及内燃机效率。然而燃料电池的动态响应具有一定的延时性，系统根据负载来调节氢气的流量；负载快速变化不仅会对燃料电池寿命造成损害,也会对系统的稳定性造成损害。而超级电容器具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。利用超级电容瞬时大电流充放电能力，构成燃料电池与超级电容电电混合储能系统，由燃料电池作为主能源提供长期功率能量输出，超级电容负责高功率峰值和快速响应，实现高功率瞬时响应，并降低主电源的功率输出以延长其使用寿命，从而降低能源系统的生命周期成本，对提高混合储能系统的综合能量密度、动态响应能力以及储能使用寿命具有重要意义。

燃料电池与超级电容混合储能系统响应快、安全性高，然而如何进行燃料电池与超级电容混合储能系统的最优容量配置是一个需要研究的重要问题。

目前，对于燃料电池与超级电容混合储能系统容量配置的研究主要集中在混合储能系统本身。为了合理分配能量型储能装置和功率型储能装置的输出功率，提高系统综合性能、延长系统寿命,需要为混合储能系统选择合适的容量配置方法。国内外学者通过制定混合储能容量优化配置策略，在满足可再生能源功率并网要求的基础上，考虑不同储能技术的储能特性、荷电状态(State Of Charge,SOC)越限要求以及经济实用性。在储能系统容量配置时，通常建立考虑储能系统年综合成本、年综合效益、实时价格机制以及功率容量约束条件等因素的混合储能容量配置模型，采用统计学方法或智能算法对储能系统容量优化配置模型进行求解，得到最佳的储能系统容量配置方案。

现有的文献对混合储能配置的研究，还存在以下问题：1、在混合储能系统对电网的影响方面，以及考虑电网运行需求情况下，进行总体容量配置的研究则还比较初步。2、目前大多数对混合储能配置的研究，氢储能作为一种新型但重要的能量型储能很少在混合储能配置中进行考虑。3、现有研究在配置混合储能时，针对混合储能不同特点的控制策略少有被提出。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种考虑平抑风光出力波动的混合储能配置方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明的考虑平抑风光出力波动的混合储能配置方法，包括：

1)将储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS(Hydrogen Capacitor HybridStorage System)接入具有风光电出力波动的输电网中，根据输电网在运行过程中的功率缺额，采用功率分配方法控制储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS，实现输电网的储能补偿。

2)建立基于混合储能约束的储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的混合储能配置目标模型，将输电网的输出功率目标值以及在储能补偿后的输出总功率输入混合储能配置目标模型中，混合储能配置目标模型输出储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的配置量，实现混合储能配置。

所述的步骤1)中，储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS包括氢储能系统HSS(Hydrogen Storage System)和超级电容器系统SCS(Super Capacitor System)；氢储能系统HSS由电解槽、储氢罐、压缩机和燃料电池组成，氢储能系统HSS利用电解槽将电能转化为氢气通过压缩机储存到储氢罐中，储氢罐中的氢气通过燃料电池将氢气转化为电能给系统供电。

所述的步骤1)中，根据输电网在运行过程中的功率缺额，采用功率分配方法控制储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS，具体为当输电网开始出现功率缺额时，则优先启动超级电容器系统SCS进行储能，当功率缺额大于预设功率缺额阈值时，则启动储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS进行储能。

功率分配方法能够充分发挥能量型、功率型储能的自身特点以及两储能类型的互补特点，利用能量型储能作为一级储能装置，功率型储能作为二级储能装置，对输电网范围内的风光电出力进行平滑处理并保障能量型储能启动次数较少，利于延长其使用寿命。

所述的步骤1)中，输电网在运行过程中的功率缺额具体如下：

P

P

其中，P

以平抑风光出力波动为目的，输电网中主要考虑风光高频波动的影响。因此可将风光输出功率分为两个分量，即持续分量和高频波动分量。将最小min级波动视为高频波动部分，因此主要考虑平抑最小min级波动。平抑波动的计算方法采用滑动平均法，以采样时刻前后的功率平均值为此时刻的平抑目标功率，即风光功率的持续分量部分。在输电网中，设采样周期为T，滑动平均值取t时刻前后M个采样点进行计算。

所述的步骤2)中，储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的混合储能配置目标模型minf具体如下：

minf＝ratio

其中，ratio

代价具体可以以氢储量和电量衡量。

目标模型可以在混合储能的平抑可再生能源出力波动进行配置时，同时要考虑配置代价问题，兼顾配置代价与技术指标，混合储能配置后对风光可再生能源出力平滑的效果较佳。

所述的氢储能系统HSS的总建设代价C

其中，C

储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的配置量包括氢储能系统HSS的电解槽、燃料电池和储氢罐的容量。

所述的超级电容器系统SCS的总建设代价C

C

其中，C

储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的配置量包括超级电容器系统SCS的电量容量和功率容量。

所述的步骤2)中，混合储能约束包括氢储能系统约束和超级电容器系统约束，具体如下：

a)氢储能系统约束：

0≤F

F

L

其中，

定义氢储罐的荷电状态SOC(state of charge)，为保证储能设备的安全运行与使用寿命，氢储罐需要在一定的SOC约束内。除满足SOC约束外，储氢还需满足最大储氢量、最大氢气流量、燃料电池最大消耗氢气流量约束以及全年产生氢气和消耗氢气总量约束。

b)超级电容器系统约束：

-Cap

SOC

其中，Cap

本发明的电子设备，包括：相互耦接的存储器和处理器，其中，所述存储器存储有程序数据，所述处理器调用所述程序数据以执行如上述所述的方法。

本发明的计算机可读存储介质，其上存储有程序数据，所述程序数据被处理器执行时实现如上述所述的方法。

本发明的储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS中，两类储能的能量分配策略为：充分发挥两储能类型的互补特点，利用能量型储能作为一级储能装置，功率型储能作为二级储能装置，对输电网范围内的风光电出力进行平滑处理。考虑到两储能定位的特性，能量管理的总策略应该满足以下特点：1)能量型储能响应基础功率部分，即功率差额中的低频部分。2)功率型储能响应频繁波动功率部分，即功率差额中的高频部分。结合上述基本原则，能量型储能避免频繁启动，处于优化工作状态，因此能够有效延长其使用寿命，而功率型储能可充分利用其快速响应特点，达到对功率差额实时补偿的目的，从而提高电力系统稳定性及储能系统的整体经济性。

本发明的有益效果是：

1)本发明在混合储能容量配置中，除了已有的超级电容器和锂电池这两类储能，还考虑了氢储能这一种新型但重要的能量型储能，对混合储能容量配置的研究更加全面。

2)本发明在构建了储氢及超级电容混合储能系统模型之后，提出了相应的“能量型”和“功率型”储能功率分配策略，能够较好地发挥混合储能的互补作用。

3)本发明混合储能配置方法考虑了电网运行需求情况及平抑风光出力波动，应用混合储能配置方法后，风光出力明显得到平滑和稳定。

附图说明

图1为本发明混合储能配置方法流程图；

图2为本发明实施例某地区一周的典型风电、光电的出力曲线图；

图3为本发明实施例某地区一周典型风光出力曲线的平滑效果图；

图4为本发明实施例典型日中HC-HSS的出力情况及对风光可再生能源出力平滑效果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的考虑平抑风光出力波动的混合储能配置方法，包括：

1)将储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS(Hydrogen Capacitor HybridStorage System)接入具有风光电出力波动的输电网中，根据输电网在运行过程中的功率缺额，采用功率分配方法控制储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS，实现输电网的储能补偿。

步骤1)中，储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS包括氢储能系统HSS(HydrogenStorage System)和超级电容器系统SCS(Super Capacitor System)；氢储能系统HSS由电解槽、储氢罐、压缩机和燃料电池组成，氢储能系统HSS利用电解槽将电能转化为氢气通过压缩机储存到储氢罐中，储氢罐中的氢气通过燃料电池将氢气转化为电能给系统供电。

步骤1)中，根据输电网在运行过程中的功率缺额，采用功率分配方法控制储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS，具体为当输电网开始出现功率缺额时，则优先启动超级电容器系统SCS进行储能，当功率缺额大于预设功率缺额阈值时，则启动储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS进行储能。

功率分配方法能够充分发挥能量型、功率型储能的自身特点以及两储能类型的互补特点，利用能量型储能作为一级储能装置，功率型储能作为二级储能装置，对输电网范围内的风光电出力进行平滑处理并保障能量型储能启动次数较少，利于延长其使用寿命。

步骤1)中，输电网在运行过程中的功率缺额具体如下：

P

P

其中，P

以平抑风光出力波动为目的，输电网中主要考虑风光高频波动的影响。因此可将风光输出功率分为两个分量，即持续分量和高频波动分量。将最小min级波动视为高频波动部分，因此主要考虑平抑最小min级波动。平抑波动的计算方法采用滑动平均法，以采样时刻前后的功率平均值为此时刻的平抑目标功率，即风光功率的持续分量部分。在输电网中，设采样周期为T，滑动平均值取t时刻前后M个采样点进行计算。

2)建立基于混合储能约束的储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的混合储能配置目标模型，将输电网的输出功率目标值以及在储能补偿后的输出总功率输入混合储能配置目标模型中，混合储能配置目标模型输出储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的配置量，实现混合储能配置。

步骤2)中，储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的混合储能配置目标模型minf具体如下：

minf＝ratio

其中，ratio

代价具体可以以氢储量和电量衡量。

目标模型可以在混合储能的平抑可再生能源出力波动进行配置时，同时要考虑配置代价问题，兼顾配置代价与技术指标，混合储能配置后对风光可再生能源出力平滑的效果较佳。

氢储能系统HSS的总建设代价C

其中，C

储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的配置量包括氢储能系统HSS的电解槽、燃料电池和储氢罐的容量。

超级电容器系统SCS的总建设代价C

C

其中，C

储氢及超级电容混合储能系统HC-HSS的配置量包括超级电容器系统SCS的电量容量和功率容量。

步骤2)中，混合储能约束包括氢储能系统约束和超级电容器系统约束，具体如下：

a)氢储能系统约束：

0≤F

F

L

其中，

定义氢储罐的荷电状态SOC(state of charge)，为保证储能设备的安全运行与使用寿命，氢储罐需要在一定的SOC约束内。除满足SOC约束外，储氢还需满足最大储氢量、最大氢气流量、燃料电池最大消耗氢气流量约束以及全年产生氢气和消耗氢气总量约束。

b)超级电容器系统约束：

-Cap

SOC

其中，Cap

本发明的具体实施例如下：

本发明选取某地区一周的典型风电、光电的出力曲线，如图2所示，进行混合储能的配置，配置目的为平滑当地的风光可再生能源出力曲线。

采用上述功率分配策略，并进行HC-HSS的混合储能配置，采用粒子群算法进行求解。混合储能配置容量结果如下：

如图3所示，为该地区一周典型风光出力曲线的平滑效果，可以看出混合储能的配置，将风光可再生能源出力进行了明显的平滑，稳定了可再生能源的出力。

选取典型周中的典型日，绘制HC-HSS的出力情况及对风光可再生能源出力平滑效果，如图4所示。由仿真结果可以看出，由HSS和SCS共同组成的HC-HSS在平滑可再生能源出力方面进行了较好的配合，共同修正可再生能源出力。HC-HSS参与后的可再生能源出力，明显要比参与前变化更加平滑。

HSS和SCS分别为能量型和功率型储能，在平滑风光可再生能源出力时发挥不同作用。仅当功率缺额较大时，HSS发挥作用，作为能量型支撑，因此HSS启动次数较少，避免频繁启动有利于HSS达到预期使用寿命。SCS频繁启动，符合其功率型储能功能定位。