基於儲能運行狀態的光伏功率穩定輸出控制方法與流程
2023-09-11 17:24:30 2
本發明涉及光伏發電技術領域，特別是涉及一種基於儲能運行狀態的光伏功率穩定輸出控制方法。
背景技術：
光伏發電作為國家能源戰略的重要組成部分，近年來得到了迅速發展，為電網輸送了大量清潔能源。但由於其固有的波動性、間歇性和不可控的特點，光伏發電系統裝機容量和滲透率的不斷提高的同時，也給電力系統的安全穩定運行帶來了很多負面影響，如調峰能力差、對電網衝擊大、需增加旋轉備用容量等。因此，為光伏電場配備一定容量的儲能儲能系統可以有效平抑光伏輸出功率波動，提高系統的電能質量，實現對電網的友好接入。
近年來，國內外學者對儲能的配置問題進行了相關研究，取得了諸多研究成果，現有技術中公開了以下技術方案：
通過實時的電池soc反饋調節控制分別實現了對風光聯合發電系統功率波動的平抑；
用小波包方法分解光伏輸出功率信號，結合不同類型儲能的循環壽命性能，通過對功率型儲能soc的模糊自適應控制，實時調整能量型儲能和功率型儲能的充放電功率；
基於蓄電池儲能系統的荷電狀態(soc)，通過相關規則實時調整濾波器的濾波時間常數，來實現控制荷電狀態穩定在正常工作狀態的目標；
基於光伏出力和負荷短期預測誤差，利用區間估計法得出儲能設備的容量配置函數，比較儲能容量在分布式配置和集中式配置下的預測誤差方差，以達到更優的功率補償效果；
利用離散傅立葉變換對可再生能源進行頻譜分析以確定儲能補償範圍，進而提出滿足要求的容量確定方法；
以獨立風光柴儲微網系統為研究對象，建立起容量優化模型，利用遺傳算法以綜合成本費用最低為優化目標，探討了系統中各個電源在給定調度策略下最優容量配置。
上述研究對光伏電站併網功率的波動問題上進行了較多考慮，但並未考慮儲能本體的運行狀態對於光伏功率波動的影響，由此使得上述方法對於儲能的容量需求偏大。
技術實現要素：
為克服現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種基於儲能運行狀態的光伏功率穩定輸出控制方法。
為了實現上述目的，本發明實施例提供的技術方案如下：
一種基於儲能運行狀態的光伏功率穩定輸出控制方法，所述方法包括：
s1、選定研究對象時間截面窗口長度y及其運行數據p(t)；
s2、基於最佳功率輸出模型確定期望輸出目標值pg，並給定初始soc值；
s3、設置粒子群維數d，最大迭代次數mmax，收斂精度cσ，同時初始化粒子群位置x和速度v；
s4、根據充放電策略，計算各粒子的適應度值並將其自身粒子極值pi及全局例子極值pg比較，若適應度值較小，則更新pi及pg，若否更新粒子速度vid及位置xid；
s5、計算δσ2並判斷是否滿足收斂條件若是，則獲取最佳儲能容量wo；若否，重新釋放例子組建新的族群，並重複步驟s4，式中，δσ2為粒子群的群體或全局適應度方差的變化量，cσ為接近於零的定常數。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s1中的最佳功率輸出模型中：
t時刻光伏功率輸出功率pp(t)與併網目標功率pref(t)的差值δp(t)為δp(t)＝pp(t)-pref(t)；
當儲能系統處於充電狀態時：為t時刻儲能系統充放電功率，ηc為儲能系統的充電效率；
當儲能系統處於放電狀態時：為t時刻儲能系統充放電功率，ηd為儲能系統的放電效率。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s1中的最佳功率輸出模型中：
當儲能系統處於充電狀態時：pess(t)＝δi(t)δp(t)ηc，為t時刻儲能系統充放電功率，ηc為儲能系統的充電效率，δi(t)為t時刻充放電功率修正係數；
當儲能系統處於放電狀態時：pess(t)＝δi(t)δp(t)/ηd，為t時刻儲能系統充放電功率，ηd為儲能系統的放電效率，δi(t)為t時刻充放電功率修正係數。
作為本發明的進一步改進，所述儲能系統按運行時soc的限制分類包括：預過放區域[qsoclow-l2，qsoclow-l1]、正常區域[qsoclow-l1，qsochigh-l1]、預過充區域[qsochigh-l1，qsochigh-l2]。
作為本發明的進一步改進，所述t時刻充放電功率修正係數δi(t)具體為：
預過充區域中，充電狀態時放電狀態時δi(t)為1；
正常區域中，充電狀態和放電狀態時δi(t)均為1；
預過放區域中，充電狀態時δi(t)為1，放電狀態時
作為本發明的進一步改進，所述步驟s4中的充放電策略中，儲能容量優化的目標是：
minc＝klρlllost+ksρslshort+keρeless+cc；
其中，ρl、ρs、ρe分別為光伏電站棄光損失能量、平滑功率短缺損失能量以及儲能系統越線運行的折算能量的對應單價；ρlllost為光伏電站棄光能量成本；ρslshort為光伏電站平滑功率短缺損失能量成本；ρeless為儲能系統越線運行的折算損失能量成本；kl、ks和ke為運行成本的懲罰係數；cc儲能系統的投入成本。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s4中的充放電策略中，光伏電站棄光損失能量、平滑功率短缺損失能量和儲能系統越線運行的折算能量分別為：
式中，ny為研究對象的時間年度；g、h為ny年度中充放電過程持續δi＜1調整運行區間的總次數；p、q分別為g區間的初始和結束時間；u、v分別為h區間的初始和結束時間；k為ny年度中儲能系統運行狀態位於超出最大荷電狀態的總次數；l為ny年度中儲能系統運行狀態位於低於最小荷電狀態的總次數；x、y分別為k區間的初始和結束時間；z、a分別為l區間的初始和結束時間。
作為本發明的進一步改進，所述步驟s4中的充放電策略中，約束條件包括：
充放電功率約束：
-pdηd≤pw(t)-pref(t)≤pc，pd和pc分別為儲能系統的極限充放電功率；
光伏電站輸出功率波動水平約束：
p{|δpd(t)|≤δpdmax}≥λ，δpd(t)δpd(t)為光伏電站輸出功率經儲能系統平抑後的波動值，δpdmax為波動值的最大允許範圍上限，λ為對應的可信度水平；
荷電量約束：
和分別為儲能單元的最小和最大荷電量。
本發明具有以下有益效果：
本發明考慮到光伏功率受自然條件影響而具有較強波動性，利用儲能實現光伏功率的平穩輸出控制。通過充放電功率修正係數實現了儲能荷電狀態的有效調整，從而避免過度充放電，由此在充分平抑光伏出力波動的同時，有效延長儲能運行壽命，減少系統運行成本。
附圖說明
圖1為本發明基於儲能運行狀態的光伏功率穩定輸出控制方法的流程示意圖。
圖2為本發明一具體實施例中選定時間截面期望輸出曲線圖。
圖3為本發明一具體實施例中選定時間截面平抑效果示意圖。
圖4為本發明一具體實施例中soc曲線示意圖。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。
現有技術中相關平抑光伏功率波動的儲能運行策略中均未考慮儲能系統的荷電狀態，顯然由於儲能系統頻繁出現過充過放現象，或長時間處於不正常的工作荷電狀態，導致其使用壽命大大減少，大幅增加了儲能系統的成本，不利於經濟性的考慮；第二，儲能系統的過充過放使得充放電功率難以控制，會導致注入電網的功率出現劇烈波動，影響電網穩定性。荷電狀態是指其剩餘容量與其完全充電狀態的容量比值。當soc＝1時表示電池完全充滿，當soc＝0時表示電池放電完全。在儲能電站中，通常情況下，充電時取各個電池組中的荷電狀態最大值作為整個儲能系統的荷電狀態值；放電時取各個電池組中的荷電狀態最小值作為整個儲能系統的荷電狀態值。這樣可以有效防止單個電池的過充過放現象。
本發明通過調整儲能充放電系統來調整儲能裝置始終工作在正常工作範圍，同時考慮儲能荷電狀態和光伏功率輸出穩定性，能夠同時有效平抑併網功率波動與精確調整儲能系統荷電狀態。
參圖1所示，本發明的一種基於儲能運行狀態的光伏功率穩定輸出控制方法，包括：
s1、選定研究對象時間截面窗口長度y及其運行數據p(t)；
s2、基於最佳功率輸出模型確定期望輸出目標值pg，並給定初始soc值；
s3、設置粒子群維數d，最大迭代次數mmax，收斂精度cσ，同時初始化粒子群位置x和速度v；
s4、根據充放電策略，計算各粒子的適應度值並將其自身粒子極值pi及全局例子極值pg比較，若適應度值較小，則更新pi及pg，若否更新粒子速度vid及位置xid；
s5、計算δσ2並判斷是否滿足收斂條件若是，則獲取最佳儲能容量wo；若否，重新釋放例子組建新的族群，並重複步驟s4，式中，δσ2為粒子群的群體或全局適應度方差的變化量，cσ為接近於零的定常數。
本發明通過調整儲能充放電系統來調整儲能裝置始終工作在正常工作範圍，該方法同時考慮儲能荷電狀態和光伏功率輸出穩定性，能夠同時有效平抑併網功率波動與精確調整儲能系統荷電狀態。
光伏電站儲能系統的儲能策略是：當光伏功率輸出功率大於併網功率參考值時，儲能系統充電以平抑輸出功率波動；當光伏功率輸出功率小於併網功率參考值時，儲能系統放電以彌補輸出功率的不足，以此平滑光伏功率的輸出功率，實現光伏功率併網功率的穩定性。
t時刻光伏功率輸出功率pp(t)與併網目標功率pref(t)的差值δp(t)為：
δp(t)＝pp(t)-pref(t)(1)
則儲能系統的充放電功率如式(2)、(3)所示。
儲能系統處於充電狀態時：
儲能系統處於放電狀態時：
式中：為t時刻儲能系統充放電功率；當時，儲能系統充電，時，儲能系統放電；ηc為儲能系統的充電效率，一般取0.65～0.85，ηd為儲能系統的放電效率，一般取0.95左右。
儲能電站充放電功率指令應當考慮當前的soc水平和當前時刻的功率指令大小，即當soc位於正常工作範圍內，儲能電站的充放電功率保持不變；當soc越線到非正常工作範圍時，需要及時調整充放電功率，防止出現過充過放現象。
設定儲能系統運行時soc的限制分類。其中，qsocmax和qsocmin分別為儲能系統荷電狀態的上限和下限，[qsocmin，qsoclow-l2]為過放區域，[qsoclow-l2，qsoclow-l1]為預過放區域、[qsoclow-l1，qsochigh-l1]為正常區域、[qsochigh-l1，qsochigh-l2]為預過充區域，[qsochigh-l2，qsocmax]為過充區域，以上為儲能系統不同荷電狀態的運行區間，其中qsochigh-l2和qsoclow-l2分別過充過放警戒線。
儲能系統荷電狀態運行區間的改變將引發功率修正係數的對應調整，通過功率修正係數改變儲能系統的充放電功率，以達到預先控制儲能系統的運行，避免其達到過充過放的狀態。具體的控制策略如表1所示。
表1功率修正係數控制規則
當儲能系統荷電狀態偏高，即位於預過充區域時，表示儲能趨於飽和。若處在充電狀態下需對進行預先控制，通過式(4)調整功率修正係數，修正使其減小，以緩解其荷電狀態升高的速度，防止儲能系統出現過度充電的狀態；若處在放電狀態下則維持原值。反之亦然，當儲能系統荷電狀態偏低，即位於預過放區域時，若處在放電狀態通過式(5)調整功率修正係數，修正使其減小，以減緩其荷電狀態降低的速度，防止儲能系統出現深度放電的狀態。若處在充電狀態下則維持原值。當儲能系統荷電狀態位於正常區域時，維持修正係數不變，使其正常充放電。其中，
式中，δi(t)為t時刻充放電功率修正係數，當儲能系統位於正常區域時取值為1；qsoc(t)為t時刻儲能系統的荷電狀態。本發明採用對數壁壘函數，當荷電狀態接近qsocmax或qsoclow-l2時，因對數函數收斂性強，可以更快的降低δi(t)，更好地起到預先控制充放電功率的作用，有效避免儲能系統的荷電狀態達到過充或過放狀態。
需要說明的是，本發明提出的功率修正係數控制方法在儲能系統荷電狀態達到qsochigh-l2時，δi(t)最小值不為0，其目的在於保證儲能容量的充分利用，仍可繼續充電；而荷電狀態達到qsoclow-l2時已將δi(t)修正為零，這樣可以嚴格控制儲能系統的最低容量，徹底避免儲能系統運行在過放區域，減少儲能系統的壽命損耗。
由此，可以得到調整後的儲能系統充放電功率。
儲能系統處於充電狀態時：
pess(t)＝δi(t)δp(t)ηc(6)
儲能系統處於放電狀態時：
pess(t)＝δi(t)δp(t)/ηd(7)
式(6)、式(7)中：pess(t)為t時刻經過功率修正係數調整後的儲能系統充放電功率，當pess(t)＞0時，儲能系統充電，pess(t)＜0時，儲能系統放電。
光伏電站儲能容量優化的目標在於保證減少光伏功率輸出功率波動的前提下，調節投入成本與運行成本之間的相互制約關係，在保證平滑輸出功率的前提下，以最低儲能的投入成本和運行成本實現光伏電站儲能系統的運行效益最優化。
光伏電站配置不同的儲能容量得到的功率波動平抑效果不同，在保證滿足光伏功率輸出功率波動要求的前提下，針對儲能容量投入成本與運行成本的制約關係，以儲能的綜合效益達到最優為目標。其中，儲能系統的投入成本cc包括儲能系統的維護成本cm，儲能系統各儲能單元的置換成本(僅當儲能單元的使用壽命小於工程年限時考慮)cr和儲能系統的基本投資成本cb。
cc＝cm+cr+cb(8)
cm＝ynbessρ(9)
cb＝nbessρ1wo+nbessρ2wom(10)
式中：y為工作時間；nbess為儲能系統中蓄電池的數量；ρ為儲能容量單位容量維護價格；ρ1為儲能容量單位容量安裝價格；wo為光伏電站最優儲能容量的額定值；ρ2為儲能容量單位容量價格；m為折舊係數，其定義為：式中：r為折舊率；lm為工程年限。
運行成本包含因功率修正係數調整引起的光伏電站棄光損失成本，平滑功率短缺損失成本以及儲能系統越線運行的折算損失成本，三者均因儲能容量的變化而變化。
因光伏電站輸出功率具有年度周期性，以年度光伏電站輸出功率作為儲能容量優化的研究對象，其光伏電站棄光損失能量、平滑功率短缺損失能量和儲能系統越線運行的折算能量分別如式(11)、式(12)、式(13)所示：
式中：ny為研究對象的時間年度；g、h為ny年度中充放電過程持續δi＜1調整運行區間的總次數；p、q分別為g區間的初始和結束時間；u、v分別為h區間的初始和結束時間；k為ny年度中儲能系統運行狀態位於超出最大荷電狀態的總次數；l為ny年度中儲能系統運行狀態位於低於最小荷電狀態的總次數；x、y分別為k區間的初始和結束時間；z、a分別為l區間的初始和結束時間。
光伏電站儲能容量優化的目標是：
minc＝klρlllost+ksρslshort+keρeless+cc(14)
式中：ρl、ρs、ρe分別為光伏電站棄光損失能量、平滑功率短缺損失能量以及儲能系統越線運行的折算能量的對應單價；ρlllost為光伏電站棄光能量成本；ρslshort為光伏電站平滑功率短缺損失能量成本；ρeless為儲能系統越線運行的折算損失能量成本；kl、ks和ke為運行成本的懲罰係數；cc儲能系統的投入成本。
式(13)中，儲能系統越線運行的折算損失成本包含2個部分：一是當儲能系統運行在過高荷電狀態時，儲能系統未處於合理運行狀態影響自身壽命周期的折算成本；二是當儲能系統荷電狀態過低時，儲能系統未處於合理運行狀態影響自身壽命周期的折算成本。
本發明充放電策略中的約束條件包括：
充放電功率約束：
-pdηd≤pw(t)-pref(t)≤pc(15)
式中：pd和pc分別為儲能系統的極限充放電功率，將放電看作負充電過程，其大小以其絕對值為準。
約束條件包括光伏電站輸出功率波動水平約束：
p{|δpd(t)|≤δpdmax}≥λ(16)
式中：δpd(t)δpd(t)為光伏電站輸出功率經儲能系統平抑後的波動值；δpdmax為波動值的最大允許範圍上限；λ為對應的可信度水平。
荷電量約束：
式中：和分別為儲能單元的最小和最大荷電量。
為驗證本發明方法有效性，基於青海某光伏電站實際運行數據計算儲能最優容量。本實施例考慮pso算法以解決本發明包含動態邊界條件且含有多個隨機變量的隨機優化問題，具體模型求解步驟為：
步驟1：選定研究對象時間截面窗口長度y及其運行數據p(t)；
步驟2：基於最佳功率輸出模型確定期望輸出目標值pg，並給定初始soc等值；
步驟3：設置粒子群維數d，最大迭代次數mmax，收斂精度cσ，同時初始化粒子群位置x和速度v；
步驟4：根據本發明充放電策略，設置c1、c2、ω、vmin、vmax等參數，結合式(11-17)計算各粒子的適應度值並將其自身粒子極值pi及全局例子極值pg比較，若適應度值較小，則更新pi及pg，若否更新粒子速度vid及位置xid；
步驟5：計算δσ2判斷是否滿足收斂條件，搜索收斂條件為：
式中δσ2為粒子群的群體或全局適應度方差的變化量，cσ為接近於零的定常數。若是，則獲取最佳儲能容量wo；若否，重新釋放例子組建新的族群，並重複步驟(4)。
本發明從最優容量wo、平抑功率偏移量χ、soc極值越限次數n、soc過程曲線等指標參數衡量本發明方法有效性。該光伏電站裝機容量9mw，採集頻率為5min，平抑目標值如圖2所示。
依據本發明中充放電功率調整策略及儲能容量優化計算模型，得到平抑波動輸出曲線如圖3所示，本發明方法計算結果如表2所示。
表2計算結果
分析上述實施例可得，容量規劃方面，本發明方法有效實現了儲能容量的優化；平抑功率偏移量方面，本發明方法與常規方法相近，略有增加，其原因是功率修正係數調整策略提升了棄光或平抑不足的能量的概率；越極限值運行方面，本發明大幅減少n的數值，其降幅達96.2％，效果明顯。考察儲能電站最優容量獲取過程中soc的變化狀況，如圖4所示。可以看出，本發明方法中soc在該區段未越極限值運行，有效保障了ess的使用壽命。
綜上可得，本發明容量優化計算模型綜合考慮了儲能電站配置及運行過程中的總體經濟性，有利於與現場的有效結合。上述理論研究為儲能容量的最優化提供了理論前提和保障。同時，實際數據算例分析驗證了上述結論。
由以上技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：
本發明考慮到光伏功率受自然條件影響而具有較強波動性，利用儲能實現光伏功率的平穩輸出控制。通過充放電功率修正係數實現了儲能荷電狀態的有效調整，從而避免過度充放電，由此在充分平抑光伏出力波動的同時，有效延長儲能運行壽命，減少系統運行成本。在該控制策略技術長進一步探討了光伏電站配置儲能的優化容量問題，為光儲系統的優化運行提供重要理論支撐。利用青海地區光伏電站實際運行數據進行計算，結果表明可實現光伏功率的平穩輸出，同時能夠控制儲能荷電狀態的波動範圍，有效避免過度充放電，表明該方法具有較強的可行性和應用性。
對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。