[发明专利]一种基于风光互补特性的风光储发电系统容量优化方法

摘要

一种基于风光互补特性的风光储混合发电系统容量优化方法属于风光储混合发电系统技术领域。本发明通过对混合发电系统的控制，可以实现系统的孤岛模式和并网模式运行。本发明提出了适用于风光储混合发电系统的容量优化模型，以系统成本最小为优化目标，并综合考虑了风光互补特性、并网功率波动情况和系统负荷失电率。该发明充分利用了风光互补特性，只需要较小的蓄电池容量即可保证系统供电的可靠性，降低了系统成本。

主权项

一种基于风光互补特性的风光储发电系统容量优化方法，其特征是：包括以下步骤，并且以下步骤顺次进行，步骤一、采集并录入风光储发电系统所处地点的全年8760小时的光照、温度和风速数据信息；步骤二、建立风光储混合发电系统容量优化模型，风光储混合发电系统容量优化模型包括优化模型的评价指标和优化模型的约束条件，Ⅰ、评价指标包括：①系统供电可靠性以负荷缺电率LPSP表征系统供电可靠性，其定义为：fLPSP=Σt=1N[PL(t)-(Pw(t)+Pv(t)+PE(t))]Σt=1NPL(t)---(1)]]>式中Pv(t)为时段t光伏，Pw(t)为风电的输出功率，PE(t)为蓄电池的输出功率，PL(t)为负荷的功率，N为选取的采样区间的点数；②风光互补特性采用风电与光伏的输出功率之和相对于负荷功率的波动率DL来表征风光互补特性，其定义为：DL=1P‾L1NΣt=1N(Pw(t)+Pv(t)-PL(t))2---(2)]]>式中：为负荷的平均功率；③入网功率的波动采用入网功率标准差DSTD和功率变化率Dgs两个指标来表征入网功率的波动特性，入网功率标准差DSTD为：DSTD=1N-1Σt=1N(Pac(t)-P‾ac)2---(3)]]>式中：Pac(t)为入网功率的瞬时值，为入网功率的平均值，功率变化率Dgs为：Dgs＝(Pac max‑Pac min)/Δt                               (4)式中Pac max表示Δt时间间隔内入网功率的最大值，Pac min表示Δt时间间隔内入网功率的最小值；④系统成本直流配电网的成本主要包括以下部分：a)、固有成本固有成本为风力发电机、光伏电池以及蓄电池各发电单元的购买费用，表达式为：C0=fcrΣi=13Nipi]]>fcr=r(1+r)l(1+r)l-1---(5)]]>式中：i表示电源类型，Ni表示电源的个数，pi表示电源的单价；fcr为折旧系数；r为折旧率；l为电源的使用年限；b)、维护费用维护费用为整个寿命周期中，对发电单元进行维护所需费用，表达式为Cm=lΣt=18760Σi=13kiNipi(t)Δt---(6)]]>式中：t代表某一采样时刻，ki为各电源的维护成本系数，pi(t)为各电源t时刻的运行功率；c)、购电成本购电成本为直流配电网向交流配电网购电的成本，表达式如下：CB=Σt=18760p(t)sgn(Pac(t))Δt---(7)]]>d)、售电效益售电效益为风光储混合发电系统将发出的电能卖给电网所获得的收入，表达式为：CS=Σt=18760Σj=1npconstsgn(-Pac(t))Δt---(8)]]>式中：kin为电价，pj(t)为时刻t向交流电网的售电功率；e)、发电补贴发电补贴为政府部门给建设单位发电补贴，表达式为：Ca=kaΣi=18760Σj=12Njpj(t)Δt---(9)]]>式中j指风机和光伏电池，ka为补贴电价；综上所述，直流配电网的综合成本为：C＝C0+Cm+CB‑Cs+Ca    (10)Ⅱ、优化模型的约束条件包括：①分布式电源DG的最大装机容量约束直流配电网内风电场总占地面积为Sw，长Lw，宽Bw，光伏电站的占地面积为S1，蓄电池的占地面积为S2，则发电单元个数约束表达式为：Nw≤[Lw8dw+1][Bw4dw+1]Nv≤[S1Spαp]NE≤[S2Sb]---(11)]]>式中：[]为取整函数，dw为风轮直径，Sp为单个光伏电池的占地面积，αp为遮阴系数，Sb为单个蓄电池的占地面积；Nw为风机的台数，Nv为光伏电池板的块数、NE为蓄电池的个数；②分布式电源DG的最小功率约束风电、光伏和蓄电池单元的最小安装数量表达式分别为：Nwt≥∫tm0tm1PL(t)dt/∫tm0tm1Pwt(t)dt---(12)]]>NPV≥∫tm2tm3PL(t)dt/∫tm2tm3Ppv(t)dt---(13)]]>Nbs≥λWLdηCbsVbsDODmax---(14)]]>式中：tm0～tm1表示夜间风力发电机的有效工作时间，tm2～tm3表示白天光伏电池板的有效工作时间，WLd表示日负荷能量，单位为kWh，Cbs为蓄电池单体的容量，Vbs为蓄电池单体的电压，DODmax为蓄电池的最大放电深度，η为蓄电池的放电效率，Nwt为风机的最小安装台数、NPV为光伏电池板的最小安装块数、Nbs为蓄电池的最小安装个数；③系统备用容量约束分布式电源总的最大输出功率必须保证系统中增加的μ％的负荷的供电，系统备用容量约束的表达式为：∑PDG≥(1+μ％)PL    (15)式中：PDG为分布式电源总的输出功率，PL为系统内负荷的总功率，μ％为系统备用容量裕度；④蓄电池的充放电约束SOCmin≤SOC≤SOCmax    (16)rch≤rch_R,rdch≤rdch_R    (17)Ich≤Ich max，Idch≤Idch max    (18)0≤Pbs_ch≤Pbs_ch max,0≤Pbs_dch≤Pbs_dch max    (19)Nc≤NC max    (20)蓄电池的荷电状态SOC满足式(16)，蓄电池的充电率rch和放电率rdch满足式(17)，式中rch_R和rdch_R为限定值，蓄电池的充放电电流满足式(18)，蓄电池的充电电流不超过其最大值Ich max，蓄电池的放电电流Idch不超过其最大值Idch max，蓄电池的充放电功率Pbs_ch和放电功率Pbs_dch满足式(19)，其中Pbs_chmax和Pbs_dch max是根据蓄电池的KiBaM模型获得，蓄电池的充放电循环次数Nc满足式(20)，其中NC max为允许充放电循环次数最大值；⑤系统与配电网之间交换功率的约束系统与配电网之间交换的功率Pg满足的公式为：Pg min≤Pg≤Pg max    (21)式中：Pg min为系统与配电网允许交换的最小功率，Pg max为系统与配电网允许交换的最大功率，Pg min和Pg max的数值根据系统与配电网所达成的供求协议确定；⑥性能指标约束a)、供电可靠性约束供电可靠性用负荷缺电率fLPSP表征，负荷的缺电率fLPSP满足的公式为：fLPSP≤λL    (22)其中λL为负荷允许的缺电率；b)、风光互补特性约束光伏与风电输出功率相对于负荷功率的波动率DL小于参考值εL，DL≤εL    (23)c)、入网功率的波动约束入网功率的波动用功率变化率Dgs表征，入网功率的变化率Dgs满足的公式为：Dgs≤εg    (24)其中εg为电网能承受的最大功率变化率，Dgs为入网功率的变化率；根据优化模型的约束条件，筛选并获得系统容量配置样本空间，筛选条件包括通过式(10)获得分布式电源最大装机容量约束，通过式(12)、式(13)和式(14)获得分布式电源最小功率约束限值，通过式(15)获得系统备用容量约束，通过式(16)至式(20)获得蓄电池充放电约束以及通过式(21)获得系统与配电网之间交换功率的约束；步骤三、将步骤一得到的数据输入到HOMER仿真软件当中，并且将式(10)～式(21)输入至HOMER软件当中，运行HOMER仿真软件获得系统容量配置样本空间中每一种容量配置组合的分布式电源DG的输出功率；步骤四、将步骤三中获得的容量配置组合通过式(2)，获得每一种容量配置组合下的风电与光伏的输出功率之和相对于负荷功率的波动率DL，并根据式(23)对风光互补特性进行筛选，满足式(23)的为满足光伏与风电输出功率相对于负荷功率的波动率限制条件的容量配置组合；将满足光伏与风电输出功率相对于负荷功率的波动率限制条件的容量配置组合通过式(1)，获得所述每一种容量配置组合下的负荷失电率fLPSP，并根据式(22)对系统供电可靠性进行筛选，满足式(22)的为满足负荷失电率限制条件的容量配置组合；将满足负荷失电率限制条件的容量配置组合通过式(3)和式(4)，获得所述每一种容量配置组合在并网模式下的功率变化率Dgs，并根据式(24)对入网功率波动特性进行筛选，满足式(24)的为满足入网功率波动限制条件的容量配置组合；步骤五、将所述步骤四中筛选出的满足入网功率波动限制条件的容量配置组合通过式(10)获得该容量配置组合总成本，选取成本最小方案为优化配置方案。