儲能與間歇式DG的窨星配比關(guān)系以及實用估算方法
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楊汾艷，陳曉科，黃嘉健，李蘭芳，張澤群，肖峻，東磊，鄒廣宇
（1．廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510080;
2．天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072；
3．天津天大求實電力新技術(shù)段份有限公司，天津 300384）
摘要：隨著分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率逐步提高，其間歇性和波動性等特點給電網(wǎng)帶來了一定的沖擊。儲能是解決問歇式分布式電源(DG)接入問題的關(guān)鍵，現(xiàn)有的研究尚未明確儲能與DG的容量配比關(guān)系�；贒G頻譜分析結(jié)果對平滑輸出場景下儲能DG容量配比問題展開了研究，并提出了一種實用的儲能容量配置估算方法。首先，介紹了儲能容量優(yōu)化的原理和算法。其次，利用某地各項目的實際間歇式DG數(shù)據(jù)，使用頻譜分析的方法得到容量優(yōu)化結(jié)果，并分析得到DG最大波動值與最優(yōu)儲能功率容量的關(guān)系、儲能功率容量與能量容量的關(guān)系。實際工程較易得到的為DG的額定功率，因此還補充分析了DG額定功率與最大波動值之間的關(guān)系．最終得到儲能容量與DG額定功率之間的關(guān)系，即儲能與DG的配比規(guī)律。據(jù)此可無需要儲能優(yōu)化算法而通過簡單手工計算得到近似優(yōu)化的儲能功率容量和能量容量。最后，通過算例對比了儲能容量優(yōu)化算法和實用方法，結(jié)果表明該實用方法簡單有效。
關(guān)鍵詞：分布式電源；儲能；規(guī)劃；容量配比
0引言
風(fēng)、光作為清潔的可再生能源在國內(nèi)外得到迅猛發(fā)展，由于其問歇性，給電網(wǎng)帶來了較大沖擊。目前越來越多的實例證明，儲能是這一問題的重要解決方法。由于目前儲能價格昂貴，儲能容量配置以及運行問題已經(jīng)成為當(dāng)今熱門課題。
儲能與分布式電源(DG)發(fā)電系統(tǒng)配合模式按其控制目標(biāo)的不同大致可分為2類：(1)配合DG平滑輸出波動（包括短期和長期波動）；(2)將間歇式DG轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)度能源，實現(xiàn)削峰填谷、計劃發(fā)電等。要實現(xiàn)后者所需要的儲能容量較大，當(dāng)前儲能價格昂貴，其經(jīng)濟(jì)性有待發(fā)展，因此本文只討論平滑DG的模式。
現(xiàn)有的儲能容量優(yōu)化方法或以經(jīng)濟(jì)費用最小為目標(biāo)，或以技術(shù)性指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)，建立相應(yīng)的模型及目標(biāo)函數(shù)，運用某種算法得到最終結(jié)果。通常做法是在風(fēng)光功率或儲能容量其中選一個為定值，另外一個作為變量變化時衡量不同的補償效果，期望得到最優(yōu)儲能容量。文[11]給定風(fēng)光出力與負(fù)荷后，得到了不同儲能范圍下供電損失率、能源浪費率等指標(biāo)的評估結(jié)果，確定最優(yōu)儲能容量范圍。文[12]在給定風(fēng)電場額定功率與輸出功率曲線后，分析了不同運行模式下最佳儲能容量的影響，得到當(dāng)前并預(yù)測未來的最優(yōu)儲能容量。文[13]首先對工廠、商業(yè)區(qū)的負(fù)荷特性進(jìn)行了比較分析．然后得到不同的光伏和儲能容量對降低總成本、減少CO2排放的影響，最終得到光伏和儲能的容量。
以上研究更偏重于對儲能容量優(yōu)化方法的研究．計算過程較為復(fù)雜，在實際工程應(yīng)用中缺乏簡單有效的估算方法。現(xiàn)有的研究還缺乏分布式儲能規(guī)劃配置的相關(guān)結(jié)論。文[14]針對大型風(fēng)電場．分析了在儲能容量一定的情況下不同數(shù)量額定功率風(fēng)機(jī)的補償效果，間接研究了儲能與風(fēng)機(jī)的功率配比，但未涉及儲能與DG的配合。
本文針對上述問題開展研究，采用現(xiàn)有主流方法在平滑DG輸出場景下對大量實例數(shù)據(jù)進(jìn)行儲能容量優(yōu)化計算．再總結(jié)規(guī)律得到儲能與間歇式DG的容量配比關(guān)系，并基于此提出一種實用的儲能容量估算方法。
1 儲能容量優(yōu)化算法
本文容量優(yōu)化算法使用文獻(xiàn)[4]的算法。
1.1 儲能充放電功率確定
為實現(xiàn)對DG功率平滑的目的，首先使用傅里葉變換對DG功率進(jìn)行頻譜分析確定補償頻段，再根據(jù)補償頻段利用傅里葉反變換得到平滑后的目標(biāo)曲線，最后得到儲能充放電功率。以下舉例說明。
1.1.1傅里葉變換
圖1為某地風(fēng)力發(fā)電機(jī)一天的功率波動曲線。
式中：N為采樣點個數(shù)。
傅里葉變換后頻譜分析的結(jié)果如圖2所示。
當(dāng)采樣時間為60 s時．頻譜為0～0.008 333 Hz(1／(2x60 s))。由圖2可以看出．DG的功率波動頻率主要集中在低頻部分。本文岡各實例數(shù)據(jù)不同，為使各實例對比公平，本文使用文獻(xiàn)[4]使用試差法搜索到的最小補償頻率范圍的近似值為0~0.000 l Hz．獲得補償頻段后．使補償頻段對應(yīng)的幅值大小不變，將補償頻段外的幅值置0，即
式中：fgc,n為所需要補償?shù)念l段；Sgc,n為補償頻段對應(yīng)的幅值。
1.1.2傅里葉反變換
對S。進(jìn)行傅里葉反變換可以得到DG平滑輸出功率序列為
式中：F(．)為離散傅里葉反變換函數(shù)。
反變換后輸出的功率序列如圖3所示。
1.1.3充放電功率獲取
通過傅里葉變化與反變換，得到平滑后的DG功率曲線，儲能所需的對外充放電功率PIwS為
式中：Pix;為DG的原始功率值。由式(5)知，儲能充電時功率值為負(fù)．放電時為正。
考慮到儲能在實際充放電過程中會產(chǎn)生損耗，即考慮儲能充放電效率．儲能實際充放電功率為
式中：ηES,d為放電效率；ηES,c為充電效率。
1.2儲能功率容量確定
可再生分布式電源平滑后的目標(biāo)輸出功率確定之后．通過目標(biāo)輸出功率減去分布式電源直接輸出功率，便可得到儲能所需充放電功率指令。以儲能充放電功率指令絕對值的最大值作為功率容量，以便儲能能夠滿足所有功率指令需求。儲能功率容量PESO為
1.3儲能能量容量確定
儲能荷電狀態(tài)(state of(．ha了ge，SOC)-般取值0～1,在SOC限制的前提下，以儲能所需累計最大放電能量E囂：，與累計最大充電能量E囂：之和，作為儲能系統(tǒng)能量容量E。為
式中：SOC．，。和SOC,．。分別為實際工程中使用的儲能SOC的上下限約束。理想情況下，SOC。，=1，SOC,．。=0。考慮到儲能實際運行時為了避免過充過放影響儲能壽命，SOC。，與實際運行時與儲能的類型、型號等有關(guān)，一般無法取到理想值。
2儲能與DG的容量配比關(guān)系
2.1 DG功率最大波動值與儲能功率容量的關(guān)系
2.1.1 容量優(yōu)化數(shù)據(jù)
對多套問歇性DG功率數(shù)據(jù)進(jìn)行儲能容量優(yōu)化計算，得到結(jié)果見表1。
表1中案例均為某地DG項目典型日的功率波動數(shù)據(jù)．其中案例1~6是同一項目中不同日期數(shù)據(jù)，案例7—11是另外5個項目的數(shù)據(jù)。
時間窗口為全數(shù)據(jù)長度內(nèi)．為考察一定時間尺度下的波動特性所截取的連續(xù)時問段。由于6個項目功率采樣時間不同．因此各項目數(shù)據(jù)時間窗口也不同。本文采用2倍采樣時間作為時間窗口，若時間窗口變大，則由于采集的數(shù)據(jù)范圍變大．最大波動值也會隨之變大．2倍采樣時間的時間窗U較為合理。
該12個算例的負(fù)荷波動的頻率較低，即類似間隙性DG高頻率的波動很少或沒有，儲能的平滑主要針對DG的間歇性波動．因此僅分析儲能容量與對DG的關(guān)系。此外，本文采用的儲能優(yōu)化配置算法不但可以針對DG,也可以針對DG功率和負(fù)荷合成后的凈負(fù)荷。當(dāng)負(fù)荷有間歇性波動時也可以分析。
2.1.2規(guī)律總結(jié)與分析
圖4.5為選取某地光伏采樣數(shù)據(jù)與某項日的風(fēng)電采樣數(shù)據(jù)以及其平滑效果。
對表1優(yōu)化結(jié)果并結(jié)合圖4.5總結(jié)，得到儲能功率容量與DG最大波動值的關(guān)系為
式中：P為計算的功率值，F(xiàn)lu—x為最大波動值，kW;Q為最大波動切割值，即平滑后的曲線將DG最大波動功率切割為兩部分后，較大的部分占波動總功率的值，取0~1。η為綜合效率，本文選取綜合效率值為88%,并默認(rèn)儲能充放電效率相等。若實際運用中充放電效率不相等，可將其分別代人，選取最大值。
圖4和圖5中，P了。為可再生分布式電源的實際功率幅值；Pal,為平滑后的功率輸出。圖4中，光伏一天之中的最大波動發(fā)生在11:00左右：圖5中，風(fēng)機(jī)一天中最大波動發(fā)生在23:00左右。當(dāng)Ppv高于Pall，儲能需要吸收電源的多余的電量，儲能充電；當(dāng)Pl，。低于‰，儲能需要發(fā)出不足的電量，儲能放電。Pal,大約穿過P，。最大波動處的2/3的位置，即在最大波動處，儲能需要放m波動值2/3左右的電量．此時也是儲能一天中一次性充放電中最大的功率，再除以放電的效率η。即可計算出儲能功率容量。
可見，最大波動切割值Q是在接近2/3左右小幅度波動，實用計算中可以取2/3。
2.2 DG額定功率與最大波動值的關(guān)系
本文定義風(fēng)光發(fā)電系數(shù)η。即可發(fā)電最大功率所占額定功率的百分比，該系數(shù)與各地風(fēng)光資源、裝機(jī)型號等有關(guān)，DG額定功率PHJ,乘以風(fēng)光發(fā)電系數(shù)η。，得到安裝地點DCJ實際最大出力功率。定義η．，為DG最大波動功率與實際發(fā)電最大功率的比值，簡稱波動比。即滿足關(guān)系
風(fēng)光發(fā)電系數(shù)η。南所在地區(qū)的風(fēng)速或光照、溫度等條件決定的。
將表1中第5列最大功率波動值除以第4列DG額定功率得到表2，各案例的波動比值。
由表2可得．波動比值為0.08～0.60．其中0.5～0.6占45%．其中案例1、3、6波動較小，是由當(dāng)天的天氣狀況導(dǎo)致�？梢钥闯�，波動比值最大為0.6．本文η。取0.5～0.6，實用計算中η。可取0.6。
2.3儲能能量容量與功率容量的配比關(guān)系
針對儲能的能量容量．日前國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了很多的研究．本文提出最佳持續(xù)時問的概念探究功率容量與能量容量的關(guān)系。最佳可持續(xù)時間為儲能在保持額定功率下的最佳持續(xù)放電時問，此時儲能能量容量和功率容量達(dá)到最佳配比。
2.3.1 數(shù)據(jù)分析
將大量優(yōu)化案例的儲能功率容量與能量容量進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。
表3中最后一列為儲能可持續(xù)時問�？蓪�0.45以上的數(shù)據(jù)近似看作0.50．將1.05近似看作1.00。則11組數(shù)據(jù)中，可持續(xù)時間在0.50～1.00 h的為91%,即只有一組數(shù)據(jù)不在此范圍。本文便選取0.50～1.00 h作為最優(yōu)可持續(xù)時間。即在功率容量確定以后，可以0.50—1.00 h作為基準(zhǔn)來對能量容量進(jìn)行選擇。
2.3.2 SOC差值與最佳可持續(xù)時間關(guān)系確定
由儲能能量容量計算公式可得，儲能能量容量的計算不僅和儲能充放電過程中能量的最大值和最小值有關(guān)外，還與SOC的初始值和上下限的差值有關(guān)。本文選取的為最優(yōu)初始soc，即可保證儲能充放電過程中能量的最大、最小值分別處于SOC。，．，和SOCI,,。的位置。并SOC,,I,=100%，SOC,。。=40%,即SOCUP-SOC．。=60%．，即在保證初始sOc為最優(yōu)．soc上下限的差值為60%時的最佳持續(xù)時間為0.50—1.00 h。在實際運用中．SOC初值可以本文原理為依據(jù)做出優(yōu)化．soc的上下限的差值可能由于儲能型號的不同而有所變化。表4給出了在不同的soc上下限差值下的最佳持續(xù)時問。
由表4可以看出．最佳可持續(xù)時問本文給出的為范圍值，在實際應(yīng)用中可取范圍的中問值，如SOC上下限差值為45%—55%時，取0.9。
3基于配比關(guān)系的實用儲能容量估算方法
根據(jù)2.1.2中式(9)與2.2中(10)聯(lián)立，可以得到儲能功率容量的簡化計算公式為
式中：PI{P為風(fēng)光的額定功率；η。為風(fēng)光發(fā)電系數(shù)，7．為波動比；Q為最大波動切割值；叩為綜合效率。
其中P了P.η，需根據(jù)實際情況確定，由前文可知，在實際應(yīng)用中，η。可取0.5～0.6，Q可取2/3，η根據(jù)儲能特性而定，在88%附近，可取88%。將以上數(shù)據(jù)帶入式(11)得
從式(12)可以看出，儲能功率容量與DG實際最大功率的配比關(guān)系為0.36—0.43。
根據(jù)2.3．儲能能量容量計算公式可總結(jié)為
式中：n為最佳持續(xù)時間，具體結(jié)果可從表4得到。
綜上，根據(jù)DG額定功率、風(fēng)光發(fā)電系數(shù)、儲能綜合效率即可得到儲能的功率容量。在得到儲能功率容量的基礎(chǔ)上在已知儲能SOC差值的基礎(chǔ)上便可得到儲能能量容量。
由以上分析可得．儲能容量在已知DG額定功率、與地區(qū)環(huán)境因素有關(guān)的風(fēng)光發(fā)電系數(shù)和與儲能本身有關(guān)的參數(shù)（儲能的綜合效率和儲能的SOC差值）便可得到。即本文通過對實驗數(shù)據(jù)的規(guī)律分析和總結(jié)，在不需要使用容量優(yōu)化方法的條件下．只要已知上述4個數(shù)據(jù)便可估算出所需儲能容量。
4算例分析
4.1 算例基本情況
本義使用某地額定功率為l 500 kW光伏為例，采樣時間為60 s，根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶鞖�、光照等因素確定當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)光發(fā)電系數(shù)為1．即當(dāng)?shù)毓夥β什▌涌蛇_(dá)到其額定功率的60%。儲能綜合效率為88%，SOC上下限分別為100%、40%。該光伏一天放電功率如圖6。
412 本文方法計算儲能容量
根據(jù)式( 10)得到該光伏發(fā)電的最大波動值為900 kW,根據(jù)式(9)得到儲能功率為533～639.6 kW,選取，為0.6，即功率容量為639.6 kW，根據(jù)表4的規(guī)律分析，本文選取儲能0.50～1.00 h為最佳時長．則儲能的能量容量為319.8—639.6 kW -h,本文建議取中問值，即479.7 kW -h。
4.3儲能容量優(yōu)化結(jié)果對比
使用文獻(xiàn)[4]的儲能容量優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化，將本文的優(yōu)化結(jié)果和文獻(xiàn)[4]的結(jié)果進(jìn)行，對比如見表5所示。
由表5看出．本文方法在儲能的功率容量上與文獻(xiàn)[4]方法相差較小，能量容量上文獻(xiàn)[4]方法在本文方法的范同之內(nèi)，說明了本文估算方法的可行性。
5結(jié)論
本文首次研究了儲能容量與分布式電源DG的容量配比關(guān)系．總結(jié)并深入分析了平滑輸出場景下的儲能功率容量與DG容量間的關(guān)系以及儲能功率容量與能量容量之間的關(guān)系。
在實際工程中一般無法得到DG的最大功率波動數(shù)據(jù)，因此，在本文還對DG的最大功率波動值與額定功率進(jìn)行了分析。分析得到儲能功率容量與DG額定功率配比取0.36～0.43比較合適．儲能能量容量與功率容量比值則需根據(jù)SOC差值由表4給出。
基于配比研究結(jié)論提出了估算儲能容量的實用方法。在已知DG功率、風(fēng)光發(fā)電系數(shù)、儲能充放電效率、儲能SOC限制的條件下，無需復(fù)雜的儲能容量優(yōu)化方法，便可估算出儲能容量值，具有較好的工程實用價值。
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