本发明属于新能源管理技术领域，涉及储能容量的配置方法，尤其是一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置方法。
背景技术
20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这时，太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源，其开发利用的潜力非常广阔。然而，随着光伏发电大规模接入电网，其各方面的缺点逐渐暴露出来。首先，在没有光照的时间内，故光伏电站无法发电或发电很少，然而居民用电的高峰期大多集中在该时间段，这里就需要利用储能系统进行削峰填谷。其次，光伏发电的功率具有较大的波动性，这将使其在并入电网时会对电网造成较大的冲击。同样，这也需要储能系统来平抑波动。加入储能系统会对光伏电站的多方面性能有所提升，然而储能系统价格昂贵，如果储能系统容量配置过多，其产生的经济效益尚不足以抵消储能电池的投资成本。
国外方面，比如德国目前已能做到保障较高比率的光伏发电接入。但实际上，如此高比率的光伏接入也依托于主干电网和电力市场，故其电网架构也颇为坚强，大规模的电力征调是可行的。
国内方面，目前我国光伏发电占我国电网的总容量不到1％。光伏渗透率较低，尚不足以对电网造成明显影响，故光伏电站现在大量地安装，却没有被间歇性所影响。
解决问题的较好方法是利用储能系统。目前在市场上较为常用的储能电池为铅酸电池和铅炭电池。铅酸蓄电池是目前最为经济的储能系统方案，具有技术成熟、成本低廉、可构建大规模储能系统的优点。相对于各类储能电池，铅酸电池性价比高，在储能系统和工业备用电源中占据主导位置，然而其寿命较短。铅炭电池充放电速度快、浅充放状态下循环寿命长、具有大容量充放电特性等优势。相比于铅酸电池，铅炭电池提高了8倍充电速度，提高了3倍放电功率。从铅酸电池和铅炭电池各自的特点中可以看出，铅酸电池的成本最低，但寿命较短，铅炭电池的充放电次数多，能快速多次充放电，且充放电电流大，但成本略高。
目前，国内现有的储能系统所使用的蓄电池种类多数较为单一，即仅使用铅酸电池作为储能单元，或是仅使用铅炭电池作为储能单元，且未考虑储能系统在平抑波动时所需储能容量的具体数值。同时，国内现有技术鲜有将蓄电池的使用寿命纳入考虑范围。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种科学合理、有效实用且有利于节能推广的光伏/储能一体化系统储能容量配置方法。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置方法，包括以下步骤：
步骤1、以某地光伏/储能系统项目为参考，建立包括铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统的光伏/储能一体化系统，构建光伏/储能一体化系统运行原理图；
步骤2、针对某地不同气候条件下的光照数据和负荷数据，制定合适的能量管理策略以分别控制铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统的功率流动；
步骤3、建立分别用于削峰填谷和平抑波动的铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统，对不同功能条件下的储能容量进行设计计算，使其在充分发挥作用的前提下容量最小；
步骤4、在得出系统分别进行削峰填谷和平抑波动时储能系统的容量后，搭建对应的仿真模型进行仿真。
而且，所述步骤1的光伏/储能一体化系统包括光伏电站系统、铅酸电池储能系统、铅炭电池储能系统、光伏并网逆变器、三相电网和负荷；所述光伏电站系统内的光伏发电单元通过光伏并网dc/ac逆变器与交流母线相连接，并通过交流母线分别与三相电网和负荷相连接；所述铅酸电池储能系统由铅酸电池蓄电池单元构成，该铅酸电池蓄电池单元通过光伏并网dc/ac逆变器与交流母线相连接，并通过交流母线分别与三相电网和负荷相连接；所述铅炭电池储能系统由铅炭电池蓄电池单元构成，该铅炭电池蓄电池单元通过光伏并网dc/ac逆变器与交流母线相连接，并通过交流母线分别与三相电网和负荷相连接。
而且，所述步骤2的具体方法为：通过分析某地晴天光照数据、阴天光照数据和负荷量，绘制出光伏功率曲线和负荷功率曲线，进而计算得出电网需要提供的功率，以及储能系统的功率变化曲线，根据曲线制定光伏/储能一体化系统的能量管理策略，包括储能系统的功率计算公式和电网发出的功率计算公式：
(1)所述储能系统的功率计算公式为：
式中：pbat为蓄电池的充放电功率，单位为w，pbat＜0时，代表蓄电池放电；ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pgrid为电网发出的功率，单位为w，pgrid＜0时，代表电网吸收功率；p为负荷消耗的功率，单位为w；ε为阈值；
(2)所述电网发出的功率计算公式为：
式中：ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pgrid为电网发出的功率，单位为w，pgrid＜0时，代表电网吸收功率；p为负荷消耗的功率，单位为w；ploss为总损耗，单位为w。
而且，所述步骤3的具体方法为：针对储能系统削峰填谷和平抑波动的两个不同功能，来对铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统的储能容量进行计算，具体包括削峰填谷时的铅酸电池储能系统储能容量计算方法和平抑波动时的铅炭电池储能系统的储能容量计算方法：
(1)削峰填谷时的铅酸电池储能系统储能容量计算公式为：
式中：w为削峰填谷时蓄电池所需的容量，单位为j；ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pgrid为电网发出的功率，单位为w，pgrid＜0时，代表电网吸收功率；p为负荷消耗的功率，单位为w；α为蓄电池本身的容量与实际使用的容量之比；δ为裕量系数；
(2)平抑波动时的铅炭电池储能系统的储能容量计算公式为：
式中：w为平抑波动时蓄电池所需的容量，单位为j；ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pfil为光伏电站经滤波后的输出功率，单位为w；α为蓄电池本身的容量与实际使用的容量之比；δ为裕量系数；
而且，所述步骤4的具体方法为：根据计算所得出的储能容量，在matlab/simulink软件上进行模拟仿真研究，根据加入储能系统后各个子系统的功率变化曲线，可验证所建立模型和储能容量算法的有效性。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置方法，以某地光伏/储能系统项目为参考，建立光伏/储能一体化系统，构建光伏/储能一体化系统运行原理图；根据某地实际的晴天光照数据、阴天光照数据和负荷量，制定合适的能量管理策略；围绕建立的系统运行原理图，针对储能系统所执行的不同功能，分别计算各自的储能容量，并归纳一般性的算法；在matlab/simulink软件上搭建相应的仿真模型，验证不同天气以及不同功能条件下储能系统所需储能容量的合理性，并在合理的容量配置上验证了储能系统分别进行削峰填谷和平抑波动的有效性，实现了光伏/储能一体化系统的有效持久运行。
2、本发明针对现有光伏电站接入电网需要解决的削峰填谷和平抑波动的两个技术问题，提出一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置方法，将铅酸电池和铅炭电池组合起来作为储能系统，并通过合适的能量管理策略用于控制储能系统进行削峰填谷和平抑波动；具体来说，针对负荷高峰期与光伏电站发电高峰期错开的情况，通过能量管理，利用铅酸电池进行削峰填谷；针对多云或阴雨天气条件下光伏电站的输出功率存在剧烈抖动的情况，通过能量管理，利用铅炭电池进行平抑波动。
3、本发明在使用铅酸电池作为储能系统时，与现有技术相比，减少了铅酸电池的充放电次数，延长了铅酸电池的使用寿命；本发明在使用铅炭电池作为储能系统时，在将功率预测技术与低通滤波法相结合的前提下计算其储能容量，与现有技术相比，更加具有准确性，也充分利用了铅炭电池充放电速度快的特点。
4、本发明同时使用铅酸电池与铅炭电池这两种蓄电池构成储能单元，并在蓄电池容量最小的前提下充分发挥其削峰填谷和平抑波动的作用，同时本发明也能在充分利用蓄电池特性的前提下延长蓄电池的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的处理流程图；
图2是本发明的光伏/储能一体化系统运行原理图；
图3是本发明的典型光伏阵列功率曲线与典型日负荷曲线图；
图4是本发明的削峰填谷时，晴天光照条件下各模块的功率变化曲线图；
图5是本发明的削峰填谷时，晴天光照条件下用于削峰填谷的铅酸电池状态图；
图6是本发明的削峰填谷时，多云天气下用于削峰填谷的铅酸电池状态图；
图7是本发明的削峰填谷时，储能容量过小时且在晴天光照条件下用于削峰填谷的铅酸电池状态图；
图8是本发明的多云天气下光照曲线的滤波效果图；
图9是本发明的多云气候条件下的光伏阵列功率曲线及其滤波后的曲线图；
图10是本发明的平抑波动时，多云天气下各模块的功率变化曲线图；
图11是本发明的平抑波动时，多云天气下用于削峰填谷的铅酸电池状态图；
图12是本发明的平抑波动时，多云天气下用于平抑波动的铅炭电池状态图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、以某地光伏/储能系统项目为参考，建立包括铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统的光伏/储能一体化系统，构建光伏/储能一体化系统运行原理图。
在本实施例中，所述步骤1的光伏/储能一体化系统包括光伏电站系统、铅酸电池储能系统、铅炭电池储能系统、光伏并网逆变器、三相电网和负荷；所述光伏电站系统内的光伏发电单元通过光伏并网dc/ac逆变器与交流母线相连接，并通过交流母线分别与三相电网和负荷相连接；所述铅酸电池储能系统由铅酸电池蓄电池单元构成，该铅酸电池蓄电池单元通过光伏并网dc/ac逆变器与交流母线相连接，并通过交流母线分别与三相电网和负荷相连接；所述铅炭电池储能系统由铅炭电池蓄电池单元构成，该铅炭电池蓄电池单元通过光伏并网dc/ac逆变器与交流母线相连接，并通过交流母线分别与三相电网和负荷相连接；
目前，光伏/储能一体化系统按照汇流母线类型可分为两类，即共交流母线结构和共直流母线结构。共交流母线结构具有技术优势，光伏发电单元和蓄电池单元分别通过dc/ac逆变器与交流母线相连，系统经过交流母线与电网相连接，当出现电网故障等需要的时候，光伏/储能系统可以脱离电网进行独立运行。这里采用共交流母线系统，典型的光伏/储能一体化系统运行原理图如图2所示。
步骤2、针对某地不同气候条件下的光照数据和负荷数据，制定合适的能量管理策略以分别控制铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统的功率流动；
所述步骤2的具体方法为：通过分析某地晴天光照数据、阴天光照数据和负荷量，绘制出光伏功率曲线和负荷功率曲线，进而计算得出电网需要提供的功率，以及储能系统的功率变化曲线，根据曲线制定光伏/储能一体化系统的能量管理策略，包括储能系统的功率计算公式和电网发出的功率计算公式：
(1)所述储能系统的功率计算公式为：
当光伏电站输出的电量与电网供给的功率之和大于负荷功率需求时，系统多余功率向储能电池充电；当光伏电站输出的功率与电网供给的功率之和不能满足负荷功率需求时，储能电池向负荷供电。其中电网供给的功率可为负，表示需要向电网送电。当光伏阵列输出的总功率与负载的需求相差很小时，为了防止蓄电池频繁充放电引起抖动，设置了阈值，差值小于该阈值时，蓄电池维持前一刻的状态不变。储能系统的功率计算公式可由下式获得：
式中：pbat为蓄电池的充放电功率，单位为w，pbat＜0时，代表蓄电池放电；ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pgrid为电网发出的功率，单位为w，pgrid＜0时，代表电网吸收功率；p为负荷消耗的功率，单位为w；ε为阈值。
(2)所述电网发出的功率计算公式为：
无论是从电网取电还是向电网送电，电网的功率最好保持恒定，这样可以使系统对电网的影响最小。电网发出的功率可通过下式求得：
式中：ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pgrid为电网发出的功率，单位为w，pgrid＜0时，代表电网吸收功率；p为负荷消耗的功率，单位为w；ploss为总损耗，单位为w。
式中，以24小时为一个周期，经过一周期后，其荷电状态应恢复成初始值，储能系统充电的总能量应等于放电的总能量，才可以使光伏储能系统长时间运行而不至于导致运行一段时间后蓄电池过充或过放，而这取决于电网的总能量与光伏阵列的总能量之和是否等于负载消耗的总能量。
步骤3、建立分别用于削峰填谷和平抑波动的铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统，对不同功能条件下的储能容量进行设计计算，使其在充分发挥作用的前提下容量最小；
所述步骤3的具体方法为：针对储能系统削峰填谷和平抑波动的两个不同功能，来对铅酸电池储能系统和铅炭电池储能系统的储能容量进行计算，具体包括削峰填谷时的铅酸电池储能系统储能容量计算方法和平抑波动时的铅炭电池储能系统的储能容量计算方法：
(1)削峰填谷时的铅酸电池储能系统储能容量计算公式为：
蓄电池容量如何配置对光伏发电影响很大，容量选择偏小，光伏发电系统不能充分获取最大收益，电网可靠性降低；容量选的太大，一是增加投资，二是蓄电池可能会长期处于充电不足状态，影响电池的使用效果和寿命，失去部分经济性。一般情况下，用于削峰填谷的储能系统在24小时内，只进行一次完整的充放电，故用于削峰填谷时的铅酸电池储能系统储能容量可由下式获得：
式中：w为削峰填谷时蓄电池所需的容量，单位为j；ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pgrid为电网发出的功率，单位为w，pgrid＜0时，代表电网吸收功率；p为负荷消耗的功率，单位为w；α为蓄电池本身的容量与实际使用的容量之比；δ为裕量系数，通常取1.2。
其中，a点和b点如图3所示，在24小时内，从a点至b点，蓄电池进行一次充电；从b点至a点，蓄电池进行一次放电，故蓄电池的最小容量即为a点从b点对蓄电池进行充电的功率的积分。
(2)平抑波动时的铅炭电池储能系统的储能容量计算公式为：
光伏发电的功率易受天气的影响而呈现较大的波动性，这将使其在并入电网时会对电网造成较大的冲击，故需要储能系统来平抑波动。利用巴特沃斯低通滤波器原理对光伏功率进行滤波，由于低通滤波会造成一定的延时，故引入光伏发电功率预测技术，选择合适的预测时间，可完全或部分消除低通滤波造成的延时，故用于平抑波动时的铅炭电池储能系统的储能容量计算公式可由下式获得：
式中：w为平抑波动时蓄电池所需的容量，单位为j；ppv为光伏电站的输出功率，单位为w；pfil为光伏电站经滤波后的输出功率，单位为w；α为蓄电池本身的容量与实际使用的容量之比；δ为裕量系数，通常取1.2。ax点和bx点的含义如图9所示。
实际生活中确定储能容量时，一般需要留有一定的裕量，故上述提到的储能容量需要乘以一个系数，该系数一般取1.2。一般情况下，蓄电池荷电状态的工作范围为50％～100％，故其用于削峰填谷和平抑波动的放电深度为50％，即实际上蓄电池的配置容量应为所使用容量的2倍。对于蓄电池荷电状态工作范围不是50％～100％的情况，需乘以蓄电池本身的容量与实际使用的容量之比。
步骤4、在得出系统分别进行削峰填谷和平抑波动时储能系统的容量后，通过在matlab/simulink软件上搭建对应的仿真模型，在1天的仿真时间内，研究光伏电站、储能电池、三相电网、负荷的功率流动情况，从而证明经计算所得出的储能容量的经济性和有效性。
所述步骤4的具体方法为：根据计算所得出的储能容量，在matlab/simulink软件上进行模拟仿真研究，仿真时间为1天，图4-7是削峰填谷的仿真结果(未进行平抑波动)，其中图4晴天光照条件下各模块的功率变化曲线，图5是晴天光照条件下用于削峰填谷的铅酸电池状态，图6是多云天气下用于削峰填谷的铅酸电池状态，图7是储能容量过小时且在晴天光照条件下用于削峰填谷的铅酸电池状态。图8为多云天气下光照曲线的滤波效果，图10-12是平抑波动的仿真结果，其中附图10为多云天气下各模块的功率变化曲线，附图11是多云天气下用于削峰填谷的铅酸电池状态，附图12多云天气下用于平抑波动的铅炭电池状态。根据加入储能系统后各个子系统的功率变化曲线，可验证所建立模型和储能容量算法的有效性。
由仿真结果可以看出：本发明提出的一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置技术，经计算所得出的储能容量能有效地进行削峰填谷和平抑波动，实现了光伏/储能一体化系统的有效持久运行。通过仿真结果可以得出以下的结论：
由图5可知，在晴天气候条件下，仅进行削峰填谷时，蓄电池一天只进行一次充放电，在光伏阵列与电网之和的功率波形与负荷的功率波形交点处改变状态。光伏阵列与电网功率之和大于负荷功率时，多余的功率给蓄电池充电；光伏阵列与电网功率之和小于负荷功率时，缺少的功率由蓄电池放电提供。荷电状态在交点处分别接近于最大值和最小值，说明用于仿真的蓄电池容量选择合理；荷电状态仿真开始的初值与仿真结束时的终值很接近，说明向电网取的功率合理。
由图6可知，当气候条件剧烈变化时，储能系统的充放电次数明显增多。由于多云条件下光伏阵列的输出功率不足，导致蓄电池放干电量，其输出功率瞬间变为0，电网的输出功率在同一时刻瞬间增加，原先由蓄电池供给负荷功率的部分转为由电网承担。显然储能系统过于频繁的充放电对蓄电池本身会造成较大的伤害，故应对光伏波动进行平抑。
由图7可知，当储能容量不足时，蓄电池会出现放干电量和充满电量的状态。当蓄电池放干电量时，电网输出的功率会瞬间增加，不足以供给负荷功率的部分由电网承担；当蓄电池充满电量时，电网输出的功率瞬间减小，光伏阵列在对负荷进行供电的前提下还同时将多余的功率馈送至电网，这会造成电能的浪费。可见选取合适的储能容量可以降低经济成本，减少不必要的电能损失。
图8引入了光伏发电功率预测技术，对预测的功率曲线进行低通滤波，滤波结果作为光伏发电功率平抑波动的目标值。其中功率预测的时间可通过滤波时间常数来确定，该控制方法采用的是超短期光伏发电功率预测技术，该技术基于物理与统计相结合的方法，在统计模型的基础上，同时利用了数值天气预测数据，具有较高的准确度。由于功率预测曲线较原功率曲线时间超前，选择合适的预测时间，可完全或部分消除低通滤波造成的延时。由图8可见，对预测的功率曲线进行滤波后所得到的光照曲线与原先的光照曲线的相位基本吻合，达到了预期的效果。
图9中，根据滤波后的光照曲线与原有光照曲线的交点，可计算需要平抑波动的储能系统容量。
图10为多云天气时，用于削峰填谷的储能系统和用于平抑波动的储能系统均投入运营的前提下，电网、光伏电站、负荷、用于削峰填谷的储能系统这四个模块的功率变化曲线。
由图11可知，由于系统同时存在削峰填谷和平抑波动，原本剧烈波动的光伏曲线变得平滑，若未平抑波动，铅酸电池在一周期内充放电次数将会达两次，这会严重影响铅酸电池的寿命。可见，平抑波动能够平滑光伏功率曲线，并间接保护用于削峰填谷的蓄电池，减少其充放电次数。
由附图12可知，用于平抑光伏波动的蓄电池24小时内的充放电次数较多，而铅酸电池的充放电电流小，一天充放电次数有限制，铅炭电池的充放电次数多，能快速多次充放电，且充放电电流大，则比起铅酸电池，铅炭电池更适合平抑波动。
本发明公开了一种光伏/储能一体化系统中储能容量的配置方法，可以给光伏发电系统中的储能容量配置提供参考。围绕建立的系统运行原理图，通过分析某地晴天光照数据、阴天光照数据、负荷量，制定合适的能量管理策略，并建立分别用于削峰填谷和平抑波动的储能系统，对不同功能条件下的储能容量进行设计计算，并归纳一般性的算法。在得出系统分别进行削峰填谷和平抑波动时储能系统的容量后，通过在matlab/simulink软件上搭建对应的仿真模型，在1天的仿真时间内，研究光伏电站、储能电池、三相电网、负荷的功率流动情况，从而证明经计算所得出的储能容量的经济性和有效性。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。