一种风电蓄电池-飞轮混合储能系统的容量优化配置方法

本发明属于储能优化领域，具体的说是涉及一种风电蓄电池-飞轮混合储能系统的容量优化配置方法。

背景技术：

0、技术背景

1、风力发电技术是解决环境污染和能源危机的重要途径，但大规模的风电并网会导致功率的大幅波动，降低风电机组输出电能的质量。此外，风能固有的间歇性、波动性和不确定性导致风电场输出功率无法直接满足并网波动标准。现有应用于风力发电的储能方式以蓄电池储能为主，蓄电池储能技术具有能量密度高、使用效率高、充放电响应速度快等优势。然而，受限于蓄电池内部的化学反应特性，其安全性和耐久性难以保证。因此，单一蓄电池储能系统已无法满足风力发电系统长时间、高频率的储能输出。

2、不同的储能技术在响应特性、经济成本、容量规模等方面各具特色，适用于不同的场景。两种或两种以上的储能系统及其装置结构组合形成的混合储能系统，可融合子系统的优势和技术经济特性，表现出更加优异的综合性能。

3、现有应用于风力发电装置混合储能系统的复合能源配置方案多为蓄电池与超级电容的组合，但在风力发电系统并入电网时容易受到风电消纳能力限制，存在能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联均压的缺点，从而导致电能利用率低的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风电系统蓄电池-飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，该方法兼顾了蓄电池-飞轮混合储能系统的优势区间，具有显著的经济效益和应用前景。

2、为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明是一种风电蓄电池-飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，包括以下步骤：

4、s1：基于蓄电池-飞轮混合储能系统，提出相应的输出功率平滑控制策略；

5、s2：提出蓄电池与飞轮储能子系统的容量分配优化策略，建立混合储能系统容量优化模型；

6、s3：罗列储能功率分界点m的取值，确定飞轮和蓄电池的功率分配情况，将其功率代入蓄电池-飞轮混合储能系统容量优化配置模型；

7、s4：计算基于sapso的各功率临界点m对应的储能系统年均总成本，确定蓄电池储能和飞轮储能的最优配置方案和出力比例情况。

8、优选地，所述步骤s1的具体过程为：

9、s11、分析飞轮储能子系统的结构和蓄电池充放电模型，构建风电系统蓄电池-飞轮混合储能装置，包含风力发电子系统、飞轮储能子系统、蓄电池储能子系统及电网侧变换子系统。

10、s12、提出风电混合储能系统输出功率平滑控制策略。

11、优选地，所述步骤s11的具体过程为：

12、飞轮储能以动能的形式将能量储存在旋转飞轮中，飞轮绕定轴转动，其能量可表示为：

13、

14、式中，jf为飞轮的转动惯量，ωf为飞轮转动角速度。

15、对飞轮储能系统的动力学特性进行分析时，将飞轮视作具有一定转动惯量的质量块。飞轮的转矩可表示为：

16、

17、式中，tf表示飞轮的扭矩，jfm表示飞轮的等效转动惯量。

18、忽略机械传动过程的损耗，作用在飞轮上的转矩与飞轮电机的电磁转矩相互等效，即：

19、tf＝tfe＝pfψfifq

20、式中，tfe表示飞轮电机的电磁转矩，pf表示飞轮电机的磁对数，ψf表示飞轮电机的转子磁链，ifq表示飞轮电机q轴的电流。

21、因此，当飞轮的实际转动速度确定后，通过调节飞轮电机的电磁扭矩即可控控制其输出功率，飞轮系统的功率可表示为：

22、pf＝tfeωf

23、式中，ωf表示电机的转速。

24、优选地：飞轮储能子系统包含放置于真空系统的飞轮结构与电机单元、变换器、直流电容。在实际工作时，借助变换器实现对飞轮电机的无极控制，实现机械能与电能的耦合转换。此外，变换器还可用于整流、变频与恒压。向飞轮储能子系统充电时，变换器将风力发电机械装置输入的直流电转化为交流电，驱动飞轮电机旋转从而带动飞轮加速进行电能的存储。放电时，变换器将飞轮电机输入的交流电转化为直流电，向直流侧回馈能量并输出至电网。

25、风电系统蓄电池-飞轮混合储能装置向负载供电时，飞轮电机以功率/电流双闭环控制方式输出当前时刻为了平滑风力发电系统输出有功功率所需要的附加电功率。在这一功率需求的引导下，飞轮电机通过空间矢量法得到pwm驱动信号，输出对应的电功率。当风力发电在连续充电或连续放电的模式下，飞轮驱动电机处于连续加速或减速状态，可能会在某些状态下到达飞轮转速的极限值。当电机加速到最高转速时，为防止其超速，应将电机转速限制在最高转速(额定转速)状态，此时应切换电机外环的控制模式，将功率/电流闭环控制模式切换为转速/电流闭环控制模式，此时飞轮系统不参与发电系统能量交换，飞轮电机仅从直流侧吸收少量功率维持恒速运行。当飞轮电机获得减速信号时，重新将转速/电流闭环控制切换至功率/电流闭环控制。

26、蓄电池储能子系统由多个蓄电池单体串联或并联而成。假设每个单体蓄电池的额定电压为ubi，额定容量为cbi，蓄电池储能子系统共包含n个蓄电池单体，则蓄电池储能子系统的总储电量可表示为：

27、eb＝ncbiubi/106

28、当蓄电池处于最大放电深度dod时，蓄电池的最小剩余储电量可表示为：

29、ebmin＝ncbiubi(1-dod)/106

30、风电系统蓄电池-飞轮混合储能装置包含风力发电子系统、飞轮储能子系统、蓄电池储能子系统及电网侧变换子系统。在实际工作时，通过协调控制各个子系统对应的变换器(飞轮储能子系统功率变换器(fespc)、风力发电子系统电机变换器(msc)、电网侧变换器(gsc)以及蓄电池储能子系统功率变换器(bespc))可以将风能有效利用并存储在飞轮和蓄电池中，弥补单一储能技术的应用缺陷。此外，风电系统蓄电池-飞轮混合储能装置还可通过蓄电池和飞轮储能子系统的输出比例优化分配实现并入电网时有功功率的波动抑制，显著提升风力发电系统的电能输出质量和稳定性。

31、优选地：s12提出风电混合储能系统输出功率平滑控制策略，具体为：

32、风力发电系统具有随机性强、持续时间不稳定等特性，因此，对风力发电过程进行定量分析时，以平均风速和标准方差风速为典型参考变量描述风力发电的数学过程：

33、

34、在实际控制过程中，考虑风速的不确定性和测量精度误差的影响，由此产生的功率平滑指令与实际值相差较大。因此，以网侧需求功率pg为标准，计算在时间段t内对应的风力发电系统的平滑功率可分别表示为：

35、

36、式中，ρ表示空气密度，r表示风机半径，cp表示风能利用系数。

37、当直流环节稳定后，电网功率与飞轮储能系统和蓄电池储能系统的放电功率高度相关。飞轮储能子系统与蓄电池储能子系统需要共同或单独工作以补偿网侧实际功率与网侧平滑功率的差值或存储多余的电能，以实现削峰填谷。因此，将平均功率pa和标准方差功率pσ的平均值作为平滑功率的期望值。也就是说：

38、

39、式中，pft表示飞轮储能子系统的有功功率给定值，pbt表示蓄电池储能子系统的有功功率给定值。

40、因此，根据上式可确定蓄电池-飞轮混合储能系统的有功功率需求总和，该功率本质上可以看作能够及时反映网侧输出有功波动情况的波动功率。在飞轮储能子系统中，当功率参考值确定后，经功率、电流双闭环控制，便可使飞轮电机发出满足平滑所需的有功功率。当输出功率有余时，飞轮系统储存有余的能量。当输出功率不足时，飞轮系统释放能量，实现一定程度的削峰和填谷作用。当输出功率稳定时，飞轮系统不参与能量交换，恒转速运行。

41、优选地，所述步骤s2的具体过程为：

42、s21、蓄电池子系统的年平均成本及约束。

43、s22、飞轮子系统的年平均成本及约束。

44、s23、建立混合储能系统容量优化模型。

45、优选地，所述步骤s2的具体计算过程为：

46、s21、蓄电池储能系统的年平均综合成本cb主要包括初始投资成本等年值cbt和年运行维护成本cby。初始投资成本cbt指储能系统建设初期一次性投入资金，主要由其额定功率pb和额定容量eb决定，其中功率部分通常与储能能量转换系统的价值相关，容量部分则体现了储能设备本身的价值。初始投资成本cbt按等年值法可表示为：

47、

48、式中，kp表示蓄电池的功率成本系数，ke表示蓄电池的容量成本系数，tb为蓄电池的运行年限，r0为贴现率。

49、蓄电池的年运行维护成本cby是指储能系统运行阶段所需要的运行和维修成本，每年等额产生，也由其额定容量eb和额定功率pb决定：

50、cby＝kpypb+keyeb

51、式中，kpy表示蓄电池的功率运行维护成本系数，key为蓄电池的容量运行维护成本系数。

52、储能系统的优化目标是在满足平滑功率需求的前提下，合理配置储能功率和电量等级，使得储能系统的年综合成本最小。因此，蓄电池储能子系统的容量优化配置目标函数可表示为最小化年平均综合成本cb：

53、

54、对上述目标函数进行优化时，蓄电池储能系统存在以下约束：

55、(1)功率约束：蓄电池储能子系统的功率指令与飞轮储能子系统的功率指令应满足平滑功率需求，即：

56、

57、(2)蓄电池的soc约束：为了保证蓄电池充放电过程的正常工作状态，尽可能延长其使用寿命，蓄电池的soc应尽可能保持在合理的限定范围内：

58、socbmin≤socb(t)≤socbmax

59、式中，socb(t)表示当前时刻的蓄电池soc；socbmin和socbmax分别为soc的下限和上限；

60、(3)蓄电池充放电响应能力约束：蓄电池的输出功率在任何时刻都应保持在额定充放电功率之内，同时还要考虑剩余电量导致的充放电功率约束：

61、

62、式中，eb(t)表示当前时刻的电池剩余电量，ηbc和ηbd分别表示蓄电池的充电效率和放电效率，δt表示采样间隔时间。

63、s22、对飞轮储能子系统的功率和容量进行针对性的优化设计，可以显著提升风力发电系统的经济性。对飞轮储能系统进行容量配置优化时，考虑飞轮储能系统的全生命周期成本、辅助服务获得的收益和飞轮储能系统本身需要满足的约束条件。

64、飞轮储能系统从生产制造到并网运行再到回收过程中，其年均支出主要包括年均固定投资成本和年均运行维护成本。对于飞轮储能系统经济性影响显著的成本计算方法如下：

65、mincf＝min(cfixed+cope)＝(ceef/η+caef+cppe)+coppe

66、式中，ce表示飞轮储能本体单位容量的费用，ca表示飞轮储能辅助设施单位容量的费用，cp表示能量转换装置单位功率的费用，ef表示飞轮储能系统的额定容量，η表示充放电效率，cop表示单位功率的固定运行成本。

67、飞轮储能系统同样存在以下约束：

68、(1)功率约束：飞轮储能子系统的功率指令与蓄电池储能子系统的功率指令应满足平滑功率需求，即：

69、

70、(2)飞轮储能系统的soc约束：为了保证飞轮储能系统充放电过程的正常工作状态，尽可能延长其使用寿命，飞轮储能系统的soc应尽可能保持在合理的限定范围内：

71、socfmin≤socf(t)≤socfmax

72、式中，socf(t)表示当前时刻的飞轮储能系统的soc，socfmin和socfmax分别为soc的下限和上限。

73、(3)飞轮储能系统充放电响应能力约束：飞轮储能系统输出功率在任何时刻都应保持在额定充放电功率之内，同时还要考虑剩余电量导致的充放电功率约束：

74、

75、式中，ef(t)表示当前时刻的飞轮储能系统的剩余电量。

76、s23、总结上述步骤优化过程的总约束，建立混合储能系统容量优化模型：

77、

78、优选地，所述步骤s3的具体过程为：

79、s31、罗列储能功率指令分界点m的可能取值。

80、为了确定当风电系统的平滑功率需求确定时蓄电池储能和飞轮储能系统的出力比例m，可通过列举不同的m得到不同的混合储能功率指令分配结果，比较所对应的系统成本来确定最优分界点。

81、s32、通过m的取值，得到对应的不同蓄电池储能和飞轮储能功率指令曲线，代入步骤s2中建立的混合储能系统容量优化模型。

82、优选地，所述步骤s4的具体过程为：

83、s41、阐述传统pso的流程：

84、(a)初始化一个规模为n的粒子群，设定其初始位置和速度；

85、(b)参考式计算每个粒子的适应度值；

86、(c)对每个粒子，将其适应值与其经历过的最好位置pis进行比较。若较好，则记录该位置为当前的最好位置；

87、(d)对每个粒子，将其适应值和全局经历过的最好位置pgs的适应值进行比较。若较好，则将其作为当前的全局最优位置；

88、(e)根据下式对每一个粒子的位置和速度vis进行更新：

89、

90、式中，a1和a2是学习因子，r1和r2是相互独立的伪随机数，服从[0,1]上的均匀分布；

91、(f)满足终止条件时则输出对应的解，否则进入步骤(b)。

92、s42、进行传统pso算法的优化：考虑到传统pso算法在全局最优解和局部最优解之间的性能局限，为了提高pso的性能，提出了一种基于自适应策略粒子群优化算法(sapso)，使其能够很好地平衡粒子的局部和全局搜索能力，其自适应更新公式如下：

93、ω(t+1)＝(ωmax-ωmin)×δ+ωmin

94、c1(t+1)＝(c1s-c1f)×δ+c1f

95、c2(t+1)＝(c2s-c2f)×δ+c2f

96、

97、其中,ωmax和ωmin分别为惯性权重的最大值和最小值，c1s和c1f是自我认知参数的初始值和最终值，c2s和c2f是认知参数的初始值和最终值，tmax表示最大迭代次数。

98、s43、对上述步骤s3、s4进行总结确定基于sapso算法对蓄电池-飞轮混合储能系统容量进行优化配置时的总目标函数为：

99、minftotal＝α1cb+α2cf

100、式中，α1和α2为权重系数。

101、s44、通过比较不同分界点下的储能系统成本，从而最终确定成本最低的分界点以及相应的储能容量优化配置方案。

102、本发明的有益效果是：本发明针对现有风电系统单一储能系统的不足，提出一种风电蓄电池-飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，主要利用基于自适应策略粒子群优化算法(sapso)的混合储能系统内部功率指令分配与容量优化配置的联合求解方法；通过所提联合求解方法确定的最优分界点能够实现混合储能功率指令的合理分配，使得风电系统的输出功率平滑、稳定；同时，可以保证所设计的混合储能系统的经济成本相对最低，具有显著的经济效益和应用前景。

103、上述混合储能单元在风力发电系统能量过剩时进行充电以储存电能，在能量不足时放电释放电能，从而保证风电系统输出有功功率的平滑与稳定。

104、本发明的蓄电池-飞轮混合储能系统还具有以下优势：

105、(1)飞轮通过物理方式储能，对环境无污染；

106、(2)飞轮系统工作于稳定的进程中，外界环境因素的变化对其影响不大；

107、(3)飞轮系统的使用寿命较长，对于整个使用周期来讲性价比较高；

108、(4)飞轮系统的充/放电速度快，状态转换速度快，能快速响应风电系统要求；

109、(5)储能效率高，单位功率密度大；

110、(6)对飞轮系统容量的选取可根据风力发电系统容量和电网的要求具体设计，能最大程度降低成本、减小空间。