CN103199747A - 利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电池储能***与光伏发电***联合并网应用技术领域中的一种利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法。包括：采集时刻t光伏发电***的功率P_v(t)；计算时刻t光伏发电***的波动率；计算时刻t平滑后的光伏发电***的功率；计算时刻t电池储能***的充放电功率和电池储能***的荷电状态；根据电池储能***的荷电状态调节下一时刻移动平均滤波器的权重和设定循环次数；根据时刻t电池储能***的充放电功率控制电池储能***进行充电或放电；进入下一时刻t+Δt，重复上述步骤进行循环调节。本发明通过实时调整移动平均算法的权重w_i与移动平滑的循环次数m来达到自适应平滑光伏功率的需求，具备了实现光伏与电池储能***的自适应协调控制的能力。

Description

利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法

技术领域

本发明属于电池储能***与光伏发电***联合并网应用技术领域，尤其涉及一种利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法。

背景技术

可再生能源发电技术（如光伏发电和风力发电）以其无污染、可再生、分布广等优点，受到了越来越多的关注。然而，可再生能源发电具有波动性大、随机性强的特点。因此，就地配置一定容量的储能***，可以有效抑制可再生能源发电输出功率的波动，提高电网接纳可再生能源发电的能力。

按照存储形式的不同，储能***可分为物理储能***（包括飞轮储能***、压缩空气储能***和抽水蓄能***）、电化学储能***（包括铅酸、镍镉、镍氢、锂离子、钠硫和液流等电池储能***）和电磁储能***（包括超导储能和超级电容储能器）。其中经济性最优、工程应用技术最成熟的是电池储能***。

大规模储能***与光伏发电***的结合是解决间歇性能源并网困难的重要研究方向。依靠电池储能***来平滑光伏发电***的功率，使光伏发电这种间歇性、波动性很强的可再生能源向可控性能源转变，能够提高电网对光伏发电***的接纳能力。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法，从而提高电网对光伏发电***的接纳能力。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：采集时刻t光伏发电***的功率P_v(t)；

步骤2：计算时刻t光伏发电***的波动率，计算公式为

其中，P_v(t)为时刻t采集的光伏发电***的功率，P_v(t-Δt)为时刻t-Δt采集的光伏发电***的功率，

为光伏发电***的额定功率；

步骤3：计算时刻t平滑后的光伏发电***的功率，计算公式为

其中，P_smooth(t)为时刻t平滑后的光伏发电***的功率，w_i为移动平均滤波器的权重，i＝p,p+1,...,q，p和q为小于m的任意正整数且p+q+1＝m，m为设定循环次数；

步骤4：计算时刻t电池储能***的充放电功率和电池储能***的荷电状态；

时刻t电池储能***的充放电功率的计算公式为P_bat(t)＝P_v(t)-P_smooth(t)；

时刻t电池储能***的荷电状态的计算公式为

Δt为光伏发电***的功率采集时间间隔，

为光伏发电***的额定容量，SOC(0)为电池储能***的初始荷电状态；

步骤5：根据电池储能***的荷电状态调节下一时刻移动平均滤波器的权重和设定循环次数；

步骤6：根据时刻t电池储能***的充放电功率控制电池储能***进行充电或放电；

步骤7：进入下一时刻t+Δt，返回步骤1。

所述步骤5具体是，当电池储能***的荷电状态大于第一设定值时，减少设定循环次数且移动平均滤波器的权重保持不变；当电池储能***的荷电小于第二设定值时，增加设定循环次数且移动平均滤波器的权重保持不变。

所述移动平均滤波器的权重i＝p,p+1,...,q p和q为小于m的任意正整数且p+q+1＝m，m为设定循环次数。

本发明利用移动平均算法实现电池储能***平滑光伏输出功率，通过实时调整移动平均算法的权重w_i与移动平滑的循环次数m来达到自适应平滑光伏功率的需求，具备了实现光伏与电池储能***的自适应协调控制的能力。

附图说明

图1是利用电池储能***平滑光伏发电***功率的控制框图；

图2是结合电池储能***平滑光伏功率的控制结构图；

图3是循环次数m＝500时光伏功率和波动率五点三次移动平滑效果对比图；

图4是循环次数m＝4000时光伏功率和波动率五点三次移动平滑效果对比图；

图5是循环次数m＝100000时光伏功率和波动率五点三次移动平滑效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

本发明目的在于，克服光伏功率平滑不能随***工况自主调节，自适应能力较弱的缺点。

对于由N个非平稳数据组成的数据序列{y_i}，一般可以视之为每m个相邻数据的小区间内是接***稳的,即其均值接近于常量。于是可取每m个相邻数据的平均值来表示该m个数据中任一个的取值，并视其为平滑的数据。通常多用该均值来表示其中点数据或端点数据的平滑结果。例如取m等于5，并用均值代替这5个点最中间的一个就有下式：

$y_3=\frac{1}{5}(y_1+y_2+y_3+y_4+y_5)---\left(1\right)$

同理，

以此类推，可得一般表达式为：

$y_k=\frac{1}{2n+1}\underset{k=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{k+1}---\left(2\right)$

式（2）中，k＝n+1,n+2,...,N-n，2n+1＝m。当然，也有更一般的移动平均方法，即沿全长为N的数据不断逐个移动地取m个相邻数据作加权平均来表示平移数据,其一般算式为：

$y_k=\underset{i=p}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{y}_{k+i}---\left(3\right)$

式（3）中，k＝p+1,p+2,...,N-q，w_i为权系数，且p和q为小于m的任一正整数，且p+q+1＝m。这些参数的不同取法就形成不同的移动平均方法，如p＝q＝2且w_i＝1/2n+1，即为式（2）的算法，称为等权中心平移法。特别是取p＝0或q＝0即为常用的端点平移。当w_i＝1/m(对所有i)时即为等权端点平移，其算式写成：

$y_k=\frac{1}{m}\underset{i=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{k+i},k=\mathrm{1,2},...,m-1$

$y_k=\frac{1}{m}\underset{i=-m+1}{\overset{0}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{k+i},k=N-p+1,N-p+2,...,N---\left(4\right)$

其中，前式为前端点平移法，后式为后端点平移法。应当指出，移动平均法的参数选取将直接影响对数据的平移效果，如式（4）中m取值较大，则局部平均的相邻数据偏多，达到的平滑作用较大；反之，若m取得较小，则达不到较明显的平滑效果。所以我们在使用移动平均算法的时候应按平移的目的及数据的实际变化情况，合理选取移动平均的参数m(以及p和q)与w_i。在动态测试数据处理中应用较多的是最简单的5～11点等权中心平移或2次（3次）加权中心平移。

基于上述原理，在本发明中用于调节平滑功率的移动平均滤波器的权重m，由移动平均算法实现，对于由实测光伏数据构成的非平稳序列{y_i}，其全长为N，不断逐个移动地取m个相邻数据作加权平均来表示平移数据，其一般算式为：

$y_k=\underset{i=p}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{y}_{k+i},k=p+1,p+2,...,N-p---\left(5\right)$

将光伏功率数据代入上式得到：式中，w_i为权系数，且

p和q为小于m的任一正整数，且p+q+1＝m。

通过实时对移动平均滤波器的权重w_i与平滑循环次数m的调整，达到了间接控制电池储能***平滑光伏功率的强弱程度。借助移动平均滤波器，最大限度地满足平滑光伏功率的自适应的要求。

根据上述推导，利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法包括：

步骤1：采集时刻t光伏发电***的功率P_v(t)。

光伏发电***实时功率P_v由数据采集与监视控制***（SCADA***）采集，电池储能***的功率和SOC（State Of Charge,荷电状态）由电池管理***(BMS)采集，在计算出光伏功率的波动率和储能***的SOC的前提下，P_v作为移动平均控制器的输入，P_smooth作为移动平均控制器的输出，储能***功率则为P_bat＝P_v-P_smooth，并网的光伏功率P_bat＝P_v-P_smooth。

步骤2：计算时刻t光伏发电***的波动率。

时刻t光伏发电***的波动率的计算公式为：

$\mathrm{\γ}\left(t\right)=\frac{P_v\left(t\right)-P_v(t-\mathrm{\Δt})}{\mathrm{\Δt}\×P_v^{\mathrm{ref}}}---\left(6\right)$

公式（6）中，P_v(t)为时刻t采集的光伏发电***的功率，P_v(t-Δt)为时刻t-Δt采集的光伏发电***的功率，

为光伏发电***的额定功率。

步骤3：计算时刻t平滑后的光伏发电***的功率。

时刻t平滑后的光伏发电***的功率的计算公式为：

$P_{\mathrm{smooth}}\left(t\right)=\underset{i=p}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{P}_v(t+i\×\mathrm{\Δt})---\left(7\right)$

公式（7）中，P_smooth(t)为时刻t平滑后的光伏发电***的功率，w_i为移动平均滤波器的权重，i＝p,p+1,...,q，p和q为小于m的任意正整数且p+q+1＝m，m为设定循环次数。本发明中，设定

步骤4：计算时刻t电池储能***的充放电功率和电池储能***的荷电状态。

时刻t电池储能***的充放电功率的计算公式为：

P_bat(t)＝P_v(t)-P_smooth(t)  （8）

时刻t电池储能***的荷电状态的计算公式为：

$\mathrm{SOC}\left(t\right)=\mathrm{SOC}\left(0\right)+\frac{P_{\mathrm{bat}}\left(t\right)\×\mathrm{\Δt}}{C_v^{\mathrm{ref}}}---\left(9\right)$

公式（9）中，Δt为光伏发电***的功率采集时间间隔，

为光伏发电***的额定容量，SOC(0)为电池储能***的初始荷电状态，本发明中可取SOC(0)为0.5。

步骤5：根据电池储能***的荷电状态调节下一时刻移动平均滤波器的权重和设定循环次数。

当电池储能***的荷电状态大于第一设定值时，减少设定循环次数且移动平均滤波器的权重保持不变（即

）；当电池储能***的荷电小于第二设定值时，增加设定循环次数且移动平均滤波器的权重保持不变（即

）。

在具体实施时，可以根据计算得到的SOC(t)判断储能***荷电状态是否超过规定的范围。通常规定的范围取[0.2,0.8]，若SOC(t)接近上限值，即将第一设定值取0.79，当SOC(t)＞0.79时，认为SOC(t)接近上限值。这时，减小下一时刻移动算法相应的循环次数，使得储能***尽量放电（SOC减小）。反之，若SOC(t)接近下限值，即将第二设定值取0.21，当SOC(t)＜0.21时，认为SOC(t)接近下限值。这时，增大循环次数以达到充电目的（SOC增大）。

本发明根据计算得到的波动率以及经过移动平滑算法需要达到的10min光伏波动率的限制条件，通过调节平滑的循环次数m达到不同的平滑效果。光伏波动率与设定的循环次数m的关系如下表。

光伏功率10min波动率（%）	平滑循环次数m取值（次）
		<30	500
<20	4000
		<10	100000

步骤6：根据时刻t电池储能***的充放电功率控制电池储能***进行充电或放电。

判断时刻t电池储能***的充放电功率的符号，当P_bat(t)＞0时，表示电池储能***处于充电状态，置位符flag＝-1；当P_bat(t)＜0时，表示电池储能***处于放电状态，置位符flag＝1，flag为对电池储能***的充放电指令。通过发送P_bat(t)和flag指令给电池储能管理***，实时对电池储能***的充放电控制，达到满足光伏功率平滑的要求。

步骤7：进入下一时刻t+Δt，返回步骤1，进行下一时刻的功率平滑。

图1是利用电池储能***平滑光伏发电***功率的控制框图。图1中，通过对电池储能***充放电的有效控制，在根据电池储能***SOC水平和光伏功率的波动率γ的基础上，自适应地调整移动平均控制器的权重w_i与平滑循环次数m，实现了光伏阵列和电池储能***的协调控制。光伏阵列的光伏功率P_v经过移动平均滤波器得到并网功率参考值P_smooth,二者之差为电池储能***的功率。自适应环节通过移动平均控制器实现，由波动率计算单元计算出的γ和SOC检测单元测量出SOC值作为下一时刻移动平均控制器参数调整的参考值，并依据已建立好的移动平均算法，实时调整移动平均滤波器的权重w_i与循环次数m值，实现了自适应平滑光伏输出功率的目的。

图2是结合电池储能***平滑光伏功率的控制结构图。图2中，光伏发电***实时功率P_v由数据采集与监视控制***（SCADA***）采集，电池储能***的功率和SOC由电池管理***(BMS)采集，在计算出光伏功率的波动率和储能***的SOC的前提下，P_v作为移动平均控制器的输入，P_smooth作为移动平均控制器的输出，储能***功率则为P_bat＝P_v-P_smooth。

计算当前时刻t光伏功率的波动率

其中

为光伏发电***的额定功率；根据计算得出的γ(t)和

为光伏发电阵列的额定容量，SOC(0)为储能***初始的荷电状态，本专利里其取值为0.5；通过调节移动平均控制器的权重w_i与平滑循环次数m，和计算出电池储能***的功率P_bat(t)，再经过功率限幅保护作用之后，与P_smooth(t)一起经过输出接口作为***的输出。其中，P_bat(t)为电池储能功率的符号，当P_bat(t)＞0表示充电，置位符flag＝-1；P_bat(t)＜0表示放电，置位符flag＝1，flag为对储能的充放电指令。

图3、图4和图5分别是循环次数m＝500、m＝4000和m＝100000时光伏功率和波动率五点三次移动平滑效果对比图。图3、图4和图5应用本专利所提出的移动平均算法（本次仿真中移动平滑算法用到的是五点三次移动平均算法），针对张北风光储输示范单位得到的某天光伏功率数据，在不同循环次数m进行平滑光伏功率输出的仿真曲线与波动率对比结果图。由图3、图4和图5可以看出，移动平均算法达到了平滑光伏输出功率的目的，减小了光伏功率并网波动率，充分验证了此专利控制策略的有效性。

本发明的控制方法基于移动平均算法，实时在线地调整自适应移动平均控制器的权重w_i与平滑循环次数m，自适应的使电池储能***协调光伏发电***功率输出，该方法不仅能有效控制电池储能***SOC变化范围在其额定容量的20%～80%，还能够按照不同工况，合理地平滑光伏功率，提高了光伏发电***与电池储能***能量分配的合理性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种利用电池储能***平滑光伏发电***功率的方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：采集时刻t光伏发电***的功率P_v(t)；

步骤2：计算时刻t光伏发电***的波动率，计算公式为

其中，P_v(t)为时刻t采集的光伏发电***的功率，P_v(t-Δt)为时刻t-Δt采集的光伏发电***的功率，

为光伏发电***的额定功率；

步骤3：计算时刻t平滑后的光伏发电***的功率，计算公式为

其中，P_smooth(t)为时刻t平滑后的光伏发电***的功率，w_i为移动平均滤波器的权重，i＝p,p+1,...,q，p和q为小于m的任意正整数且p+q+1＝m，m为设定循环次数；

步骤4：计算时刻t电池储能***的充放电功率和电池储能***的荷电状态；

时刻t电池储能***的充放电功率的计算公式为P_bat(t)＝P_v(t)-P_smooth(t)；

时刻t电池储能***的荷电状态的计算公式为

Δt为光伏发电***的功率采集时间间隔，

为光伏发电***的额定容量，SOC(0)为电池储能***的初始荷电状态；

步骤5：根据电池储能***的荷电状态调节下一时刻移动平均滤波器的权重和设定循环次数；

步骤6：根据时刻t电池储能***的充放电功率控制电池储能***进行充电或放电；

步骤7：进入下一时刻t+Δt，返回步骤1。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤5具体是，当电池储能***的荷电状态大于第一设定值时，减少设定循环次数且移动平均滤波器的权重保持不变；当电池储能***的荷电小于第二设定值时，增加设定循环次数且移动平均滤波器的权重保持不变。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述移动平均滤波器的权重

i＝p,p+1,...,qp和q为小于m的任意正整数且p+q+1＝m，m为设定循环次数。

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