一种储能容量配置方法

本发明涉及储能配置优化，特别是一种储能容量配置方法。

背景技术：

1、随着可再生能源特别是风力和太阳能在全球能源结构中所占比重的日益增加，电力系统的惯性逐渐降低，对电力系统的频率稳定性带来了前所未有的挑战。传统的基于化石燃料的发电方式由于其固有的高惯性特性，对电网频率的波动具有天然的抑制作用。然而，可再生能源发电通常依赖于功率电子设备连接到电网，几乎不提供额外的惯性，使得系统更容易受到频率波动的影响。在此背景下，电池储能系统以其快速响应的特性，成为了解决低惯性电力系统频率波动问题的有效工具。

2、然而，电池储能系统的配置策略包括其容量大小和连接到电网的具体位置对于其在抑制频率波动方面的效能至关重要。不当的配置不仅会降低系统稳定性，还可能导致经济效益的大幅下降。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种储能容量配置方法，本发明通过电池储能系统的优化分配来缓解低惯性电力系统中的频率波动问题，开发一种储能的连接位置和容量确定方法，以同时保持频率和电压的稳定性。通过分析母线的电压敏感度，利用无功功率裕度指标确定最易崩溃的电压节点从而确定储能的连接位置。此外，还建立了一个优化模型来确定储能容量的大小，考虑经济性的同时保持系统的频率稳定，为储能装置在电力系统中的应用提供了一种新的配置方法。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、根据本发明提出的一种储能容量配置方法，

4、基于电网的电压稳定性，初步得到无功功率与电压q-v曲线；

5、针对初步得到的无功功率与电压q-v曲线，利用连续潮流法求解出完整的无功功率与电压q-v曲线；

6、根据完整的无功功率与电压q-v曲线，确定储能的最佳连接位置；

7、根据储能的最佳连接位置构建储能容量配置模型，从而确定储能容量。

8、作为本发明所述的一种储能容量配置方法进一步优化方案，初步得到无功功率与电压q-v曲线，具体方法如下：

9、q–v曲线通过求解下式得到的：

10、

11、

12、其中，r和x分别表示传输线电阻和电抗，φ表示负载母线处的功率因数角，pl是有功功率，ql是无功功率，vg和vl分别是发电机母线电压幅值和负载母线电压幅值。

13、作为本发明所述的一种储能容量配置方法进一步优化方案，储能连接到电网中最弱的负载母线以提供频率和电压支持，在突发事件后保持负载母线电压稳定性，将无功功率裕度作为识别指标最弱的负载母线的指标，无功功率裕度最小的负载母线即为电网中最弱的负载母线，最弱的负载母线是储能在电网中的最佳连接位置；

14、无功功率裕度通过无功功率与电压q–v曲线的最低点与q–v曲线的电压轴之间的距离来量化；

15、具有发电机和负载的电力系统等效地表示为单机和单负载母线系统，在负载母线上，有功功率和无功功率用下式表示：

16、

17、其中，pl是有功功率，ql是无功功率，是发电机母线上的相量电压，指负载母线上的相量电压，表示相量形式的传输线阻抗，j为虚数单位，上标*为向量共轭转置；

18、和分别用下式表示：

19、

20、

21、其中，e为自然底数，vg和vl分别是发电机母线电压幅值和负载母线电压幅值，δg和δl分别指发电机母线电压角和负载母线电压角；

22、负载母线处的有功功率和无功功率之间的关系由下式给出：

23、ql＝pltanφ (4)

24、其中，φ表示负载母线处的功率因数角；

25、假设传输线阻抗由公式(5)表示，则有功功率和无功功率的表达式通过公式(6)和(7)扩展：

26、

27、

28、

29、其中，r和x分别表示传输线电阻和电抗；

30、q–v曲线通过求解公式(6)和(7)来实现。

31、作为本发明所述的一种储能容量配置方法进一步优化方案，在q–v曲线的最低点附近，方程(6)、(7)若出现没有解的情况，利用连续潮流法求解出完整的无功功率与电压q-v曲线；具体如下：

32、假设电力系统的准静态状态模型方程f(z,λ)由下式表示：

33、

34、其中，λ表示随时间变化的负载参数，z＝[xy]t表示电力系统状态变量参数，x是状态变量的矢量，y是代数变量的矢量，表示状态变量的求导，上标t表示向量转秩，f()表示典型准静态状态模型方程函数关系；

35、连续潮流法的计算过程为：

36、初始化步骤：

37、在公式(8)中的任一解中选择起始点，起始点从一个已知的系统状态点(z0,λ0)开始，z0表示初始的系统状态，λ0表示初始的负载参数；

38、预测步骤：

39、首先确定公式(8)求解的初始方向，改变负载参数，在公式(8)中增加一个负载参数变量δλ来预测新的状态点(z1,λ1)，使用线性近似更新新的电力系统状态变量参数z1和新的负载参数λ1：

40、随后基于当前电力系统状态变量参数点的切线方向预测未来的电力系统状态变量参数点，为校正步骤提供初值；

41、校正步骤：

42、使用牛顿-拉夫逊法对预测的新的电力系统状态变量参数以及负载参数进行校正，通过迭代求解以下方程直到收敛：

43、f(zaew,λnew)＝0

44、其中，f(znew,λnew)为参数为新的电力系统状态变量参数状态点以及负载参数下的电力系统准静态状态模型方程，znew为电力系统状态变量参数的最新值，λnew为负载参数的最新值；

45、参数更新与连续追踪步骤：

46、完成一次预测步骤-校正的循环后，用新求得的znew和λnen替代原来的z0和λ0值，然后重复执行预测步骤和校正步骤，逐步增加δλ，直到达到负载参数预定的最大值或者电力系统准静态状态模型方程达到稳定性边界；

47、通过连续变化δλ，绘制出各个负载母线的q-v曲线。

48、作为本发明所述的一种储能容量配置方法进一步优化方案，

49、z1＝z0+δz

50、λ1＝λ0+δλ

51、其中，δz是系统状态的变化量，通过下面的线性化公式预测表示：

52、

53、作为本发明所述的一种储能容量配置方法进一步优化方案，根据完整的无功功率与电压q-v曲线，确定储能的最佳连接位置，具体如下：

54、依次确定各个负载母线的q-v曲线的最低点，从而确定各个负载母线的无功功率裕度，将无功功率裕度最小的负载母线确定为储能装置的最佳连接位置。

55、作为本发明所述的一种储能容量配置方法进一步优化方案，根据储能的最佳连接位置构建储能容量配置模型，包括：确定储能的最佳连接位置后，需要确定储能容量配置大小，储能容量配置问题是一个优化问题，该优化问题包括目标函数以及约束条件，最后确定求解方法求解该优化问题；具体如下：

56、定义目标函数：

57、储能容量配置的目标函数旨在最小化频率偏差，表示为：

58、

59、其中，of表示目标函数，δf(t)表示在时间段t的频率偏差，t表示求解总时间段，c表示单位容量的储能装置价格，etotal表示储能的总容量，ω1和ω2表示目标函数中不同子项的权重值；

60、δf(t)表示为：

61、

62、其中，h表示系统的惯性常数，pm(t)表示时间段t的发电机功率，pl(t)表示时间段t的负载功率，pbess(t)表示储能在时间段t的输出功率，pbess(t)为正值代表放电，pbess(t)为负值代表充电，δt表示时间步长；

63、定义约束条件：

64、系统频率变化率约束：

65、

66、其中，rocofmax表示允许的系统偏差变化率最大值；

67、储能充放电状态约束：

68、socmin≤soc(t)≤socmax

69、其中，soc(t)表示在时间段t的储能荷电状态，socmin和socmax分别表示荷电状态的最小值和最大值；

70、soc(t)的动态更新由下表示：

71、

72、其中，soc(t-δt)表示在t-δt时间段的荷电状态，η表示储能的充放电效率；

73、采用粒子群优化pso算法来解决上述储能容量配置优化问题。

74、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

75、(1)本发明通过构建一个目标为最小化系统频率偏差以及储能投资成本，满足系统稳定性和安全运行的各类约束条件的储能容量配置模型；本发明引入了基于连续潮流计算的储能连接位置决策过程，综合考虑电力系统频率响应和电压稳定性需求。

76、(2)与传统的储能配置策略相比，本发明探索了具有多种支撑效果的储能配置问题，旨在为电力系统中的储能投资和运营提供最优策略，实现在频率稳定性保障和经济成本之间的最佳平衡，为储能装置在电力系统中的应用提供了一种新的配置方法。