一种风电蓄电池-飞轮混合储能系统的容量优化配置方法技术方案

本发明专利技术属于储能优化领域，公开了一种风电蓄电池

【技术实现步骤摘要】
一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法


[0001]本专利技术属于储能优化领域，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。
技术背景
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术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。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术是一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，包括以下步骤：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]优选地，所述步骤S1的具体过程为：
[0013]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。
[0014]S12、提出风电混合储能系统输出功率平滑控制策略。
[0015]优选地，所述步骤S11的具体过程为：
[0016]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：
[0017][0018]式中，J
f
为飞轮的转动惯量，ω
f
为飞轮转动角速度。
[0019]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：
[0020][0021]式中，T
f
表示飞轮的扭矩，J
fm
表示飞轮的等效转动惯量。
[0022]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：
[0023]T
f
＝T
fe
＝P
f
ψ
f
i
fq
[0024]式中，T
fe
表示飞轮电机的电磁转矩，P
f
表示飞轮电机的磁对数，ψ
f
表示飞轮电机的转子磁链，i
fq
表示飞轮电机q轴的电流。
[0025]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：
[0026]P
f
＝T
fe
ω
f
[0027]式中，ω
f
表示电机的转速。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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U
bi
，额定容量为C
bi
，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：
[0031]E
b
＝nC
bi
U
bi
/106[0032]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：
[0033]E
bmin
＝nC
bi
U
bi
(1
‑
DOD)/106[0034]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，其特征在于：所述容量优化配置方法包括如下步骤：步骤1、基于蓄电池
‑
飞轮混合储能装置，提出风电混合储能系统的输出功率平滑控制策略；步骤2、提出蓄电池与飞轮储能子系统的容量分配优化策略，建立蓄电池
‑
飞轮混合储能装置容量优化模型；步骤3、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
‑
飞轮混合储能装置容量优化配置模型；步骤4、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。2.根据权利要求1所述的一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，其特征在于：所述步骤1中的蓄电池
‑
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，所述风力发电子系统、飞轮储能子系统、蓄电池储能子系统及电网侧变换子系统分别对应有风力发电子系统电机变换器(MSC)、飞轮储能子系统功率变换器(FESPC)、蓄电池储能子系统功率变换器(BESPC)以及电网侧变换器(GSC)，通过协调控制风力发电子系统电机变换器(MSC)、飞轮储能子系统功率变换器(FESPC)、蓄电池储能子系统功率变换器(BESPC)以及电网侧变换器(GSC)，将风能有效利用并存储在飞轮和蓄电池中，通过蓄电池储能子系统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。3.根据权利要求2所述的一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，其特征在于：所述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U
bi
，额定容量为C
bi
，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表示为：E
b
＝nC
bi
U
bi
/106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表示为：E
bmin
＝nC
bi
U
bi
(1
‑
DOD)/106。4.根据权利要求3所述的一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，其特征在于：所述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，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，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。5.根据权利要求1所述的一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，其特征在于：所述步骤1提出的输出功率平滑控制策略具体为：以网侧需求功率P
g
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分别表示为：
式中，ρ表示空气密度，R表示风机半径，C
P
表示风能利用系数，P
a
表示平均功率，P
σ
表示标准方差功率。将P
a
和P
σ
的平均值作为平滑功率的期望值，即：式中，P
ft
表示飞轮储能子系统的有功功率给定值，P
bt
表示蓄电池储能子系统的有功功率给定值，根据上式确定蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的有功功率需求总和，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，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。6.根据权利要求1所述的一种风电蓄电池
‑
飞轮混合储能系统的容量优化配置方法，其特征在于：步骤2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具体包括如下步骤：步骤2
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1、蓄电池储能系统的年平均综合成本C
B
主要包括初始投资成本C
Bt
和年运行维护成本C
By
，初始投资成本C
Bt
指蓄电池储能系统建设初期一次性投入资金，主要由其额定功率P
B
和额定容量E
B
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C
Bt
按等年值法表示为：式中，k
p
表示蓄电池的功率成本系数，k
e
表示蓄电池的容量成本系数，T
b
为蓄电池的运行年限，r0为贴现率；蓄电池的年运行维护成本C
By
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E
B
和额定功率P
B
决定：C
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式中，k
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表示蓄电池的功率运行维护成本系数，k
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为蓄电池的容量运行维护成本系数；蓄...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志莹，王铭炜，徐明志，郭杰，仇兴华，郝清泉，贾永琪，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：