基于频谱分析的光伏发电混合储能系统容量优化设计

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由于光伏发电系统输出功率受光照强度、温度等因素的影响,具有较大的随机性和波动性。光伏输出功率的频繁波动可能对电网正常运行造成影响甚至威胁电网安全。储能设备凭借其灵活的充、放电运行特性,可以有效平抑光伏发电的功率波动,从而减少对系统的冲击。当功率变化较快且波动较大时,传统单一储能设备的容量往往需要很大才能完全满足功率的平抑要求,同时,频繁地充、放电运行对单一储能设备的寿命影响较大,大大降低了储能系统经济性。将适用于平抑低频功率波动的能量型储能器件和适用于平抑高频功率波动的功率型储能器件组合而成的混合储能系统(Energy Storage System,ESS)同时具有两类储能设备的优势,在满足平抑目标的前提下,结合储能设备运行特性和循环寿命,配置混合储能系统容量并进行合理优化,可以有效提高系统经济性。本文针对用以平抑光伏输出功率波动的混合储能系统容量优化配置方法进行了研究,主要工作如下:  ①结合光伏电站功率波动要求提出了电网可接受功率波动率的计算方法,得到需要储能平抑的光伏平衡功率。通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)的方法将原始时域下的光伏平抑功率变换至频域进行分析,结合不同储能设备响应频率特性对各储能平抑频段进行初步划分和傅里叶滤波,再利用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)将滤波后各频段的平抑功率转换回时域,由此确定了储能设备初始功率计算容量和初始能量计算容量。  ②结合实际储能设备额定容量和荷电状态(State of Charge,SOC)限额等设备参数,提出了对储能初始计算容量的修订方法,使储能设备修订后的容量满足工程实际需求,对储能配置选型具有实际意义。  ③综合考虑储能循环寿命带来的设备更换问题,提出了光伏电站运行年限内各储能设备所需数量的简化计算方法,结合修订后储能设备容量,提出了通过对高、低补偿频段分割频率进行优化实现混合储能系统总成本优化的方法,确定满足平抑目标的前提下,系统总成本最低的混合储能系统分割频率、容量组合和设备数量。建立了动态仿真模型从时域验证所提出的储能优化配置方法下计算所得最优混合储能系统对光伏波动的平抑效果,并对各储能设备SOC动态特性和储能设备容量利用率进行了研究分析。  ④根据光伏平衡功率的频谱特性和高、低两频混合储能系统容量利用率分析结果,进一步提出了对功率补偿频段进行高、中、低三频划分的混合储能系统容量配置研究方法。建立了高、中、低三频混合储能系统优化模型,采样遗传算法优化求得经济性最优的混合储能系统配置。对比高、低两频混合储能系统,验证了在相同平抑目标下,三频混合储能系统具有更优的经济性,且对储能设备容量利用率更高。
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