本發(fā)明屬于風(fēng)電混合儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量配置方法。

背景技術(shù)：
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大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)投網(wǎng)運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重沖擊。儲(chǔ)能系統(tǒng)通過能量存儲(chǔ)單元的功率快速充放以靈活有效的方式平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，降低其對(duì)電力系統(tǒng)擾動(dòng)性影響，提高風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在容量的配置上，風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量的合理配置能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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發(fā)明目的：

本發(fā)明提供了一種風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量配置方法，其目的是提高風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量，使風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量得到合理配置。

技術(shù)方案：

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的：

一種風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量配置方法，其特征在于：將風(fēng)電輸出功率通過卡爾曼功率分解提取出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分和儲(chǔ)能裝置平抑功率部分，根據(jù)蓄電池及超級(jí)電容器運(yùn)行互補(bǔ)特性，對(duì)儲(chǔ)能裝置平抑功率部分的低頻區(qū)和高頻區(qū)分別進(jìn)行平抑，得到蓄電池目標(biāo)輸出功率及超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率，用高斯分布法分別擬合蓄電池目標(biāo)輸出功率及超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率的概率密度函數(shù)，對(duì) 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量進(jìn)行配置。

卡爾曼功率分解的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)時(shí)間更新方程如公式(1)所示：

式中:(P_grid)_k-1|k-1為k-1時(shí)刻風(fēng)電并網(wǎng)功率輸出值；為k時(shí)刻先驗(yàn)證估算值；為k時(shí)刻先驗(yàn)證估算偏方差；P_k-1|k-1為k-1時(shí)刻后驗(yàn)證估算偏方差；Q為過程激勵(lì)噪聲協(xié)方差；

卡爾曼功率分解的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)狀態(tài)更新方程如公式(2)所示：

式中:K_k為卡爾曼濾波增益系數(shù)矩陣；(P_grid)_k|k為k時(shí)刻風(fēng)電并網(wǎng)功率輸出值；(P_DFIG)_k為k時(shí)刻風(fēng)電輸出功率；P_k|k為k時(shí)刻后驗(yàn)證估算偏差值；R為測(cè)量激勵(lì)噪聲協(xié)方差；

將風(fēng)電輸出功率(P_DFIG)_k和風(fēng)電并網(wǎng)功率(P_grid)_k|k作為卡爾曼功率提取的整定迭代量，依據(jù)公式(1)、公式(2)中的迭代關(guān)系，進(jìn)行卡爾曼功率分解，劃分出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分；根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則判斷風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值是否滿足要求；如果滿足要求，則風(fēng)電輸出功率與風(fēng)電并網(wǎng)功率差值即為儲(chǔ)能裝置平抑功率；如果風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值不滿足要求，則將協(xié)方差Q進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)偏方差P_k-1|k-1進(jìn)行k次時(shí)間尺度迭代，進(jìn)行卡爾曼功率分解，直到劃分出的風(fēng)電并網(wǎng)功率滿足風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值要求為止，進(jìn)而得到儲(chǔ)能裝置平抑功率；

將儲(chǔ)能裝置平抑功率P_HESS通過快速傅里葉變換確定儲(chǔ)能裝置的分界截止頻 率f_c，同時(shí)確立卡爾曼功率分解頻域下低頻濾波系數(shù)α_s及高頻濾波系數(shù)β_s，并以此將儲(chǔ)能裝置平抑功率劃分成低頻區(qū)和高頻區(qū)兩部分；

將公式(1)中(P_grid)_k-1|k-1換成k-1時(shí)刻蓄電池功率輸出值(P_b-ref)_k-1|k-1或k-1時(shí)刻超級(jí)電容器功率輸出值(P_sc-ref)_k-1|k-1，將公式(1)中換成k時(shí)刻蓄電池的功率期望先驗(yàn)輸出估算值或k時(shí)刻超級(jí)電容器的功率期望先驗(yàn)輸出估算值將公式(2)中功率迭代式與各自濾波系數(shù)相結(jié)合，即低頻區(qū)功率提取量α_s(P_HESS)_k、高頻區(qū)功率提取量β_s(P_HESS)_k分別作為卡爾曼功率分解下蓄電池和超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的整定迭代量；經(jīng)迭代可提取出各儲(chǔ)能單元在k＝1,2···n時(shí)刻重構(gòu)功率期望輸出值如公式(3)所示：

式中:為k時(shí)刻蓄電池的功率期望先驗(yàn)輸出估算值，為k時(shí)刻超級(jí)電容器的功率期望先驗(yàn)輸出估算值；(P_b-ref)_k|k為k時(shí)刻蓄電池目標(biāo)輸出功率，(P_sc-ref)_k|k為k時(shí)刻超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率；(P_HESS)_k為k時(shí)刻儲(chǔ)能裝置平抑功率。

經(jīng)n時(shí)間段卡爾曼線性自回歸估算后得到蓄電池目標(biāo)輸出功率P_b-ref及超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率P_sc-ref，用高斯分布法對(duì)各自儲(chǔ)能單元的目標(biāo)輸出功率進(jìn)行概率密度函數(shù)擬合，進(jìn)而求出各儲(chǔ)能單元的容量配置。

優(yōu)點(diǎn)和效果：

采用時(shí)變域線性遞回歸估算方式，將最優(yōu)濾波理論與風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)相結(jié)合,對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行卡爾曼功率分解，分離出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分和儲(chǔ)能裝置平抑功率部分。根據(jù)蓄電池及超級(jí)電容器運(yùn)行互補(bǔ)特性，對(duì)儲(chǔ)能裝置平抑功率部分低頻區(qū)和高頻區(qū)分別進(jìn)行平抑，不但有效地平抑波動(dòng)功率，而且使輸出功率 更平滑。

附圖說明：

圖1為風(fēng)電輸出功率曲線圖。

圖2為風(fēng)電并網(wǎng)功率曲線圖。

圖3為儲(chǔ)能裝置平抑功率曲線圖。

圖4為頻譜分析圖。

圖5為儲(chǔ)能單元目標(biāo)功率輸出圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明：

本發(fā)明提供了一種風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)容量配置方法，將風(fēng)電輸出功率通過卡爾曼功率分解提取出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分和儲(chǔ)能裝置平抑功率部分，根據(jù)蓄電池及超級(jí)電容器運(yùn)行互補(bǔ)特性，對(duì)儲(chǔ)能裝置平抑功率部分低頻區(qū)和高頻區(qū)分別進(jìn)行平抑，得到蓄電池目標(biāo)輸出功率及超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率，用高斯分布法分別擬合蓄電池目標(biāo)輸出功率及超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率的概率密度函數(shù)，對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量進(jìn)行配置。

卡爾曼功率分解

卡爾曼濾波是根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，以最小均方差為最佳遞推準(zhǔn)則，通過時(shí)變域最優(yōu)線性自回歸估算的方式對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分解處理。它是現(xiàn)代最優(yōu)濾波技術(shù)，不但可以有效解決傳統(tǒng)低通濾波器的時(shí)間滯后及不敏感問題，而且對(duì)含有噪聲干擾的非平穩(wěn)信號(hào)呈現(xiàn)出更好的過濾效果。

風(fēng)的隨機(jī)波動(dòng)性使風(fēng)電輸出功率產(chǎn)生嚴(yán)重的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)符合高斯分布，對(duì)其功率本身視為含有高斯白噪聲干擾的波動(dòng)信號(hào)?？柭β史纸獾娘L(fēng)儲(chǔ)聯(lián) 合系統(tǒng)時(shí)間更新方程如公式(1)所示：

式中:(P_grid)_k-1|k-1為k-1時(shí)刻風(fēng)電并網(wǎng)功率輸出值；為系統(tǒng)k時(shí)刻先驗(yàn)證估算值；為k時(shí)刻先驗(yàn)證估算偏方差；P_k-1|k-1為k-1時(shí)刻后驗(yàn)證估算偏方差；Q為過程激勵(lì)噪聲協(xié)方差。

卡爾曼功率分解的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)狀態(tài)更新方程如公式(2)所示：

式中:K_k為卡爾曼濾波增益系數(shù)矩陣；(P_grid)_k|k為k時(shí)刻風(fēng)電并網(wǎng)功率輸出值；(P_DFIG)_k為k時(shí)刻風(fēng)電輸出功率；P_k|k為k時(shí)刻后驗(yàn)證估算偏差值；R為測(cè)量激勵(lì)噪聲協(xié)方差。

將風(fēng)電輸出功率(P_DFIG)_k和風(fēng)電并網(wǎng)功率(P_grid)_k|k作為卡爾曼功率提取的整定迭代量，依據(jù)公式(1)、公式(2)中的迭代關(guān)系，進(jìn)行卡爾曼功率分解，劃分出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分；根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)準(zhǔn)則判斷風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值是否滿足要求；如果滿足要求，則風(fēng)電輸出功率與風(fēng)電并網(wǎng)功率差值即為儲(chǔ)能裝置平抑功率；如果風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值不滿足要求，則將協(xié)方差Q進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)偏方差P_k-1|k-1進(jìn)行k次時(shí)間尺度迭代，進(jìn)行卡爾曼功率分解，直到劃分出的風(fēng)電并網(wǎng)功率滿足風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值要求為止，進(jìn)而得到儲(chǔ)能裝置平抑功率。

儲(chǔ)能容量配置確立

卡爾曼分解算法中線性遞回歸估算的方式是波動(dòng)功率提取的重要部分，也是各儲(chǔ)能單元容量配置的理論依據(jù)。將風(fēng)電輸出功率通過卡爾曼功率分解提取 出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分和儲(chǔ)能裝置平抑功率部分，將儲(chǔ)能裝置平抑功率部分分割成低頻區(qū)和高頻區(qū)，將低頻區(qū)作為蓄電池儲(chǔ)能單元的目標(biāo)功率輸出值，將高頻區(qū)作為超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的目標(biāo)功率輸出值。

將儲(chǔ)能裝置平抑功率P_HESS通過快速傅里葉變換確定儲(chǔ)能裝置的分界截止頻率f_c，同時(shí)確立卡爾曼功率分解頻域下低頻濾波系數(shù)α_s及高頻濾波系數(shù)β_s，并以此將儲(chǔ)能裝置平抑功率劃分成低頻區(qū)和高頻區(qū)兩部分。

將公式(1)中(P_grid)_k-1|k-1換成k-1時(shí)刻蓄電池功率輸出值(P_b-ref)_k-1|k-1或k-1時(shí)刻超級(jí)電容器功率輸出值(P_sc-ref)_k-1|k-1，將公式(1)中換成k時(shí)刻蓄電池的功率期望先驗(yàn)輸出估算值或k時(shí)刻超級(jí)電容器的功率期望先驗(yàn)輸出估算值將公式(2)中功率迭代式與各自濾波系數(shù)相結(jié)合，即低頻區(qū)功率提取量α_s(P_HESS)_k、高頻區(qū)功率提取量β_s(P_HESS)_k分別作為卡爾曼功率分解下蓄電池和超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元的整定迭代量，公式(1)及公式(2)其它參數(shù)含義不變；經(jīng)迭代可提取出各儲(chǔ)能單元在k＝1,2···n時(shí)刻重構(gòu)功率期望輸出值如公式(3)所示：

式中:為k時(shí)刻蓄電池的功率期望先驗(yàn)輸出估算值，為k時(shí)刻超級(jí)電容器的功率期望先驗(yàn)輸出估算值；(P_b-ref)_k|k為k時(shí)刻蓄電池目標(biāo)輸出功率期望值，(P_sc-ref)_k|k為k時(shí)刻超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率期望值；(P_HESS)_k為k時(shí)刻儲(chǔ)能裝置平抑功率。

經(jīng)n時(shí)間段卡爾曼線性自回歸估算后，得到蓄電池目標(biāo)輸出功率P_b-ref、超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率P_sc-ref。采用n階高斯分布法分別對(duì)蓄電池目標(biāo)輸出功率及超級(jí)電容器目標(biāo)輸出功率的概率密度進(jìn)行擬合，其n階高斯分布函數(shù)的數(shù)學(xué) 表達(dá)式為：

上式中a_i、b_i、c_i為其正態(tài)分布系數(shù)。

由此，求出儲(chǔ)能單元輸出功率幅值的平均值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中a、b為儲(chǔ)能單元積分函數(shù)上下限，其儲(chǔ)能容量計(jì)算公式為：

E＝P_av·T (6)；

其中T為儲(chǔ)能單元平抑風(fēng)電波動(dòng)功率的總采樣時(shí)間。

實(shí)施例1：

風(fēng)電場(chǎng)由10臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的雙饋風(fēng)機(jī)組成，并網(wǎng)頻率50Hz，交流側(cè)母線電壓690V，相鄰間隔采樣點(diǎn)為1min。風(fēng)電輸出功率曲線如圖1所示。

將風(fēng)電輸出功率(P_DFIG)_k和風(fēng)電并網(wǎng)功率(P_grid)_k|k作為卡爾曼功率分解提取的整定迭代量。風(fēng)電并網(wǎng)功率變化最大限值為3MW，依據(jù)公式(1)、(2)中的迭代關(guān)系，劃分出風(fēng)電并網(wǎng)功率部分如圖2所示，儲(chǔ)能裝置平抑功率部分如圖3所示。

采用快速傅里葉變換對(duì)儲(chǔ)能裝置平抑功率部分進(jìn)行頻譜分析。其分析圖如圖4所示。設(shè)定分界截止頻率f_c＝0.01Hz，確立低頻濾波系數(shù)α_s及高頻濾波系數(shù)β_s，經(jīng)卡爾曼功率分解提取出各儲(chǔ)能單元目標(biāo)功率輸出情況如圖5所示。圖5中，蓄電池儲(chǔ)能輸出功率信號(hào)波動(dòng)頻率較小，幅值較高，平抑低頻分量；超級(jí)電容器儲(chǔ)能輸出功率信號(hào)波動(dòng)頻率較大，幅值較低，平抑高頻分量，充分利用了蓄電池與超級(jí)電容器儲(chǔ)能的互補(bǔ)特性。

采用高斯分布法對(duì)各儲(chǔ)能單元概率密度進(jìn)行擬合，蓄電池儲(chǔ)能功率概率密度擬合區(qū)間為[0-4.591MW]，擬合優(yōu)度為0.992，擬合功率P_b＝1.02MW，蓄電池 對(duì)應(yīng)容量為8.5MWh；超級(jí)電容器儲(chǔ)能功率概率密度擬合區(qū)間為[0-3.795MW]，擬合優(yōu)度0.996，擬合功率，超級(jí)電容器對(duì)應(yīng)容量為4.61MWh。