基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法

1.本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及一种基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法。


背景技术：

2.随着我国经济社会的发展以及对环境要求的提高，传统的攫取和依赖不可再生能源的方式已经不能满足要求，以石油和煤炭为核心的供能时代将会被集成供电、供热和供气等多能量系统替代。但是当前供能方式多为单一的供电、供热或供气，无法满足大多数用户日常的能源需求，还存在着能源系统运行经济成本高、污染排放大等问题，还有一部为其中两种能源的协调供给，也存在着能源供给不完善导致资源浪费等问题。多种能源协调配合的供能方式是未来能源供给的发展趋势，作为能源互联网的基础，多能源系统通过利用各供、用能系统在生产、输配、转换、存储、消费等环节之间的时空耦合机制和互补替代性，打破了不同能源子系统间的壁垒，但是由于多种能源供给的复杂性与波动性，无法有效保证供需平衡，使得多能源系统出现能量波动，导致系统失稳，因此需要在多能源系统中加入储能设备来消纳供能过剩时多出来的能量，并在供能不足时释放能量来达到供需平衡。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提出一种基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法，包括：
4.步骤1：监测电、热、气能量储能设备状态数据；
5.步骤2：计算多时间尺度下电、热、气储能/放能的表征值；
6.步骤3：建立系统能量平衡的多时间尺度电、热、气储能协调控制，实现供需能量平衡。
7.所述步骤1中状态数据包括：电池在t时刻的充能功率p
tps,bc
、电池在t
′
时刻的放能功率p
tps,bd
、电池的实际安装容量q
ps
；储热设备在t时刻的充能功率p
tts,sh
，储热设备在t
′
时刻的放能功率p
tts,ex
，储热设备的实际安装容量q
ts
；储气罐在t时刻的充能功率p
tgs,gc
，储气罐在t
′
时刻的放能功率p
tgs,rg
，储气罐的实际安装容量q
gs
；多能源系统的发出功率pg和负荷消耗功率p
ld
。
8.所述步骤2包括：
9.步骤2.1：计算电池、储热设备、储气罐在t时刻储能时储存容量的表征值；
10.步骤2.2：计算电池、储热设备、储气罐在t
′
时刻放能时能量剩余量的表征值。
11.所述步骤2.1包括：
12.计算各参数的标幺值：计算各参数的标幺值：
13.式中，为电池在t时刻充能功率的标幺值，p
ps,bc
为电池充能功率基准值，为储热设备在t时刻充能功率的标幺值，p
ts,sh
为储热设备充能功率基准值，为储气罐在t时刻充能功率的标幺值，p
gs,gc
为储气罐充能功率基准值，为电池实际安装容量的标幺值，qs为储能容量基准值，为储热设备实际安装容量的标幺值，为储气罐实际安装容量的标幺值，为系统发出功率的标幺值，p为功率基准值，为负荷消耗功率的标幺值；
14.计算t时刻电池、储热设备、储气罐储能时储存容量的表征值计算t时刻电池、储热设备、储气罐储能时储存容量的表征值
15.式中，μ
ps
为电池的自放电率，为电池在t-1时刻储能时储存容量的表征值，η
ebc
为电池充电效率，
△
t
p
、
△
t
t
、
△
tg分别为电、热、气充能运行时间，γ、β、λ分别为气-电、电-热、气-热转换比，μ
gs
为储气罐自损率，为储气罐在t-1时刻储能时储存容量的表征值，η
agc
为储气罐储气效率，μ
ts
为储热设备自损耗率，为储热设备在t-1时刻储能时储存容量的表征值，η
hsh
为储热设备充热效率。
16.所述步骤2.2包括：
17.计算各参数的标幺值：
18.式中，为电池在t
′
时刻放能功率的标幺值，p
tps,bd
为电池在t
′
时刻放能功率，p
ps,bc
为电池放能功率基准值，为储热设备在t
′
时刻放能功率的标幺值，p
tts,ex
为储热设备在t
′
时刻放能功率，p
ts,sh
为储热设备放能功率基准值，为储气罐在t
′
时刻放能功率的标幺值，p
tgs,rg
为储气罐在t
′
时刻放能功率，p
gs,gc
为储气罐放能功率基准值；
19.计算t
′
时刻电池、储热设备、储气罐储能时能量剩余量的表征值
20.式中，
△
t
′
p
、
△
t
′
t
、
△
t
′g分别为电、热、气放能运行时间，η
ebd
为电池放电效率，η
hex
为储热设备放热效率，η
arg
为储气罐放气效率。
21.所述步骤3包括：
22.计算能量平衡判定因子σ：
[0023][0024]
式中，为设备t时刻充能功率标幺值的平均值，为设备t时刻充能功率标幺值的平均值，为t时刻设备容量标幺值的平均值，刻设备容量标幺值的平均值，为设备实际安装容量标幺值总和，μ为设备自损率的平均值，s
t-1
为t-1时刻已经存储的能量的平均值，ηf、ηc为设备放、充效率，为设备放、充效率，
△
t为设备状态运行时间，t为设备状态运行时间，t为设备状态运行时间，为系统发出功率、负荷消耗功率，ξ为能量转换损耗系数；
[0025]
当σ≥0时说明能量过剩，需要储能设备储存能量，电、热、气需要储存的能量分别为为
[0026][0027]
当σ＜0时说明系统能量缺额，需要储能设备释放能量，电、热、气需要释放的能量分别为
[0028][0029]
当设备处于充能或放能的某一运行状态时，设备充放能运行时间
△
t从0开始增加，设备充放能时的存储容量或者剩余容量表征值发生变化，致使能量平衡判定因子σ随之变化，当能量平衡判定因子满足-10-5
≤σ≤10-5
时，表明系统达到供需平衡。
[0030]
本发明的有益效果是：
[0031]
本发明提出了一种基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法，首先对电、热、气等多种能量储能设备在不同时间下状态参数进行监测，然后分析电、热、气储能设备充放能特性，通过表征值来表示某一时刻电、气、热储能设备存储或释放能量的多少，最后根据系统能量平衡判定因子来判断多源系统的稳定性，协调电、热、气储能设备充放能时间以及不同能量之间的相互转换，使多源系统能量波动最小化，满足系统供需能量平衡；本发明针对多能源系统在某一时刻供需不平衡导致失稳时，基于储能融合与时间尺度的协同控制来协调电、热、气储能设备的出力，有效抑制了系统能量波动，保证了系统能量供需平衡。
附图说明
[0032]
图1为本发明中基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法流程图；
[0033]
图2为本发明中能量流结构图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。
[0035]
如图1所示，一种基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法，包括：
[0036]
步骤1：监测电、热、气能量储能设备状态数据；所述状态数据包括：电池在t时刻的充能功率p
tps,bc
、电池在t
′
时刻的放能功率p
tps,bd
、电池的实际安装容量q
ps
；储热设备在t时刻的充能功率p
tts,sh
，储热设备在t
′
时刻的放能功率p
tts,ex
，储热设备的实际安装容量q
ts
；储气罐在t时刻的充能功率p
tgs,gc
，储气罐在t
′
时刻的放能功率p
tgs,rg
，储气罐的实际安装容量q
gs
；多能源系统的发出功率pg和负荷消耗功率p
ld
；本实施例中的能量流结构图如图2所示，图中p2g表示power to gas(可再生能源发电技术)。
[0037]
本实施例以某一多能源系统为例，监测到的状态参数如下：电池t时刻的充能功率p
tps,bc
＝24600kw，电池t
′
时刻放能功率p
tps,bd
＝14760kw，电池实际安装容量q
ps
＝5
×
107kj；储热设备t时刻充能功率p
tts,sh
＝13500kw，储热设备t
′
时刻放能功率p
tts,ex
＝25300kw，储热设备实际安装容量q
ts
＝4
×
107kj；储气罐t时刻充能功率p
tgs,gc
＝12900kw，取储气罐t
′
时刻放能功率p
tgs,rg
＝21200kw，储气罐实际安装容量q
gs
＝6
×
107kj；系统发出功率pg＝135000kw，负荷消耗功率p
ld
＝105000kw。其中t＝3，t
′
＝19。
[0038]
通过监测到的多能源系统状态参数，计算不同时刻储电、储热和储气设备存储或释放能量的表征数值,同时考虑储能设备的自损耗μ和充放效率η。计算t时刻电池、储热设备、储气罐储能时储存容量的表征值电池t时刻充能功率为p
tps,bc
，电池充能功率基准值为p
ps,bc
；储热设备t时刻充能功率为p
tts,sh
，储热设备充能功率基准值为p
ts,sh
；储气罐t时刻充能功率为p
tgs,gc
，储气罐充能功率基准值为p
gs,gc
；电池实际安装容量为q
ps
，储热设备实际安装容量为q
ts
，储气罐实际安装容量为q
gs
，储能容量基准值为qs；系统发出功率为pg，负荷消耗功率为p
ld
，功率基准值为p。同理，可以计算t
′
时刻电池、储热设备、储气罐放能时能量剩余量的表征值电池t
′
时刻放能功率为p
tps,bd
，电池放能功率基准值为p
ps,bc
；储热设备t
′
时刻放能功率为p
tts,sh
，储热设备放能功率基准值为p
tts,ex
；储气罐t
′
时刻放能功率为p
tgs,rg
，储气罐放能功率基准值为p
gs,gc
。具体计算过程如下：
[0039]
步骤2：计算多时间尺度下电、热、气储能/放能的表征值；包括：
[0040]
步骤2.1：计算电池、储热设备、储气罐在t时刻储能时储存容量的表征值；包括：
[0041]
计算各参数的标幺值：计算各参数的标幺值：
[0042]
式中，为电池在t时刻充能功率的标幺值，p
ps,bc
为电池充能功率基准值，为储热设备在t时刻充能功率的标幺值，p
ts,sh
为储热设备充能功率基准值，为储气罐在t时刻充能功率的标幺值，p
gs,gc
为储气罐充能功率基准值，为电池实际安装容量的标幺值，qs为储能容量基准值，为储热设备实际安装容量的标幺值，为储气罐实际安装容量的标幺值，为系统发出功率的标幺值，p为功率基准值，为负荷消耗功率的标幺
值；
[0043]
计算t时刻电池、储热设备、储气罐储能时储存容量的表征值
[0044][0045]
式中，μ
ps
为电池的自放电率，为电池在t-1时刻储能时储存容量的表征值，η
ebc
为电池充电效率，
△
t
p
、
△
t
t
、
△
tg分别为电、热、气充能运行时间，γ、β、λ分别为气-电、电-热、气-热转换比，μ
gs
为储气罐自损率，为储气罐在t-1时刻储能时储存容量的表征值，η
agc
为储气罐储气效率，μ
ts
为储热设备自损耗率，为储热设备在t-1时刻储能时储存容量的表征值，η
hsh
为储热设备充热效率；
[0046]
步骤2.2：计算电池、储热设备、储气罐在t
′
时刻放能时能量剩余量的表征值；包括：
[0047]
计算各参数的标幺值：
[0048]
式中，为电池在t
′
时刻放能功率的标幺值，p
tps,bd
为电池在t
′
时刻放能功率，p
ps,bc
为电池放能功率基准值，为储热设备在t
′
时刻放能功率的标幺值，p
tts,ex
为储热设备在t
′
时刻放能功率，p
ts,sh
为储热设备放能功率基准值，为储气罐在t
′
时刻放能功率的标幺值，p
tgs,rg
为储气罐在t
′
时刻放能功率，p
gs,gc
为储气罐放能功率基准值；
[0049]
计算t
′
时刻电池、储热设备、储气罐储能时能量剩余量的表征值
[0050][0051]
式中，
△
t
′
p
、
△
t
′
t
、
△
t
′g分别为电、热、气放能运行时间，η
ebd
为电池放电效率，η
hex
为储热设备放热效率，η
arg
为储气罐放气效率；
[0052]
对以上状态参数取标幺值取标幺值基准值p
ps,bc
、p
ts,sh
、p
gs,gc
都为30000kw；都为30000kw；基准值qs为1
×
108kj；基准值p＝150000kw。设电、热、气充放能运行时长均为8h，电池充电效率η
ebc
＝92％；电池放电效率η
ebd
＝88.5％；电池的自放电率μ
ps
＝0.014；储热设备充热效率η
hsh
＝89.2％；储热设备放热效率η
hex
＝85.1％；储热设备自损耗率μ
ts
＝0.057；储气罐储气效率η
agc
＝94.3％；储气罐放气效率η
arg
＝91.1％；储气罐自损率μ
gs
＝0.009；γ＝88％、β＝94％、λ＝95％；能量转换损耗系数ξ＝5.92
×
10-5
。气罐储能时储存容量的表征值
[0053][0054]
同理，可以计算t
′
＝19时电池、储热设备、储气罐放能时能量剩余量的表征值＝19时电池、储热设备、储气罐放能时能量剩余量的表征值
[0055][0056]
通过以上计算可得：通过以上计算可得：
[0057]
考虑系统能量平衡的多时间尺度电、热、气储能协调控制。本发明针对多时间尺度下抑制能量波动，以系统能量波动最小化为控制目标，若某一时段能量源输出能量大于负荷需求能量时，多出的能量会被存储在储能系统中，直至存储的能量超过安装容量时产生过剩能量；若某一时段能量源输出能量小于负荷需求能量，储能系统会逐步释放已存储的能量，直至存储的能量全部释放后仍难以满足能量需求时，产生能量缺额。判断系统当前能量平衡状态，通过以下能量平衡判定因子，判断系统能量平衡情况。通过判断能量平衡状态判定因子的正负来判断当前电、热、气能量与负荷之间的过量和短缺，然后调节储能设备的充放电时间尺度，即设备状态运行时间
△
t来调节系统充放电过程以及能量平衡状态因子，从而达到能量波动最小化，实现供需能量平衡。
[0058]
步骤3：建立系统能量平衡的多时间尺度电、热、气储能协调控制，实现供需能量平衡；包括：
[0059]
计算能量平衡判定因子σ：
[0060][0061]
式中，为设备t时刻充能功率标幺值的平均值，为设备t时刻充能功率标幺值的平均值，为t时刻设备容量标幺值的平均值，刻设备容量标幺值的平均值，为设备实际安装容量标幺值总和，
μ为设备自损率的平均值，s
t-1
为t-1时刻已经存储的能量的平均值，ηf、ηc为设备放、充效率，为设备放、充效率，
△
t为设备状态运行时间，t为设备状态运行时间，t为设备状态运行时间，为系统发出功率、负荷消耗功率，ξ为能量转换损耗系数；
[0062]
当σ≥0时说明能量过剩，需要储能设备储存能量，电、热、气需要储存的能量分别为为
[0063][0064]
当σ＜0时说明系统能量缺额，需要储能设备释放能量，电、热、气需要释放的能量分别为
[0065][0066]
当设备处于充能或放能的某一运行状态时，设备充放能运行时间
△
t从0开始增加，设备充放能时的存储容量或者剩余容量表征值发生变化，致使能量平衡判定因子σ随之变化，当能量平衡判定因子满足-10-5
≤σ≤10-5
时，表明系统达到供需平衡。
[0067]
本实施例中计算得到，t＝3时刻能量平衡状态判定因子σ＝0.87》0，说明能量过剩，需要储能设备储存能量，电、热、气需要储能量分别为：经过储能调节后，σ＝0.0000014，系统为平衡状态。
[0068]
计算可得t
′
＝19时刻能量平衡状态判定因子σ＝-0.26《0，说明能量缺额，需要储能设备释放能量，电、热、气需要放能量分别为：经过储能调节后，σ＝0.0000002，系统为平衡状态。
[0069]
本发明针对电、热、气能源供需不平衡导致的系统能量波动进行分析，计算影响能量平衡的相关系数，最终得到一种基于多源储能容量与时间尺度协同控制方法。通过监测多源储能系统的随时间变化的充放电功率数据，以及储能设备的容量参数，得到系统能量平衡判定因子，通过计算确定需要充放能的储能设备以及充放能时间尺度，有效的抑制了系统能量波动。