基于频谱分析法的光伏电站储能容量优化研究

基于频谱分析法的光伏电站储能容量优化研究

陈姝，李滨1,2

（1.广西大学电力系统最优化研究所，广西南宁530004；2.广西电力系统最优化与节能技术重点实验室，广西南宁530004）

Email: chenshu0811@126.com, lizhen@gxu.edu.cn

1

摘 要：光伏发电的间歇性和不可控性给电力系统调度带来诸多问题，为了实现供需平衡，系统必须配置较大额度的备用容量，利用储能系统平滑光伏电站功率输出，可以缓解备用机组的负担，提高电网对光伏发电的接纳能力。在不同的时间范围内，系统应采取不同的控制机制，调用相应不同类型的控制容量以补偿功率偏差。鉴于在频域内进行描述可以直观反映出各类型控制容量的特点，本文提出了一种基于频谱分析的光伏电站储能系统容量优化方法，利用离散傅里叶变换（DFT）对光伏发电输出功率偏差进行频谱分析，基于频谱分析结果，确定储能系统容量和储能补偿后的系统备用需求。 关键词：光伏发电；储能系统；备用容量；频谱分析

Optimization of Energy Storage Capacity Based on

Spectral Analysis for Photovoltaic Station

Chen Shu1，Li Bin1,2

1 Guangxi College of Power System Optimization Institute 2 Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology

Email: chenshu0811@126.com, lizhen@gxu.edu.cn

Abstract: The intermittence and uncontrollability of photovoltaic power generation bring several problems to electric power system scheduling. Power system needs to be supplemented with large amount of reserve capacity to maintain the balance between supply and demand. Using energy storage system to inhibit the adverse effects of photovoltaic power generation fluctuations can reduce burden of standby units and enlarge space to accommodate photovoltaic power. In different time period, to compensate the power deviation, different control mechanisms and control capacity are in use. As the characteristics of different control capacity can be reprsented intuitively in spectrum, a capacity determination method of energy storage system based on spectral analysis for photovoltaic station was presented. The spectrum analysis results of photovoltaic power generation fluctuations were obtained through discrete Fourier transform（DFT）. The capacity of energy storage system and reserve demand of system after compensation can be determined based on the spectrum analysis results.

Keywords: photovoltaic power; energy storage system; reserve capacity; spectrum analysis

1 引言

近年来，光伏发电系统的并网规模逐渐扩大，我国为实现节能减排要求，更提出了“加快太阳能商业化利用，提高电网对非化石能源和清洁能源发电的接纳能力”的发展目标[1]。然而，光伏发电固有的间歇性和不可控性使其输出功率也具有类似的特点，若要全额消纳光伏出力，将严重影响电网安全经济运行，进而制约消纳规模[2]。为了保障系统有功功率平衡，机组需要配置一定的备用容量以应对光伏出力波动，利用储能系统替代部分备用容量平抑光伏功率输出，将减少系统对于机组的备用需求，提高系统消纳光伏发电的能力。

基金项目：国家自然科学基金项目(51107011，51167001)；广西大学科研基金资助项目(XBZ120037)。

目前，有关储能系统容量配置的方法已经取得了一些研究成果[2-8]。文献[3-4]以系统的经济指标作为目标函数，将储能容量配置纳入系统的有功平衡约束进行建模，但该方法忽视了系统的时时平衡要求，所配置储能容量不能动态响应功率偏差。文献[5]提出了根据光伏功率输出期望值与实际值的差额优化储能系统容量，但是该方法仅仅按照最大化配置储能容量，并未真正实现储能容量的最优配置。文献[6-7]根据输出功率的波动程度和储能系统的荷电状态，采用模糊控制理论设计了能够自动调节储能电池荷电状态的控制策略，有效平滑了输出功率波动，但未从提高电网消纳新能源能力的角度考虑问题。文献[2,8]在之前的研究基础上有了新的突破，文献[2]从全网调峰角度提出了一种用于松弛调峰瓶颈的大规模储能系统容量优化配置方

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法，文献[8]则从频谱分析角度确定储能系统最小容量，但均未考虑功率偏差超出储能容量补偿限额的情况应该如何处理。此外，在不同的时间范围内，无论是储能系统还是系统备用都应采取不同的控制机制，并调用不同类型的控制容量补偿功率偏差，这一点上述文献也均未提及。

针对上述问题，本文根据控制容量的根本特性——响应时间将其重新分类，利用离散傅里叶变换（DFT）对光伏电站输出功率偏差进行频谱分析，基于频谱分析结果，确定储能系统容量和储能补偿后的机组备用需求。

可以同时确定系统对于控制容量的需求以及储能设备和系统机组提供控制容量的能力，而且，频谱分析方法便于对控制容量进行分类，实现根据时间尺度的平衡控制，达到电力系统供需相协调的目的。

在实际情况下，时域信号通常由离散的时间测量数据组成，需用离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）对原始数据进行时频转换。假设连续时间信号y(t)在时间段NTs内取每Ts秒，样本个数N，样本编号k=0，1，2…N-1，yk=y(kTs)，DFT定义为：

2 控制容量特性

在不同的时间范围内，无论是系统备用还是储能系统都应采取不同的控制机制，以调用相应不同类型的控制容量，在频域内进行描述，可以直观反映出各类型控制容量的特点。储能在电力系统中可以看成是具有不同时间尺度灵活响应特性的备用电源，可缓减可再生能源的波动性，备用容量的根本特性在于其响应时间和响应容量，本文根据备用容量的这一重要特性将其分为6类，如表1所示。

表1. 备用容量分类

备用名称

启动时间

是否同步

Y(n)=

N−1k=0

∑yk⋅e

-2πjnkN

(1)

上式共有N个傅里叶分量，n=0，1，2…N-1，n和频域信号的频率f具有如下关系：

nfn

(2) f=s=

NNTs式中，Ts为相邻采样点间的时间间隔，即采样周期(s)；fs=1/Ts为样本数据的采样频率(Hz)。

帕塞瓦尔定理（Parsevals’theorem）规定：信号能量等于傅里叶分量的能量密度之和[10]。因此，频带[f1,f2]内的信号能量分量可由下式得到：

E(f1,f2)=∑Y(f) (3)

f1

f2

2

30s响应备用 (0,30s) 是 瞬时响应备用AGC (30s,3min)

是

10min旋转备用 (3min,10min) 是 30min运行备用 (10min,30min) 否 60min运行备用 (30min,60min) 否

冷备用 (60min,∞)

否

根据指定的频率范围f1和f2定义控制容量类型，每一类控制容量的能量分量等于E(f1,f2)。

P(f1,f2)=

∑Y(f) (4)

f1f223 频谱分析方法

本文提出了一种基于频谱分析的光伏电站储能系统容量优化方法，将光伏发电输出功率实测值与预测值之间的偏差作为控制功率需求（control power requirements）[9]，利用目前频谱分析中最常用，也是最有效的数学工具——Fourier变换算法将该控制功率需求的时域信号转换成频域信号，频谱直观地呈现了包含在该信号中的各频率分量信号，反映了系统功率偏差所导致的频率波动情况，基于频谱分析结果，可以得到响应系统波动所需要的储能系统容量，若功率偏差超出了储能系统的补偿限额，则超出部分通过机组提供备用容量实现补偿，同样地，利用频谱分析方法可以确定储能补偿后的系统备用需求。

在频域内描述和分析储能容量以及机组备用特性

P(f1,f2)即为定义在频率范围[f1,f2]内的控制容量类型的功率值。

由表1可知，根据响应时间，可将备用容量分为6类，上升时间分别为30s、180s、600s、1800s和3600s，考虑到在正弦信号中，上升时间为总时段的四分之一[9]

，因此备用容量的分类时间界限分别为120s、720s、2400s、7200s和14400s，为了便于在频谱图形上对备用容量进行分类，将分类时域界限转换成频域界限，如表2所示。而对于储能系统，也同样应根据时间尺度进行分类，值得特别指出的是，利用储能系统平抑光伏发电输出波动，相当于机组提供可立即响应的热备用，即表1所示的前五种备用类型：30s响应备用、瞬时响应备用AGC、10min旋转备用、30min运行备用和60min运行备用，储能系统总容量应为上述五类备用容量之和。

表2. 各类型备用对应的频段

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备用名称

启动时间

频段

30s响应备用 (0,30s) 1/120Hz-无穷大 瞬时响应备用AGC (30s,3min)

图4给出了样本数据在Nyquist频率f=0.1250Hz之前的幅频特性。

1/720-1/120Hz

10min旋转备用 (3min,10min) 1/2400-1/720Hz 30min运行备用 (10min,30min) 1/7200-1/2400Hz 60min运行备用 (30min,60min) 1/14400-1/7200Hz

冷备用 (60min,∞) 0-1/14400Hz

根据表2中各类型备用容量所对应的频段，可将控制功率需求频谱划分成各个频率分量，这些频率分量包含了光伏电站对各类型控制容量的需求信息，通过整合不同频率范围的频率分量，可以确定用于平衡功率变化所需要的各类型控制容量值[9]。

图3. 控制功率需求曲线

4 算例分析

本算例目的在于验证基于频谱分析的光伏电站储能系统容量优化方法。以某光伏电站晴天、多云和雨天三类天气状况下的光照时段数据为例，光伏输出功率实测数据曲线如图1所示，采样点数为9900个，采样周期为4s，采样频率为1/4Hz。

图4. 控制功率需求频谱

图1. 光伏电站实测功率输出曲线

本文选择将6:00-17:00共11个小时划分为11个时段，每个时段设定一个计划输出值，使光伏电站在储能容量和系统备用的配合下，各个时段均实现以计划功率值输出，将这11个平稳输出值作为光伏电站的预测功率输出，曲线如图2所示。

基于频谱分析结果，可以确定平抑光伏电站输出波动所需的各类型控制容量值，如表3所示。利用储能系统平抑输出波动，相当于机组提供快速备用，储能系统设计容量为表3中前五类备用容量之和，即晴天时0.3514MW，约为0.4MW；多云时0.2962MW，约为0.3MW；雨天时0.1478MW，约为0.2MW。储能系统额定容量分别为0.4MWh、0.3MWh和0.2MWh，荷电状态的比例为0~1。

表3. 光伏电站控制容量需求（MW）

天气情况

备用名称 30s响应备用 瞬时响应备用AGC

晴天

10min旋转备用 30min运行备用 60min运行备用

冷备用 30s响应备用 瞬时响应备用AGC

备用容量值 0.0960 0.0450 0.0624 0.1034 0.0446

0.0214 0.0214 0.0946 0.0249 0.0238 0.1071 0.0458

0.0082 0.0082 0.0510

0.1478 0.2962 0.3514 备用总量

图2. 光伏电站预测功率输出曲线

多云

10min旋转备用 30min运行备用 60min运行备用

冷备用

由光伏电站的输出功率实测值和预测值得到控制功率需求曲线，如图3所示。利用DFT对该曲线进行时频转换，得到控制功率需求的频谱，如图4所示。

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雨天 30s响应备用

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输出功率偏差进行频谱分析，基于频谱分析结果，确

0.0091 10min旋转备用 定储能系统容量和储能补偿后的系统备用需求。 0.0481 30min运行备用 仿真结果表明，经容量约为光伏装机容量20%的0.0256 储能系统补偿后，光伏电站的功率输出波动几乎得到60min运行备用

0.0052 0.0052 了完全平抑，系统不需要再提供额外的备用容量即可冷备用

实现光伏电站按照所要求的功率输出发电，该方法有利用式（5）可得11个时段分别所需的储能系统

效缓解了备用机组的负担，提高了电网对光伏发电的容量[11]，利用11个时段的储能容量，分时段对光伏

接纳能力。 输出功率波动进行补偿，储能系统的充放电变化情况

瞬时响应备用AGC

0.0140

曲线如图5所示。

W=∫(Pm−Pp)dt (5)

0

T

参考文献

http://www.gov.cn/zwgk/2012-08/21/content_2207867.htm

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[11] 张浩，马爱军，，张成刚．风电场日出力曲线和储能

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式中：Pm为光伏电站实际输出功率，Pp为预测输出功率。

由图5看出，11个时段中，储能容量变化呈上坡趋势时，储能系统是在储存电量，呈下坡趋势时，储能系统是在释放电量。经过一个时段的充放电循环，储能系统又回到初始状态，可以继续投入下一个时段的运行。储能系统可以这样一直循环利用，不会出现过充和过放现象，避免了对储能介质寿命的损伤[11]。

储能系统容量可充电的最高上限晴天时为0.4MWh，多云时为0.3MWh，雨天时为0.2MWh，最低下限均为0MWh。由图5可以看出，储能系统充放电变化幅度均在所设计储能容量上下限范围以内，可以较好地补偿光伏出力波动，机组不需要再提供额外的备用容量。若储能系统充放电变化幅度超出了所设计储能容量的范围，超出部分将由备用机组实现补偿，同样地，利用DFT对储能系统补偿后的光伏发电控制功率需求进行频谱分析，即可得到补偿后的光伏电站备用需求，并最终实现联合利用储能容量和系统备用平抑光伏电站功率输出波动的目的。

图5. 储能系统充放电变化情况

5 结论

本文提出了一种基于频谱分析的光伏电站储能系统容量优化方法，根据响应时间将平抑光伏发电输出波动所需的控制容量重新分类，利用DFT对光伏发电

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