一种垂直轴风电系统中变流器与蓄电池容量优化配置策略

摘要

本发明公开的这种电场功率平抑下的整体装置的容量优化配置策略，分析了由蓄电池组成的储能系统充放电过程和损失风能的计算方法，并以背靠背PWM变流器、蓄电池投资成本和风能损失的费用为优化目标函数。该容量优化配置模型以蓄电池运行特性和国家标准要求的风电并网输出功率波动限制为约束条件，且使用改进的非线性规划遗传算法进行计算。最后，使用该策略对具体的算例进行计算，算例结果验证了容量优化配置模型和算法的正确性。本发明采用综合考虑系统机侧变流器VSC1、网侧变流器VSC2以及蓄电池的整体容量优化配置策略，使风电系统充分捕获风能并网，同时保证系统成本最低，实现效益最大化。

主权项

一种垂直轴风电系统中变流器与蓄电池容量优化配置策略，所述的垂直轴风电系统由风电机组、机侧变流器VSC1、网侧变流器VSC2和蓄电池构成；其特征在于，容量优化配置策略具体步骤如下：(1)测量获得过去一年内的风电系统安装位置的风能数据，用P₀(t)表示；用变量P₁(t)表示机侧变流器VSC1输出的功率，P₂(t)表示蓄电池的充电功率，P₃(t)表示网侧变流器VSC2输出的功率；P₁₀表示机侧变流器VSC1的额定功率；S₂₀表示蓄电池的额定容量；P₃₀表示网侧变流器VSC2的额定功率；(2)一年内损失的风能W_loss可以通过下式计算获得：$W_{loss}={\int }_0^{31536000}{P}_0\left(t\right)-P_1\left(t\right))dt;$(3)建立目标函数：J＝Min(K_e×W_loss+K_p1×P₁₀+K_p2×S₂₀+K_p3×P₃₀)；上式中，K_e表示风能的单位成本；K_p1为机侧变流器VSC1单位容量(kW)的年投资成本和风电机组单位容量(kW)的年投资成本之和；K_p2为蓄电池单位容量(度电)的年投资成本；K_p3为网侧变流器VSC2每单位容量(kW)的年投资成本；(4)确定约束条件：机侧变流器VSC1的与网侧变流器VSC2的输出功率必须满足下式：$\left\{\begin{array}{c}{P}_1\left(t\right)\le P_0\left(t\right)\\ 0\le P_1\left(t\right)\le P_{10}\\ 0\le P_3\left(t\right)\le P_{30}\end{array}\right.;$根据国标要求，网侧变流器输出功率P₃(t)还应满足下式：$\left\{\begin{array}{c}Max\left[P_3(0:60)\right]-Min\left[P_3(0:60)\right]\le {\mathrm{\Delta P}}_{1\min }\\ Max\left[P_3(0:600)\right]-Min\left[P_3(0:600)\right]\le {\mathrm{\Delta P}}_{10\min }\end{array}\right.;$其中ΔP_1min为网侧变流器输出功率1分钟内允许波动的最大值，ΔP_10min为网侧变流器输出功率10分钟内允许波动的最大值；蓄电池的充电功率P₂(t)及蓄电池实时储能S₂(t)的限制条件为：$\left\{\begin{array}{cc}{P}_2\left(t\right)=P_1\left(t\right)-P_3\left(t\right)& \\ S_2\left(t\right)=S_2\left(0\right)+{\int }_0^t{P}_2\left(t\right)dt& \\ 0\le S_2\left(t\right)\le S_{20}& \\ P_2\left(t\right)\Delta T\le S_{20}-S_2\left(t\right)& P_2\left(t\right)\ge 0\\ -P_2\left(t\right)\Delta T\le S_2\left(t\right)& P_2\left(t\right)<0\end{array}\right.;$ΔT为控制周期，取值1秒，S₂(0)为蓄电池的初始储能能量；(4)求解目标函数最优解：采用非线性规划遗传算法求解目标函数对应的P₁₀、P₃₀、S₂₀；遗传算法的初始种群包含k个体，每个体的用m位二进制数表示；其中前l位代表P₁₀，中间p位代表S₂₀，最后q位代表P₃₀；m＝l+p+q；蓄电池初始储能为满容量，种群个体交叉概率为n，种群个体变异概率为r；遗传算法的终止条件为进化次数为x；遗传算法每一次变异后，保留目标函数值最小时所对应的个体；遗传算法结束后，取出保留的个体，将该个体中代表P₁₀、S₂₀、P₃₀的二进制位分别取出，换算成十进制数；这3个十进制数即为优化后的机侧变流器VSC1的额定功率、蓄电池的额定容量、网侧变流器VSC2的额定功率。