本发明涉及一种预装式储能电站容量配置方法。
背景技术：
近年来储能技术飞速发展，我国的储能产业也迎来了至少十年的黄金发展期。为了协调分布式电源本身随机性、间歇性的特点与电网可靠运行的矛盾，集分布式电源、储能装置、负荷、能量转换装置和控制保护装置于一体的微网技术得到了飞速发展。但是由于土建式的储能电站受制于交通、地势等原因，为微网的建设带来了严重的制约和影响，迫切需要一种能适应海岛、边防哨所等电力供给困难的特殊环境的微网电站建设方案。预装式储能电站为一个集装箱式的储能电站，将多元储能单元放置在一个可移动、小型化的集装箱箱体之中，方便灵活，运输便捷，可以满足海岛、边防哨所等电力供给困难的场所用电。集装箱内部储能单元的选型及其储能单元的容量大小是极其重要的，超级电容器作为功率型储能单元可以用于需求短时间大功率的场合；锂电池储能单元作为短期能量型储能单元可以用于追求供电可靠性、稳定性和连续性的场合；氢储能储能单元作为长期能量型储能单元比锂电池储能单元具有更强的供电能力。将超级电容器、锂电池和氢储能相结合的储能系统性能完备，可以满足不同场合的用电需求合理配置各类储能单元的容量也至关重要，如容量配置过大，会增加系统的成本费用和其他相关的运行维护费用，造成能量的溢出；如果容量配置的过小，将不能满足负荷的用电需求，从而造成用户频繁停电的现象。
目前，大多数微网储能电站选用的储能设备一般都是锂电池。锂电池是一种能量型的储能设备，能量密度大，便于长期存储电能，但同时循环寿命短、功率密度低，加之新能源输出功率的不稳定性和间歇性，往往导致蓄电池过早失效或容量损失，从而加大了系统的投资成本。超级电容器作为一种新型储能元件，具有功率密度大、充放电速度快、循环寿命长等无可替代的优良特性，可以有效的抑制系统的短时功率波动，成为处理尖峰负荷的最佳选择。氢储能作为一种纯洁无污染，具有长时间尺度的充放电能力。将锂电池、超级电容器和氢储能三者作为储能单元混合使用，可以有效提高系统的工作效率，从而大大降低系统的运行成本。
目前国内外针对微网储能容量配置方面做了一些研究，已有的研究主要从涉及锂电池和超级电容器的储能单元角度出发，构建储能单元的一次投资成本和运行维护成本，并未从微网负荷侧需要进行定性定量的研究，也并未研究设计氢储能的混合储能单元。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点，提出一种预装式储能电站容量配置方法。本发明通过对多元储能单元进行一次投资成本、运行维护成本、缺电惩罚费用以及能量溢出惩罚费用建模，构建以多元储能单元一次投资成本、运行维护成本、缺电惩罚费用以及能量溢出惩罚费用四者之和的目标函数，在剩余电量以及负荷缺电率与能量溢出率的条件约束下，得出微网储能电站的最佳容量配置方案。
本发明采用的技术方案如下：
本发明预装式储能电站容量优化配置方法步骤如下：
首先采集孤立微网的新能源发电系统输出功率及负荷消耗功率数据，利用负荷消耗功率与新能源发电系统输出功率之差计算孤立微网的平衡功率；采用离散型傅里叶变换的方法进行频谱分析；根据各个储能单元补偿频段的不同，并根据傅里叶变换确定的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元所补偿的频段，将各个储能单元的频段补偿结果转换到时域上，得到各个储能单元的补偿功率；根据新能源发电系统输出功率和负荷消耗功率的需求，合理配置锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的容量，确定微网系统年综合成本最小为微网储能容量优化配置的目标；利用粒子群算法对目标函数求解，得到最优的容量配置方案。
所述的新能源发电系统包括光伏发电系统和风力发电系统。
所述的多元储能单元包括锂电池储能单元、超级电容器储能单元及氢储能单元，氢储能单元包括电解槽、储气罐及燃料电池，电解槽电解水，制得氢气和氧气，储气罐存储氢气和氧气，在需要发电的时候氢气和氧气通过燃料电池将存储的能量转换为电能发出。
各步骤具体如下：
1、首先采集孤立微网的新能源系统输出功率及负荷消耗功率数据，利用负荷消耗功率与新能源系统输出功率之差计算孤立微网的平衡功率；
(1)计算t时刻新能源系统的输出功率pre(t)，所述的新能源系统包括光伏发电系统和风力发电系统；
pre(t)＝ppv(t) pw(t)(1)
其中，pre(t)表示t时刻新能源系统的输出功率，ppv(t)表示t时刻光伏发电系统的输出功率，pw(t)表示t时刻风力发电系统的输出功率。
(2)计算t时刻的孤立微电网平衡功率pj(t)；
定义t时刻负荷消耗功率与新能源系统输出功率之差为孤立微电网平衡功率：
pj(t)＝pload(t)-pre(t)(2)
其中，pre(t)表示t时刻新能源系统的输出功率，pload(t)代表t时刻的负荷消耗功率，pj(t)代表t时刻的微电网平衡功率。
2、采用离散型傅里叶变换的方法进行频谱分析
(1)对步骤(1)得到的微电网平衡功率数据采样；
由采样定理可知，频谱分析的最高分辨频率应为采样频率的1/2，也即采样频率至少应等于信号最高频率的两倍，才能够避免频域混叠。因此采样周期越小数据越精确，频谱分析的范围越宽。本发明选用的采样周期为1min。
对微电网平衡功率数据采样得到的样本数据pj为：
pj＝[pj(1),...,pj(n),...,pj(n)](3)
式中，pj(n)代表对平衡功率pj(t)采样后的第n个样本数据，pj(n)代表对平衡功率pj(t)采样后的第n个样本数据。每隔一分钟对平衡功率进行一次数据采样，采样一次得到一个样本数据，n、n均代表样本数据的编号，0＜n≤n。
(2)对微电网平衡功率的样本数据进行离散型傅里叶变换，得到经傅里叶变换后不同频率对应的幅值：
式中，变量sj为不同频率对应的下的幅值组成的序列，dft(pj)表示对微网平衡功率样本数据pj进行离散型傅里叶变换后得到的不同频率fj所对应的幅值。sj(1)为经傅里叶变换后第1个频率fj(1)所对应的幅值，sj(n)为傅里叶变换之后第n个频率fj(n)所对应的幅值，sj(n)为傅里叶变换之后第n个频率fj(n)所对应的幅值；fj为对微网平衡功率样本数据pj进行离散型傅里叶变换后得到的不同频率，fj(1)为对微网平衡功率样本数据pj(1)进行离散型傅里叶变换后得到的频率，fj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的频率，fj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的频率。
3、根据各个储能单元补偿频段的不同，并根据傅里叶变换确定的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能所补偿的频段，将各个储能单元的频段补偿结果转换到时域上，得到各个储能单元的补偿功率。
以锂电池储能单元为例，假设fjb∪fjb1为锂电池补偿频段，用sb＝[sb(nb),...,sb(nb)]表示离散型傅里叶变换后锂电池储能单元补偿频段所对应的幅值，为了计算简便，将未补偿频段对应的幅值置为0，补偿频段的幅值不变，即：
式(5)中，sb(nb)表示锂电池单元补偿频段nb倍频对应的的幅值，sj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的第n个频率样本数据fj(n)所对应的幅值；0表示置0的未补偿频段的对应幅值：fj(n)为对样本数据进行离散型傅里叶变换后的第n个频率的样本数据，fj表示对平衡功率进行傅里叶变换后的所有倍频序列；fjb表示锂电池储能单元补偿的频段区间，fjb＝[fjbmin,fjbmax]，根据锂电池的特性划分的属于锂电池储能单元补偿的频段从fjbmin到fjbmax，fjbmin和fjbmax分别为锂电池储能单元补偿频段的端点，fjbmin是锂电池储能单元补偿的最小频率,fjbmax是锂电池储能单元补偿的最大频率；fjb1表示sj中以频谱分析结果的最高分辨频率为对称轴的与fjb对称的频段；nb和nb为锂电池储能单元补偿的倍频，0＜nb≤nb。
对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换，将频谱分析的结果转换到时域，可以得到锂电池储能单元的补偿功率为：
pb＝idft(sb)＝[pb(nb),...,pb(nb)](6)
式(6)中，pb表示对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换后得到的锂电池储能单元补偿的时域功率指令集合，idft(sb)表示对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换得到的锂电池储能单元补偿的时域功率指令集合，pb(nb)表示锂电池储能单元补偿的nb倍频对应的功率幅值，nb和nb为锂电池储能单元补偿的倍频，0＜nb≤nb。同理，将上述以锂电池为例的方法，分别划分出超级电容器储能单元和氢储能的补偿频段，找出超级电容器储能单元和氢储能单元补偿频段所对应的幅值，将未补偿频段的幅值置为0，补偿频段的幅值不变，再对超级电容器储能单元和氢储能补偿频段的幅值进行傅里叶反变换，便可以得到超级电容器和氢储能单元补偿功率。
4、根据新能源系统输出功率和负荷消耗功率的需求，合理配置锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的容量，确定微网系统年综合成本最小为微网储能容量优化配置的目标，建立微网储能容量优化配置的目标函数为：
minc＝min(c1 c2 c3 c4)(7)
其中，c1表示锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的一次投资成本；c2表示锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的运行维护成本；c3表示缺电惩罚费用；c4表示能量溢出惩罚费用。
c1＝c11 c12 c13 c14(8)
cin_ij＝kijpjd(10)
c11表示超级电容器和锂电池的一次投资成本，其中i表示储能单元的种类，i＝1代表超级电容器，i＝2代表锂电池单元，j代表的储能单元的数量，m表示种类的总数量，此处为2，n在i＝1时表示超级电容器的总个数，在i＝2时表示锂电池单元的总数量，t表示超级电容器和锂电池单元的整个寿命周期，kij表示各个储能单元的功率系数，pjd表示各个储能单元的额定功率，crf表示资金回收系数，r为利率，l表示超级电容器和锂电池的使用年限，cin_ij表示各个储能单元的初始投资成本，储能单元的初始投资成本与其额定功率的配置有关；c12表示氢储能单元的电解槽的一次投资金额，pj_ele为电解槽的总功率，
c2＝c21 c22 c23 c24(15)
c21表示锂电池和超级电容器的运行维护费用，i表示储能单元的种类，i＝1代表超级电容器储能单元，i＝2代表锂电池储能单元，j代表的储能单元的数量，m表示种类的总数量，此处为2，n在i＝1时表示超级电容器的总个数，n在i＝2时表示锂电池的总个数，t表示整个寿命周期，γi表示单位功率的维护系数，pjd代表各个储能单元的额定功率；c22表示电解槽的运行维护费用，b表示电解槽的总台数，t表示整个寿命周期，cre是电解槽的年维护费用系数，mjt表示第j台电解槽在第t年的运行费用；c23代表储气罐的运行维护费用，c表示氢气罐的总数量，d表示氧气罐的总数量，c d代表总的储气罐的数量，crs表示储气罐的年维护运行费用系数，εjt代表第j瓶储气罐在第t年的运行费用；c24代表燃料电池的运行维护费用，e表示燃料电池总数量，γi_fc是燃料电池的单位功率维护系数，pjd_fc代表的是燃料电池的额定功率。
在配置锂电池、超级电容器和氢储能单元的容量时，不能为了保证某些尖端负荷的正常用电而无限大地配置储能的容量。所以在配置储能容量时既要保证负荷用电的可靠性也要兼顾容量配置的经济性，即寻找储能容量与供电可靠性之间的平衡点。为此，本发明引入缺电惩罚费用与能量溢出惩罚费用。
c3＝εloss(lc_lps lli_lps lh_lps)(20)
式(20)中，c3表示缺电惩罚费用；εloss定义为负荷缺电惩罚系数，为每缺一千瓦的电所惩罚的费用，单位为元/千瓦，lli_lps表示锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量，lc_lps表示超级电容器所补偿的负荷缺电总量，lh_lps表示超级电容器和氢储能所补偿的负荷缺电总量。
以锂电池储能单元为例：当锂电池储能单元补偿的时域功率pli(t)＞0时，表示锂电池储能单元放电，假设配置的锂电池储能单元的功率为pli0，则定义锂电池储能单元补偿的负荷缺电量为：
上述式(21)中，pli(t)表示锂电池储能单元补偿的时域功率，pli0表示配置的锂电池储能单元的功率，t代表t时刻。
则在整个寿命周期t内，锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量lli_lps为负荷缺电量pli_lps(t)关于时间的累加求和。
同理可以得到超级电容器在整个生命周期t内所补偿的负荷缺电总量lc_lps和氢储能单元在整个生命周期t内所补偿的负荷缺电总量lh_lps。
定义负荷缺电率δlpsp为：
式(22)中，lli_lps表示锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量，t表示整个寿命周期，lc_lps表示超级电容器储能单元的负荷缺电总量，lh_lps表示超级电容器储能单元和氢储能单元所补偿的负荷缺电总量，pload(t)表示负荷消耗功率，δlpsp表示负荷缺电率，是衡量供电可靠性的指标，t代表t时刻。
c4＝εwaste(lc_ex lli_ex lh_ex)(23)
式(23)中，c4表示能量溢出的惩罚费用，lli_ex表示锂电池储能单元所补偿的能量溢出总量，t表示整个寿命周期，lc_ex表示超级电容器补偿下的能量溢出总量，lh_ex表示氢储能单元补偿下的能量溢出总量，εwaste定义为能量溢出惩罚系数。
当锂电池储能单元补偿的时域功率pli(t)＜0时，表示锂电池储能单元充电，假设配置的锂电池储能单元的容量为pli0，则定义在锂电池储能单元补偿下的能量溢出量：
则在整个寿命周期内，锂电池储能单元所补偿的负荷能量溢出总量为能量溢出量关于时间的累加。
同理可以得到超级电容器在整个生命周期t内补偿下的能量溢出总量lc_ex和氢储能单元在整个生命周期t内补偿下的能量溢出总量lh_ex。
定义能量溢出率δexc为：
上述式中，pli_ex(t)表示锂电池储能单元补偿下的能量溢出量，lli_ex表示锂电池储能单元所补偿的能量溢出总量，t表示整个寿命周期，lc_ex、lh_ex分别表示超级电容器储能单元补偿下和氢储能单元补偿下的能量溢出总量，pli0、pc0、ph0分别表示配置的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的功率，δexc为能量溢出率，能量溢出率δexc是微网的经济性指标，用以衡量弃风弃光率。
考虑储能单元的剩余电量需要维持在一个比较合理的范围内，不能过充或者过放，过充或者过放都会对储能装置的寿命产生影响。因此，任意t时刻的储能单元的电量存在如下约束：
eb(t)表示t时刻锂电池储能单元的剩余电量，ebmin表示锂电池储能单元的最小剩余电量、ebmax表示锂电池储能单元的最大剩余电量，ec(t)表示t时刻超级电容器的剩余电量，ecmin表示超级电容器的最小剩余电量、ecmax表示超级电容器的最大剩余电量。
储气罐的约束条件为：
式中，vshp表示氢气罐的体积，vsop表示氧气罐的体积，vmin表示储气罐的最小容量，vmax表示储气罐的最大容量。
负荷缺电率和能量溢出率的约束条件为：
式中，δlpsp表示负荷缺电率，δexc表示能量溢出率，δlpsp_max表示负荷缺电率上限，δexc_max表示能量溢出率上限。
5、利用粒子群算法对步骤4建立的微网储能容量优化配置目标函数求解，得到最优的容量配置方案。
(1)初始化粒子群，包括种群规模n，每个粒子的位置xi和速度vi；对粒子群的初始化为对决策变量进行初始化，所述的决策变量为锂电池储能单元容量、超级电容器储能单元容量和氢储能单元的容量，每个粒子由决策变量构成；
(2)计算每个粒子的适应度值fit[i]；
(3)对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和个体极值pbest(i)比较，如果fit[i]＜pbest(i)，则用fit[i]替换掉pbest(i)；
(4)对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和全局极值gbest比较，如果fit[i]＜gbest，则用fit[i]代替gbest；
(5)更新粒子的速度vi和xi；
(6)通过迭代，如果相邻两次迭代的适应度值的误差在设定的误差范围内，便可认为在这个误差范围内已经找到了最优解，即最小的微网系统年综合成本minc，便认为满足结束条件，可以退出运算，或者达到最大循环次数，也可退出运算，否则返回步骤(2)。
附图说明
图1本发明容量配置方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1、首先采集孤立微网的新能源系统输出功率及负荷消耗功率数据，利用负荷消耗功率与新能源系统输出功率之差计算孤立微网的平衡功率；
(1)计算t时刻新能源系统的输出功率pre(t)，所述的新能源系统包括光伏发电系统和风力发电系统；
pre(t)＝ppv(t) pw(t)(1)
其中，pre(t)表示t时刻新能源系统的输出功率，ppv(t)表示t时刻光伏发电系统的输出功率，pw(t)表示t时刻风力发电系统的输出功率。
(2)计算t时刻的孤立微电网平衡功率pj(t)；
定义t时刻负荷消耗功率与新能源系统输出功率之差为孤立微电网平衡功率：
pj(t)＝pload(t)-pre(t)(2)
其中，pre(t)表示t时刻新能源系统的输出功率，pload(t)代表t时刻的负荷消耗功率，pj(t)代表t时刻的微电网平衡功率。
2、采用离散型傅里叶变换的方法进行频谱分析
(1)对步骤(1)得到的微电网平衡功率数据采样；
由采样定理可知，频谱分析的最高分辨频率应为采样频率的1/2，也即采样频率至少应等于信号最高频率的两倍，才能够避免频域混叠。因此采样周期越小数据越精确，频谱分析的范围越宽。本发明选用的采样周期为1min。
对微电网平衡功率数据采样得到的样本数据pj为：
pj＝[pj(1),...,pj(n),...,pj(n)](3)
式中，pj(n)代表对平衡功率pj(t)采样后的第n个样本数据，pj(n)代表对平衡功率pj(t)采样后的第n个样本数据。每隔一分钟对平衡功率进行一次数据采样，采样一次得到一个样本数据，n、n均代表样本数据的编号，0＜n≤n。
(2)对微电网平衡功率的样本数据进行离散型傅里叶变换，得到经傅里叶变换后不同频率对应的幅值：
式中，变量sj是不同频率对应的下的幅值组成的序列，dft(pj)表示对微网平衡功率样本数据pj进行离散型傅里叶变换后得到的不同频率fj所对应的幅值。sj(1)为经傅里叶变换后第1个频率fj(1)所对应的幅值，sj(n)为傅里叶变换之后第n个频率fj(n)所对应的幅值，sj(n)为傅里叶变换之后第n个频率fj(n)所对应的幅值；fj为对微网平衡功率样本数据pj进行离散型傅里叶变换后得到的不同频率，fj(1)为对微网平衡功率样本数据pj(1)进行离散型傅里叶变换后得到的频率，fj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的频率，fj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的频率。
3、根据各个储能单元补偿频段的不同，并根据傅里叶变换确定的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能所补偿的频段，将各个储能单元的频段补偿结果转换到时域上，得到各个储能单元的补偿功率。
以锂电池储能单元为例，假设fjb∪fjb1为锂电池补偿频段，用sb＝[sb(nb),...,sb(nb)]表示微电网平衡功率的频谱分析中锂电池储能单元补偿频段所对应的幅值，将未被补偿频段的幅值置为0，补偿频段的幅值保持不变，即：
式(5)中，sb(nb)表示锂电池单元补偿频段nb倍频对应的的幅值，sj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的第n个频率样本数据fj(n)所对应的幅值；0表示置0的未补偿频段的对应幅值，fj(n)为对样本数据进行离散型傅里叶变换后的第n个频率的样本数据，fj表示对平衡功率进行傅里叶变换之后的所有倍频序列，fjb表示锂电池储能单元补偿的频段区间，根据锂电池的特性划分属于锂电池储能单元补偿的频段从fjbmin到fjbmax，fjbmin和fjbmax分别为锂电池储能单元补偿频段的两个端点，fjbmin是锂电池储能单元补偿的最小频率,fjbmax是锂电池储能单元补偿的最大频率；fjb1表示sj中以频谱分析结果的最高分辨频率为对称轴的与fjb对称的频段；nb和nb为锂电池储能单元补偿的倍频，0＜nb≤nb。
对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换，将频谱分析的结果转换到时域，可以得到锂电池储能装置的补偿功率为：
pb＝idft(sb)＝[pb(nb),...,pb(nb)](6)
式(6)中，pb表示对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换后得到的锂电池储能单元补偿的时域功率指令集合，idft(sb)表示对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换得到的锂电池储能单元补偿的时域功率指令集合，pb(nb)表示锂电池储能单元补偿的nb倍频对应的功率幅值，nb和nb为锂电池储能单元补偿的倍频，0＜nb≤nb。同理，将上述以锂电池为例的方法，分别划分出超级电容器储能单元和氢储能单元的补偿频段，找出超级电容器储能单元和氢储能单元补偿频段所对应的幅值，将未补偿频段的幅值置为0，补偿频段的幅值不变，再对超级电容器储能单元和氢储能单元补偿频段的幅值进行傅里叶反变换，便可以得到超级电容器和氢储能单元补偿功率。
4、根据新能源发电系统输出功率和负荷消耗功率的需求，合理配置锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的容量，确定微网系统年综合成本最小为微网储能容量优化配置的目标，建立微网储能容量优化配置的目标函数为：
minc＝min(c1 c2 c3 c4)(7)
其中，c1表示锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的一次投资成本；c2表示锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的运行维护成本；c3表示缺电惩罚费用；c4表示能量溢出惩罚费用。
c1＝c11 c12 c13 c14(8)
cin_ij＝kijpjd(10)
c11表示超级电容器和锂电池的一次投资成本，其中i表示储能单元的种类，i＝1代表超级电容器储能单元，i＝2代表锂电池储能单元，j代表的储能单元的数量，m表示种类的总数量，此处为2，n在i＝1时表示超级电容器的总个数，在i＝2时表示锂电池的总个数，t表示整个寿命周期，kij表示各个储能单元的功率系数，pjd表示各个储能单元的额定功率，crf表示资金回收系数，r为利率，l表示使用年限，cin_ij表示各个储能单元的初始投资成本，储能单元的初始投资成本与其额定功率的配置有关；c12表示电解槽的一次投资金额，pj_ele为电解槽的总功率，
c2＝c21 c22 c23 c24(15)
c21表示锂电池和超级电容器的运行维护费用，i表示储能单元的种类，i＝1代表超级电容器，i＝2代表锂电池，j代表的储能单元的数量，m表示储能单元种类的总数量，此处为2，n在i＝1时表示超级电容器的总个数，在i＝2时表示锂电池的总个数，γi表示单位功率的维护系数，pjd代表额定功率；c22表示电解槽的运行维护费用，b表示电解槽的总台数，t表示整个寿命周期，cre是电解槽的年维护费用系数，mjt表示第j台电解槽在第t年的运行费用；c23代表储气罐的运行维护费用，c、d分别表示氢气罐和氧气罐的总数量，c d代表总的储气罐的个数，crs表示储气罐的年维护运行费用系数，εjt代表第j瓶储气罐在第t年的运行费用；c24代表燃料电池的运行维护费用，e表示燃料电池总数量，γi_fc是燃料电池的单位功率维护系数，pjd_fc代表的是燃料电池的额定功率。
在配置锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的容量时，不能为了保证某些尖端负荷的正常用电而无限大地配置储能的容量。所以在配置储能容量时既要保证负荷用电的可靠性也要兼顾容量配置的经济性，即寻找储能容量与供电可靠性之间的平衡点。为此，本发明引入缺电惩罚费用与能量溢出惩罚费用。
c3＝εloss(lc_lps lli_lps lh_lps)(20)
式(20)中，c3表示缺电惩罚费用；εloss定义为负荷缺电惩罚系数，为每缺一千瓦的电所惩罚的费用，单位为元/千瓦，lli_lps表示锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量，lc_lps表示超级电容器所补偿的负荷缺电总量，lh_lps表示超级电容器和氢储能所补偿的负荷缺电总量。
以锂电池储能单元为例：当锂电池储能单元补偿的时域功率pli(t)＞0时，表示锂电池储能单元放电，假设配置的锂电池储能单元的功率为pli0，则定义锂电池储能单元补偿的负荷缺电量pli_lps(t)为：
上述式(21)中，pli(t)表示锂电池储能单元补偿的时域功率，pli0表示配置的锂电池储能单元的功率，t代表t时刻。
则在整个寿命周期t内，锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量lli_lps为负荷缺电量关于时间的累加求和。
同理可以得到超级电容器在整个生命周期t内所补偿的负荷缺电总量lc_lps和氢储能单元在整个生命周期t内所补偿的负荷缺电总量lh_lps。
定义负荷缺电率δlpsp为：
式(22)中，lli_lps表示锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量，t表示整个寿命周期，lc_lps表示超级电容器储能单元的负荷缺电总量，lh_lps表示超级电容器储能单元和氢储能单元所补偿的负荷缺电总量，pload(t)表示负荷消耗功率，δlpsp表示负荷缺电率，是衡量供电可靠性的指标，t代表t时刻。
c4＝εwaste(lc_ex lli_ex lh_ex)(23)
式(23)中，c4表示能量溢出惩罚费用，lli_ex表示锂电池储能单元所补偿的能量溢出总量，t表示整个寿命周期，lc_ex表示超级电容器补偿下的能量溢出总量，lh_ex表示氢储能单元补偿下的能量溢出总量，εwaste定义为能量溢出惩罚系数。
当锂电池储能单元补偿的时域功率pli(t)＜0时，表示锂电池储能单元充电，假设配置的锂电池储能单元的容量为pli0，则定义在锂电池储能单元补偿下的能量溢出量：
则在整个寿命周期内，锂电池储能单元所补偿的负荷能量溢出总量为能量溢出量关于时间的累加。
同理可以得到超级电容器在整个生命周期t内补偿下的能量溢出总量lc_ex和氢储能单元在整个生命周期t内补偿下的能量溢出总量lh_ex。
定义能量溢出率δexc为：
上述式中，pli_ex(t)表示锂电池储能单元补偿下的能量溢出量，lli_ex表示锂电池储能单元所补偿的能量溢出总量，t表示整个寿命周期，lc_ex、lh_ex分别表示超级电容器储能单元补偿下和氢储能补偿下的能量溢出总量，pli0、pc0、ph0分别表示配置的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的功率，δexc为能量溢出率。
考虑储能单元的剩余电量需要维持在一个比较合理的范围内，不能过充或者过放，过充或者过放都会对储能装置的寿命产生影响。任意t时刻的储能单元的电量存在如下约束：
eb(t)表示t时刻锂电池储能单元的剩余电量，ebmin表示锂电池储能单元的最小剩余电量、ebmax表示锂电池储能单元的最大剩余电量，ec(t)表示t时刻超级电容器的剩余电量，ecmin表示超级电容器的最小剩余电量、ecmax表示超级电容器的最大剩余电量。
储气罐的约束条件为：
式中，vshp表示氢气罐的体积，vsop表示氧气罐的体积，vmin表示储气罐的最小容量，vmax表示储气罐的最大容量。
负荷缺电率和能量溢出率的约束条件为：
式中，δlpsp表示负荷缺电率，δexc表示能量溢出率，δlpsp_max表示负荷缺电率上限，δexc_max表示能量溢出率上限。
5、利用粒子群算法对步骤4建立的微网储能容量优化配置目标函数求解，得到最优的容量配置方案。
(1)初始化粒子群，包括种群规模n，每个粒子的位置xi和速度vi；对粒子群的初始化为对决策变量进行初始化，所述的决策变量为锂电池储能单元容量、超级电容器储能单元容量和氢储能单元的容量，每个粒子由决策变量构成；
(2)计算每个粒子的适应度值fit[i]；
(3)对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和个体极值pbest(i)比较，如果fit[i]＜pbest(i)，则用fit[i]替换掉pbest(i)；
(4)对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和全局极值gbest比较，如果fit[i]＜gbest，则用fit[i]代替gbest；
(5)更新粒子的速度vi和xi；
(6)通过迭代，如果相邻两次迭代的适应度值的误差在设定的误差范围内，便可认为在这个误差范围内已经找到了最优解，即最小的微网系统年综合成本minc，便认为满足结束条件，可以退出运算，或者达到最大循环次数，也可退出运算，否则返回步骤(2)。
1.一种预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：所述的配资方法首先采集孤立微网的新能源发电系统输出功率及负荷消耗功率数据，利用负荷消耗功率与新能源发电系统输出功率之差计算孤立微网的平衡功率；采用离散型傅里叶变换的方法进行频谱分析；根据各个储能单元补偿频段，并根据傅里叶变换确定的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元补偿的频段，将各个储能单元的频段补偿结果转换到时域上，得到各个储能单元的补偿功率；根据新能源发电系统输出功率和负荷消耗功率的需求，配置锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的容量，确定微网系统年综合成本最小为微网储能容量优化配置的目标；最后利用粒子群算法对目标函数求解，得到最优的容量配置方案；所述的新能源发电系统包括光伏发电系统和风力发电系统。
2.根据权利要求1所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：所述的计算孤立微网平衡功率的方法如下：
(1)计算t时刻新能源系统的输出功率pre(t)：
pre(t)＝ppv(t) pw(t)(1)
其中，pre(t)表示t时刻新能源系统的输出功率，ppv(t)表示t时刻光伏发电系统的输出功率，pw(t)表示t时刻风力发电系统的输出功率；
(2)计算t时刻的孤立微电网平衡功率pj(t)
定义t时刻负荷消耗功率与新能源系统输出功率之差为孤立微电网平衡功率：
pj(t)＝pload(t)-pre(t)(2)
其中，pre(t)表示t时刻新能源系统的输出功率，pload(t)代表t时刻的负荷消耗功率，pj(t)代表t时刻的微电网平衡功率。
3.根据权利要求1或2所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：获取各个储能单元的补偿功率的方法如下；
(1)采用离散型傅里叶变换的方法进行频谱分析
1)对孤立微电网的平衡功率数据采样；
对微电网平衡功率数据采样得到的样本数据pj为：
pj＝[pj(1),...,pj(n),...,pj(n)](3)
式中，pj(n)代表对平衡功率pj(t)采样后的第n个样本数据，pj(n)代表对平衡功率pj(t)采样后的第n个样本数据；每隔一分钟对平衡功率进行一次数据采样，采样一次得到一个样本数据，n、n均代表样本数据的编号，0＜n≤n；
2)对微电网平衡功率的样本数据进行离散型傅里叶变换，得到经傅里叶变换后不同频率对应的幅值：
式中，sj是不同频率对应的下的幅值组成的序列，dft(pj)表示对微网平衡功率样本数据pj进行离散型傅里叶变换后得到的不同频率fj所对应的幅值；sj(1)为经傅里叶变换后第1个频率fj(1)所对应的幅值，sj(n)为傅里叶变换之后第n个频率fj(n)所对应的幅值，sj(n)为傅里叶变换之后第n个频率fj(n)所对应的幅值；fj为对微网平衡功率样本数据pj进行离散型傅里叶变换后得到的不同频率，fj(1)为对微网平衡功率样本数据pj(1)进行离散型傅里叶变换后得到的频率，fj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的频率，fj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的频率；
(2)根据各个储能单元补偿频段的不同，并根据傅里叶变换确定的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能所补偿的频段，将各个储能单元的频段补偿结果转换到时域上，得到各个储能单元的补偿功率：
对于锂电池储能单元，假设fjb∪fjb1为锂电池补偿频段，用sb＝[sb(nb),...,sb(nb)]表示离散型傅里叶变换后锂电池储能单元补偿频段所对应的幅值；为了计算简便，将未补偿频段对应的幅值置为0，补偿频段的幅值不变，即：
式(5)中，sb(nb)表示锂电池单元补偿频段nb倍频对应的的幅值；sj(n)为对微网平衡功率样本数据pj(n)进行离散型傅里叶变换后得到的第n个频率样本数据fj(n)所对应的幅值；0表示置0的未补偿频段的对应幅值：fj(n)为对样本数据进行离散型傅里叶变换后的第n个频率的样本数据，fj表示对平衡功率进行傅里叶变换后的所有倍频序列；fjb表示锂电池储能单元补偿的频段区间，fjb＝[fjbmin,fjbmax]，根据锂电池的特性划分的属于锂电池储能单元补偿的频段从fjbmin到fjbmax，fjbmin和fjbmax分别为锂电池储能单元补偿频段的端点，fjbmin是锂电池储能单元补偿的最小频率,fjbmax是锂电池储能单元补偿的最大频率；fjb1表示sj中以频谱分析结果的最高分辨频率为对称轴的与fjb对称的频段；nb和nb为锂电池储能单元补偿的倍频，0＜nb≤nb；
对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换，将频谱分析的结果转换到时域，得到锂电池储能单元的补偿功率为：
pb＝idft(sb)＝[pb(nb),...,pb(nb)](6)
式(6)中，pb表示对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换后得到的锂电池储能单元补偿的时域功率指令集合，idft(sb)表示对锂电池储能单元补偿频段的幅值sb进行傅里叶反变换得到的锂电池储能单元补偿的时域功率指令集合，pb(nb)表示锂电池储能单元补偿的nb倍频对应的功率幅值，nb和nb为锂电池储能单元补偿的倍频，0＜nb≤nb。同理，按照上述锂电池储能单元的补偿功率的计算方法，分别划分出超级电容器储能单元和氢储能的补偿频段，找出超级电容器储能单元和氢储能单元补偿频段所对应的幅值，将未补偿频段的幅值置为0，补偿频段的幅值不变，再对超级电容器储能单元和氢储能补偿频段的幅值进行傅里叶反变换，便得到超级电容器和氢储能单元补偿功率。
4.根据权利要求1所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：确定微网系统年综合成本最小为微网储能容量优化配置的目标，建立微网储能容量优化配置的目标函数为：
minc＝min(c1 c2 c3 c4)(7)
其中，c1表示锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的一次投资成本；c2表示锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的运行维护成本；c3表示缺电惩罚费用；c4表示能量溢出惩罚费用。
5.根据权利要求4所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：所述的微网储能容量优化配置的目标函数中，锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的一次投资成本c1为：
c1＝c11 c12 c13 c14(8)
cin_ij＝kijpjd(10)
c11表示超级电容器和锂电池的一次投资成本，其中i表示储能单元的种类，i＝1代表超级电容器，i＝2代表锂电池单元，j代表的储能单元的数量，m表示种类的总数量，此处为2，n在i＝1时表示超级电容器的总个数，在i＝2时表示锂电池单元的总数量，t表示超级电容器和锂电池单元的整个寿命周期，kij表示各个储能单元的功率系数，pjd表示各个储能单元的额定功率，crf表示资金回收系数，r为利率，l表示超级电容器和锂电池的使用年限，cin_ij表示各个储能单元的初始投资成本，储能单元的初始投资成本与其额定功率的配置有关；c12表示氢储能单元的电解槽的一次投资金额，pj_ele为电解槽的总功率，
6.根据权利要求4所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：所述的微网储能容量优化配置的目标函数中，锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的运行维护成本c2为：
c2＝c21 c22 c23 c24(15)
c21表示锂电池和超级电容器的运行维护费用，i表示储能单元的种类，i＝1代表超级电容器储能单元，i＝2代表锂电池储能单元，j代表的储能单元的数量，m表示种类的总数量，此处为2，n在i＝1时表示超级电容器的总个数，n在i＝2时表示锂电池的总个数，t表示整个寿命周期，γi表示单位功率的维护系数，pjd代表各个储能单元的额定功率；c22表示电解槽的运行维护费用，b表示电解槽的总台数，t表示整个寿命周期，cre是电解槽的年维护费用系数，mjt表示第j台电解槽在第t年的运行费用；c23代表储气罐的运行维护费用，c表示氢气罐的总数量，d表示氧气罐的总数量，c d代表总的储气罐的数量，crs表示储气罐的年维护运行费用系数，εjt代表第j瓶储气罐在第t年的运行费用；c24代表燃料电池的运行维护费用，e表示燃料电池总数量，γi_fc是燃料电池的单位功率维护系数，pjd_fc代表燃料电池的额定功率。
7.根据权利要求4所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：所述的微网储能容量优化配置的目标函数中，缺电惩罚费用c3为：
c3＝εloss(lc_lps lli_lps lh_lps)(20)
式(20)中，c3表示缺电惩罚费用；εloss定义为负荷缺电惩罚系数，为每缺一千瓦的电所惩罚的费用，单位为元/千瓦；lli_lps表示锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量，lc_lps表示超级电容器所补偿的负荷缺电总量，lh_lps表示超级电容器和氢储能所补偿的负荷缺电总量。
8.根据权利要求7所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于，所述的缺电惩罚费用c3中，当锂电池储能单元补偿的时域功率pli(t)＞0时，表示锂电池储能单元放电，假设配置的锂电池储能单元的功率为pli0，则定义锂电池储能单元补偿的负荷缺电量pli_lps(t)为：
上述式(21)中，pli(t)表示锂电池储能单元补偿的时域功率，pli0表示配置的锂电池储能单元的功率，t代表t时刻；
则在整个寿命周期t内，锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量lli_lps为负荷缺电量pli_lps(t)关于时间的累加求和；
同理求得超级电容器在整个生命周期t内所补偿的负荷缺电总量lc_lps和氢储能单元在整个生命周期t内所补偿的负荷缺电总量lh_lps。
9.根据权利要求4所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：能量溢出惩罚费用c4为：
c4＝εwaste(lc_ex lli_ex lh_ex)(23)
式(23)中，c4表示能量溢出的惩罚费用，lli_ex表示锂电池储能单元所补偿的能量溢出总量，t表示整个寿命周期，lc_ex表示超级电容器补偿下的能量溢出总量，lh_ex表示氢储能单元补偿下的能量溢出总量，εwaste定义为能量溢出惩罚系数。
10.根据权利要求9所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：当锂电池储能单元补偿的时域功率pli(t)＜0时，表示锂电池储能单元充电，假设配置的锂电池储能单元的容量为pli0，则定义在锂电池储能单元补偿下的能量溢出量pli_ex(t)为：
则在整个寿命周期内，锂电池储能单元所补偿的负荷能量溢出总量为能量溢出量关于时间的累加；
同理求得超级电容器在整个生命周期t内补偿下的能量溢出总量lc_ex和氢储能单元在整个生命周期t内补偿下的能量溢出总量lh_ex。
11.根据权利要求5或8或10所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：任意t时刻的各储能单元的电量存在如下约束：
eb(t)表示t时刻锂电池储能单元的剩余电量，ebmin表示锂电池储能单元的最小剩余电量、ebmax表示锂电池储能单元的最大剩余电量，ec(t)表示t时刻超级电容器的剩余电量，ecmin表示超级电容器的最小剩余电量、ecmax表示超级电容器的最大剩余电量；
储气罐的约束条件为：
式中，vshp表示氢气罐的体积，vsop表示氧气罐的体积，vmin表示储气罐的最小容量，vmax表示储气罐的最大容量；
负荷缺电率和能量溢出率的约束条件为：
式中，δlpsp表示负荷缺电率，δexc表示能量溢出率，δlpsp_max表示负荷缺电率上限，δexc_max表示能量溢出率上限；
所述的负荷缺电率δlpsp定义为：
式(22)中，lli_lps表示锂电池储能单元所补偿的负荷缺电总量，t表示整个寿命周期，lc_lps表示超级电容器储能单元的负荷缺电总量，lh_lps表示超级电容器储能单元和氢储能单元所补偿的负荷缺电总量，pload(t)表示负荷消耗功率，δlpsp表示负荷缺电率，是衡量供电可靠性的指标，t代表t时刻；
所述的能量溢出率δexc定义为：
上述式中，pli_ex(t)表示锂电池储能单元补偿下的能量溢出量，lli_ex表示锂电池储能单元所补偿的能量溢出总量，t表示整个寿命周期，lc_ex、lh_ex分别表示超级电容器储能单元补偿下和氢储能单元补偿下的能量溢出总量，pli0、pc0、ph0分别表示配置的锂电池储能单元、超级电容器储能单元和氢储能单元的功率，δexc为能量溢出率。
12.根据权利要求1所述的预装式储能电站容量配置方法，其特征在于：利用粒子群算法对建立的微网储能容量优化配置目标函数求解，得到最优的容量配置方案的方法具体如下：
(1)初始化粒子群，包括种群规模n，每个粒子的位置xi和速度vi；
对粒子群的初始化为对决策变量进行初始化，所述的决策变量为锂电池储能单元容量、超级电容器储能单元容量和氢储能单元的容量，每个粒子由决策变量构成；
(2)计算每个粒子的适应度值fit[i]；
(3)对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和个体极值pbest(i)比较，如果fit[i]＜pbest(i)，则用fit[i]替换掉pbest(i)；
(4)对每个粒子，用它的适应度值fit[i]和全局极值gbest比较，如果fit[i]＜gbest，则用fit[i]代替gbest；
(5)更新粒子的速度vi和xi；
(6)通过迭代，如果相邻两次迭代的适应度值的误差在设定的误差范围内，便认为在这个误差范围内已经找到了最优解，即最小的微网系统年综合成本minc，便认为满足结束条件，退出运算；或者达到最大循环次数，亦退出运算，否则返回步骤(2)。
技术总结