摘 要

由于经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，因此对电力行业的发展也提出了新的要求，风电、光电等具有环保、清洁、可再生优点的能源大规模接入电网已经成为电力系统发展不可逆转的趋势，然而，由于可再生能源与传统能源相比又具有间歇性、波动性、不稳定性等缺点，使得其在电力系统中的应用受到了严重的制约，甚至可能严重影响电能质量，对电网稳定性产生一定的冲击。由于储能技术能够实现电能在时间和空间上的平移，被认为是平滑功率出力波动、提高电网接纳能力的有效手段。但是，当前的单类型储能系统不能同时兼顾能量和功率等两个方面的需求，而混合储能技术凭借着其优良的特性成为了电力行业研究的热点。

本文首先阐述了储能系统在当今电力系统中存在的必要性及意义，介绍了到目前为止，储能技术的种类以及储能技术在国内外的研究现状。其次，本文分别详细介绍了风力发电、光伏发电、重力储能的工作原理以及数学模型。最后，根据具体算例，通过Matlab软件计算得出了合理的储能容量优化配置方案，验证了本文所采取的模型和协调调度策略的正确性和经济型。本课题的创新的结合目前储能技术的两个研究方向，把新兴的重力储能和电化学储能（本文特指铅酸电池）结合在一起，通过协调调度策略对独立运行的系统进行了容量优化配置。为有效平抑风电和光电出力波动，降低风电光电并网的波动性和随机性，基于风光电场功率预测和实际之间的误差分布特性，建立以依托山体的重力储能为主，电化学储能为辅与风光电厂结合的优化配置模型，以其年综合成本最小构建优化目标函数，并通过遗传算法对其进行求解。

关键词：风力发电；光伏发电；重力储能；电化学储能；优化配置；遗传算法

Abstract

Due to the rapid development of the economy and the continuous improvement of people's living standards, new requirements have also been put forward for the development of the power industry. The large-scale integration of wind power, photovoltaics, and other environmentally friendly, clean, and renewable energy sources into the power grid has become the development of power systems. Irreversible trend, however, due to the shortcomings of renewable energy, such as intermittent, volatility, and instability, compared with traditional energy sources, its application in power systems is severely restricted, and may even seriously affect power quality , Have a certain impact on the stability of the power grid. Because energy storage technology can realize the translation of electrical energy in time and space, it is considered to be an effective means to smooth power output fluctuations and improve grid acceptance. However, the current single-type energy storage system cannot take into account both energy and power requirements at the same time, and hybrid energy storage technology has become a hot spot in the power industry due to its excellent characteristics.

This article first elaborates the necessity and significance of the existence of energy storage systems in today's power systems, and introduces the types of energy storage technologies and the current research status of energy storage technologies at home and abroad. Secondly, this article introduces the working principles and mathematical models of wind power generation, photovoltaic power generation, and gravity energy storage in detail. Finally, according to specific calculation examples, a reasonable optimization plan for energy storage capacity is obtained through Matlab software calculation, which verifies the correctness and economy of the model and coordinated scheduling strategy adopted in this paper. The innovation of this subject combines the two research directions of current energy storage technology, and combines the emerging gravity energy storage and electrochemical energy storage (this article refers specifically to lead-acid batteries), and conducts independent operation of the system through a coordinated scheduling strategy. Capacity optimization configuration. In order to effectively suppress the fluctuation of wind power and photovoltaic output and reduce the volatility and randomness of wind power photovoltaic grid connection, based on the error distribution characteristics between wind power field power prediction and actual, the gravity energy storage relying on the mountain body is mainly established, and the electrochemical energy storage is established. To supplement the optimal configuration model combined with the wind and power plant, the optimal objective function is constructed with the minimum annual comprehensive cost, and it is solved by genetic algorithm.

Key words: wind power generation; photovoltaic power generation; gravity energy storage; electrochemical energy storage; optimal configuration; genetic algorithm

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1本文研究的目的与意义 1

1.2新能源在电力系统中的利用与发展 1

1.2.2风力发电 1

1.2.2光伏发电 2

1.3储能技术国内外发展现状 2

1.3.1抽水蓄能 2

1.3.2压缩空气储能 2

1.3.3飞轮储能 3

1.3.4超导储能 3

1.3.5超级电容储能 4

1.3.6电化学储能 4

1.3.7相变储能 4

1.3.8重力储能 4

1.4混合储能的国内外研究现状 6

1.5本文研究内容及章节安排 7

第2章 风力发电 9

2.1 风速的数学模型 9

2.2 风力发电机的数学模型 10

2.3 发电与储能条件 11

2.4 本章小结 11

第3章 光伏发电 13

3.1 光照强度的数学模型 13

3.2 光伏组件的数学模型 13

3.3 本章小结 14

第4章 重力储能 15

4.1发电过程 15

4.1.1 发电过程的能量转换 15

4.1.2 重物下滑过程中运行特性 15

4.1.3 重物下滑过程功率和受力分析 16

4.2 储能过程 17

4.2.1 储能过程的能量转换 17

4.2.2 储能过程功率和受力分析 18

4.3 本章小结 19

第5章 算例分析 20

5.1算例介绍 20

5.2容量优化配置结果 21

5.3本章小结 21

第6章 结论与展望 22

6.1研究结论 22

6.2研究展望 22

致谢 23

参考文献 24

附录A 容量优化配置模型主函数 27

附录B风速和风电出力的模拟 28

附录C单次和连续充放电的最大值 30

附录D优化目标函数 32

附录E非线性约束函数 34

附录F充放电控制过程 36

第1章 绪论

1.1本文研究的目的与意义

传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大地促进了新能源的发展，其发电规模也快速攀升^[1]。近些年来，中国的能源发展以新能源为重，发展速度快，取得的成绩显著。进入21世纪后，我国立足于全球能源发展的大格局，做出了加快新能源发展的重要决策，自此，新能源的走上了高速度高质量发展的正轨。到目前为止，中国的风电、光电装机量已经居于世界首位。但在新能源技术与应用高速发展的同时，严重的“弃风弃光”现象日益凸显^[2]，由于其本身的随机波动性与间歇性等特点^[3]，其在电力系统中的应用仍然具有相当多的问题需要解决，如何解决这些问题成为新能源技术未来发展的主要着力点。

储能技术是可再生能源消纳、分布式电源并网电、现代电力行业发展必不可少的支撑性技术，储能技术可以平滑系统出力波动，削峰填谷、减少系统备用，提高现有发电和输配电设备的利用率和运行积极性；另一方面，储能技术能够通过能量转换将大规模风电、光电方便可靠地并入常规电网，克服现有新能源带来的间歇性、波动性问题^[4]。

1.2新能源在电力系统中的利用与发展

1.2.2风力发电

经过长时间的发展，风力发电已经具有高度的成熟性和经济性，因此许多国家都投入了广泛的关注。通过十年发展，风力发电在国内发展迅速，到目前为止国内风电机组的新装机容量处于世界首位，是全世界其他国家风电机组新装机容量之和^[9-10]。