CN101917014B - 一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法，属于风力发电控制的技术领域。本发明的控制方法当蓄电池容量满足运行要求时，有功功率大于电网允许上限值时，蓄电池充电；有功功率小于电网允许下限值时，蓄电池放电；否则蓄电池退出运行。本发明通过系统输出的有功功率和蓄电池的荷电状态检测，估计电池剩余容量，对蓄电池的运行方式进行控制，达到平滑风场输出功率波动的目的；采用由全控型功率开关器件IGBT组成的三相桥式电路的PWM控制技术，减少变流器的无功损耗。

Description

一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法

技术领域：

本发明涉及一种通过对蓄电池的充放电控制来实现减小风电场功率波动幅度，平滑风电场功率波动的控制方法，属于风力发电控制的技术领域。

背景技术：

风力发电及其他可再生能源发电受季节、气候影响，所发出的功率波动幅度往往很大，对并网电力系统会造成电能质量、调频及稳定方面的一系列的问题。出于电网安全运行与控制的要求和需要，风电场应具有平滑的功率输出。储能装置是人们首先可以想到的平滑风电场功率输出波动的理想设备。随着电池储能技术的发展以及蓄电池的不受地域限制的特点，它在电力系统中有着广泛的应用前景。

蓄电池控制技术是实现其作用效果的关键。目前，蓄电池大多采用晶闸管移相控制技术。该技术通过对晶闸管的相控整流来实现蓄电池的充电控制，当蓄电池放电时，通过电子开关将蓄电池反接，同时通过移相使晶闸管电路工作在有源逆变状态，实现蓄电池放电，将电能回馈到电网。采用该技术对蓄电池充放电时，交流侧的电流畸变严重，因而向电网注入了大量的谐波和产生较大的无功损耗，对电网造成了严重的“污染”。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是针对上述背景技术的缺陷，提供一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法，平滑风场输出功率的波动，同时减少变流器的无功损耗。

技术方案：

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、通过数据采集装置采集得到风电场输出的有功功率P和蓄电池的荷电状态soc，其中蓄电池的荷电状态soc＝Q_t/Q_b，Q_t为蓄电池的剩余容量，Q_b为标称容量；

步骤B、对采集到的数据进行分析：

(1)，当P_min≤P≤P_max时，蓄电池退出运行；当P＜P_min或P＞P_max时，进入下一步；其中，P_max为电网允许风电场输出功率波动的上限值，P_min为电网允许风电场输出功率波动的下限值；

(2)，当soc_min≤soc≤1时，蓄电池投入运行；当soc＞1或者soc＜soc_min时，蓄电池退出运行；其中soc_min为蓄电池最小荷电状态值；

(3)、在蓄电池投入运行的情况下，当风电场输出的有功功率P＜P_min时，蓄电池发出的功率为P_min-P；当P＞P_max时，蓄电池吸收的功率为P-P_max；在蓄电池退出运行的情况下，断路器断开，并且变流器各触发脉冲置零；

步骤C、蓄电池投入运行时，变流器采用直接电流控制，将交流侧的三相电压、电流分别通过坐标变换器转换为d、q分量，即U_d和U_q、I_d和I_q；其中U_d为d轴电压，U_q为q轴电压，I_d为有功电流，蓄电池有功功率P_I＝1.5U_dI_d；I_q为无功电流，蓄电池无功功率Q_I＝-1.5U_dI_q；

步骤D、当蓄电池充电时，以I_dref＝(P-P_max)/1.5U_d作为有功电流I_d的参考值，其中I_dref为正值；当蓄电池放电时，I_dref＝(P-P_min)/1.5U_d作为有功电流I_d的参考值，其中I_dref为负值；I_qref＝0作为无功电流I_q的参考值，前述I_dref和I_qref分别为I_d、I_q的参考值；

步骤E、对有功电流I_d、无功电流I_q进行跟踪控制并得到PWM开关信号，然后利用PWM开关信号控制六个IGBT的开关状态。

进一步的，前述平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法的步骤B中，当同时满足soc_min≤soc≤1、P＞P_max时，蓄电池充电；当同时满足soc_min≤soc≤1、P＜P_min时，蓄电池放电。

进一步的，前述平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法的步骤E中，对有功电流I_d、无功电流I_q采用负反馈闭环控制方法进行跟踪控制，其中I_dref和I_qref分别作为I_d、I_q负反馈环的给定值，I_d和I_q作为负反馈环的反馈量，将负反馈环的反馈量取反通过加法器与所述负反馈环的给定值相连接，所述加法器的输出端分别与d轴PI控制器、q轴PI控制器相连接，d轴PI控制器的输出端加上耦合电压ωLi_q和电网电压U_sd得到d轴控制电压U_rd，q轴PI控制器的输出端加上耦合电压-ωLi_d和电网电压U_sq得到q轴控制电压U_rq，其中U_rd、U_rq分别为最终需要得到的变流器输入电压，ω为电网电压角频率，L为变流器输出端的电感；

所述步骤E利用PWM开关信号控制六个IGBT的开关状态的方法为：将U_rd、U_rq经过坐标变换分别得到三相电压U_ra、U_rb、U_rc；采用U_ra、U_rb、U_rc分别与幅值为±1的三角波进行比较得到脉冲信号，即PWM开关信号，再利用PWM开关信号控制开关器件IGBT。

有益效果：

1、本发明通过系统输出的有功功率和蓄电池的荷电状态检测，估计电池剩余容量，提出对蓄电池的运行方式进行控制的指令，达到平滑风场输出功率波动的目的；

2，本发明采用由全控型功率开关器件IGBT组成的三相桥式电路的PWM控制技术，减少变流器的无功损耗。

附图说明：

图1为本发明的蓄电池充放电控制方法的整体流程图；

图2为本发明的蓄电池充放电控制系统的变流器的控制结构图；

图3为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统在未配置蓄电池时的风电场有功功率输出的仿真结果图；

图4为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统配置蓄电池时的风电场有功功率输出的仿真结果图。

图中标号：1、数据采集装置；2、数据分析器；3、控制模块；4、坐标变换；5、蓄电池；6、变流器；7、断路器；8、风电场；9、充放电状态选择器；10、除法器；11、加法器；12、PI控制器；13、PWM开关信号；14、电网。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图1所示，蓄电池充放电控制方法的整体流程图，控制系统包括数据采集装置、数据分析器、变流器的控制模块、蓄电池、变流器、断路器、风电场以及电网。通过数据采集装置1得到风电场8输出的有功功率P和soc，soc表示蓄电池5的荷电状态，soc＝Q_t/Q_b，Q_t为蓄电池的实际容量，Q_b为标称容量，I_dc为蓄电池输出的电流，即电池的充放电电流值，Q₀为蓄电池的初始电量；通过数据分析器2对采集到的数据进行分析，判定蓄电池的工作状态。当P_min≤P≤P_max时，蓄电池退出运行否则投入运行；并且，当soc_min≤soc≤1时，蓄电池投入运行否则退出运行。其中，P_max为允许风电场输出功率波动的上限值，P_min为允许风电场输出功率波动的下限值，soc_min为蓄电池最小荷电状态值。在蓄电池退出运行的情况下，断路器7断开，并且变流器6各触发脉冲置零。

图1中的变流器6采用直接电流控制，将交流侧的三相电压、电流通过坐标变换4转换为dq分量，即U_d和U_q，I_d和I_q。其中I_d为有功电流，与有功功率成正比并有P_I＝1.5U_dI_d；I_q为无功电流，与无功功率成正比并有Q_I＝-1.5U_dI_q；U_d为d轴电压，U_q为q轴电压。

如图2所示，蓄电池充放电控制系统的变流器的控制结构图，包括充放电状态选择模块、PI控制器以及PWM开关信号。该控制器主要作用是在蓄电池5投入运行时，控制蓄电池的充放电状态。控制模块3中的充放电选择器9工作：当P≤P_min时，蓄电池发出的功率为P_min-P；当P_max≤P时，蓄电池吸收的功率为P-P_max。蓄电池充电时，以I_dref＝(P-P_max)/1.5U_d作为I_d的参考值，其中I_dref为正值；蓄电池放电时，I_dref＝(P-P_min)/1.5U_d作为I_d的参考值，其中I_dref为负值；I_qref＝0作为I_q的参考值。采用负反馈闭环控制方法对I_d、I_q进行控制，其中I_dref和I_qref作为负反馈环的给定值，I_d和I_q作为负反馈环的反馈量，将反馈量取反通过加法器11与给定值相连接，加法器的输出端与PI控制器12相连接，d轴PI控制器的输出端加上耦合电压ωLi_q和电网电压U_sd得到控制电压U_rd，q轴PI控制器的输出端加上耦合电压-ωLi_d和电网电压U_sq得到控制电压U_rq，其中U_rd、U_rq为最终需要得到的变流器输入电压，ω为电网电压角频率，L为变流器输出端的电感。再将U_rd、U_rq经过坐标变换得到三相电压U_ra、U_rb、U_rc，U_ra、U_rb、U_rc与幅值为±1的三角波进行比较得到脉冲信号，即PWM开关信号13；利用PWM开关信号控制变流器的开关状态。

对照附图1和附图2，图3、图4在仿真软件PSCAD上搭建了该模型。

假设蓄电池soc初值为0.9，电网14允许风电场功率上限为1.2MW，下限为0.6MW，图中的虚线为允许功率上、下限，实线为风电场配置蓄电池后的有功功率输出。

如图3所示，为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统在未配置蓄电池时风电场有功功率输出的仿真结果图。对照附图1和附图2，在仿真软件PSCAD上搭建了仿真系统模型。在给定某风电场风速时间序列下，仿真得到如图所示的计算结果。计算结果表明风电场输出的有功功率波动很大。

如图4所示，为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统配置蓄电池时的风电场有功功率输出的仿真结果图。在上述仿真软件PSCAD建模基础上，其他条件不变，仅增加蓄电池及其控制模型，并假设蓄电池soc初值为0.9，电网14允许风电场功率上限为1.2MW，下限为0.6MW。仿真结果表明，使用该专利控制方法可以有效实现平滑风电场输出功率的目的，图中的虚线为允许功率上、下限，实线为风电场配置蓄电池后的风电场有功功率输出。

Claims (3)

1.一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A、通过数据采集装置采集得到风电场输出的有功功率P和蓄电池的荷电状态soc，其中蓄电池的荷电状态soc＝Q_t/Q_b，Q_t为蓄电池的剩余容量，Q_b为标称容量；

步骤B、对采集到的数据进行分析：

(1)，当P_min≤P≤P_max时，蓄电池退出运行；当P＜P_min或P＞P_max时，进入下一步；其中，P_max为电网允许风电场输出功率波动的上限值，P_min为电网允许风电场输出功率波动的下限值；

(2)，当soc_min≤soc≤1时，蓄电池投入运行；当soc＞1或者soc＜soc_min时，蓄电池退出运行；其中soc_min为蓄电池最小荷电状态值；

(3)、在蓄电池投入运行的情况下，当风电场输出的有功功率P＜P_min时，蓄电池发出的功率为P_min-P；当P＞P_max时，蓄电池吸收的功率为P-P_max；在蓄电池退出运行的情况下，断路器断开，并且变流器各触发脉冲置零；

步骤C、蓄电池投入运行时，变流器采用直接电流控制，将交流侧的三相电压、电流分别通过坐标变换器转换为d、q分量，即U_d和U_q、I_d和I_q；其中U_d为d轴电压，U_q为q轴电压，I_d为有功电流，蓄电池有功功率P_I＝1.5U_dI_d；I_q为无功电流，蓄电池无功功率Q_I＝-1.5U_dI_q；

步骤D、当蓄电池充电时，以I_dref＝(P-P_max)/1.5U_d作为有功电流I_d的参考值，其中I_dref为正值；当蓄电池放电时，I_dref＝(P-P_min)/1.5U_d作为有功电流I_d的参考值，其中I_dref为负值；I_qref＝0作为无功电流I_q的参考值，前述I_dref和I_qref分别为I_d、I_q的参考值；

步骤E、对有功电流I_d、无功电流I_q进行跟踪控制并得到PWM开关信号，然后利用PWM开关信号控制六个IGBT的开关状态。

2.根据权利要求1所述的平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法，其特征在于：当同时满足soc_min≤soc≤1、P＞P_max时，蓄电池充电；当同时满足soc_min≤soc≤1、P＜P_min时，蓄电池放电。

3.根据权利要求1所述的平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法，其特征在于：所述步骤E中，对有功电流I_d、无功电流I_q采用负反馈闭环控制方法进行跟踪控制，其中I_dref和I_qref分别作为I_d、I_q负反馈环的给定值，I_d和I_q作为负反馈环的反馈量，将负反馈环的反馈量取反通过加法器与所述负反馈环的给定值相连接，所述加法器的输出端分别与d轴PI控制器、q轴PI控制器相连接，d轴PI控制器的输出端加上耦合电压ωLi_q和电网电压U_sd得到d轴控制电压U_rd，q轴PI控制器的输出端加上耦合电压-ωLi_d和电网电压U_sq得到q轴控制电压U_rq，其中U_rd、U_rq分别为最终需要得到的变流器输入电压，ω为电网电压角频率，L为变流器输出端的电感；

所述步骤E利用PWM开关信号控制六个IGBT的开关状态的方法为：将U_rd、U_rq经过坐标变换分别得到三相电压U_ra、U_rb、U_rc；采用U_ra、U_rb、U_rc分别与幅值为±1的三角波进行比较得到脉冲信号，即PWM开关信号，再利用PWM开关信号控制开关器件IGBT。

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