CN102208818B - 基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，包括步骤A读取数据并对数据进行存储和管理；B基于风力发电总功率、光伏发电总功率及小波滤波方法确定电池储能电站初始总功率需求；C计算出电池储能子单元初始目标功率值；D实时计算各电池储能子单元初始功率命令修正值；E计算各电池储能子单元功率命令值和风光发电总功率平滑目标值；F数据输出。本发明通过工控机和通信平台完成基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，可实现对兆瓦级电池储能电站实时有效控制，在线实时监控各电池储能子单元SOC、在线自适应修正小波滤波平滑尺度，并实现平滑风光发电出力的控制目的。

Description

基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法

技术领域

本发明属于智能电网以及能量存储与转换技术领域，具体涉及一种基于小波滤波方法的风光发电出力平滑控制方法，其适用于大规模风光储联合发电系统中风光发电出力平滑及兆瓦级储能电站的电池功率及电池能量管理方法。

背景技术

由于风能和光伏发电等的不确定性和不稳定性等特点，风光发电产生功率的瞬时上升或跌落将造成输出功率不平稳，使得风电和光伏发电并网功率随之不断波动。而且，随着风能和光伏发电在电网中所占比例不断增加，风电及太阳能发电输出功率的平滑控制越来越受到关注。

随着电池及其集成技术的不断发展，应用电池储能电站去平滑风电及太阳能发电输出逐渐成为了一种可行方案。通过合理控制连接在储能设备上的变流器，高效实现储能系统的充放电，能在很大程度上解决由于风电及光伏发电随机性、间歇性及波动性等带来的风光发电输出功率不稳定问题，以满足风力及太阳能发电的平滑输出要求，并有效解决由于风电及光伏发电波动给电网频率波动带来的电能质量等问题。风光储联合发电系统本质上是一种多能源系统，如何协调各个电源系统的工作，是多能源混合发电系统研发上一个关键问题。从电池的角度来说，过度的充电和过度的放电都会对电池的寿命造成影响。因此，监控好电池荷电状态(State of Charge：SOC)，并将电池的荷电状态控制在一定范围内是必要的。而且，在风光储联合发电系统中，如果没有合理有效的控制策略去监控储能电池的剩余电量，则会增加不必要的电池容量和使用成本。

电池储能电站可根据风电及光伏发电出力的平滑要求和储能电池剩余容量SOC，对风光发电功率进行波动平滑。因此，有必要开展风光储联合发电系统的研究并提出相关控制方法。目前有关基于兆瓦级大功率大容量电池储能电站的风光发电出力平滑控制方面的专利、文献、技术报告等非常少，需要深入研究和探索。小波滤波方法已成功应用于多个领域，取得了不少理论及应用成果，但是，目前在新能源出力平滑应用上的研究成果和技术创新甚微。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种易于实现和掌握的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，可以同时满足大规模风光储联合发电系统的风光出力平滑控制需求及兆瓦级电池储能电站存储能量的实时监管要求。

本发明的控制法方是通过下述技术方案实现的：

基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其改进之处在于，包括下述步骤：

A、通过通讯模块读取风力发电场、光伏发电场及电池储能电站运行时的实时数据，并通过数据存储与管理模块对数据进行存储和管理；

B、基于小波滤波平滑控制器模块计算出储能站初始总功率需求；

C、基于功率分配控制器模块计算出电池储能电站中各电池储能子单元初始目标功率值

L为锂离子电池储能子单元个数)；

D、基于自适应调节器模块实时计算各电池储能子单元初始功率命令修正值ΔP_储能1、ΔP_储能2----ΔP_储能L；

E、基于目标功率值综合计算器模块，结合风光发电总功率值、步骤C计算出的各电池储能子单元初始目标功率值以及步骤D计算出的各电池储能子单元初始功率命令修正值，确定各电池储能子单元功率命令值以及风光发电总功率平滑目标值；

F、将步骤E计算出的各电池储能子单元功率命令值以及风光发电总功率平滑目标值的数据输出。

所述步骤A中，基于通讯模块读取的数据主要包括：风力发电总功率值、光伏发电总功率值和电池储能电站的实际总功率值以及电池储能电站中各电池储能子单元的启停信号和SOC值等，再将这些数据发送至数据存储与管理模块进行存储和管理。

所述步骤B的具体步骤如下：

B1)基于数据存储与管理模块，对步骤A中读取的风力发电总功率值和光伏发电总功率值汇总成风光发电总功率值；

B2)根据步骤A读取的电池储能电站的实际总功率值，在小波滤波平滑控制器模块中自适应的更新小波分解尺度，防止电池储能电站的充放电功率值过大；

B3)基于步骤B2得出的小波分解尺度，对风光发电总功率值进行分解尺度可变的小波滤波，从而计算出风光发电小波平滑目标值和电池储能电站初始总功率需求。

综上所述，步骤B中，小波滤波平滑控制器模块采用内置的小波滤波器来平滑风光发电总功率值，而且，小波滤波器的小波分解尺度是通过实时监测电池储能电站的实际总功率值，自适应修正和及时更新的。

所述步骤C中，首先根据步骤A读取的各电池储能子单元启停信号、各锂离子电池储能子单元电池SOC信号以及步骤B中计算出的电池储能电站初始总功率需求，基于功率分配控制器模块计算出各电池储能子单元初始功率命令值。

所述步骤D中，首先根据步骤A读取的各电池储能子单元启停信号以及各电池储能子单元电池SOC信号，基于自适应调节器模块计算各电池储能子单元初始功率命令修正值ΔP_{储能 1}、ΔP_储能2----ΔP_储能L。

所述步骤E中，首先将步骤C中计算出的各电池储能子单元初始功率命令值及步骤D中计算出的各电池储能子单元初始功率命令修正值进行汇总，计算出各电池储能子单元功率命令值。其次，基于各电池储能子单元功率命令值的总和与风光发电总功率值，计算出风光发电总功率平滑目标值。最后，将各电池储能子单元功率命令值和风光发电总功率平滑目标值反馈给数据存储与管理模块。

所述步骤F中，数据存储与管理模块将步骤E中计算出的风光发电总功率平滑目标值和各电池储能子单元功率命令值发送给通讯模块，再由通讯模块输出至外部监控平台，以执行对电池储能电站的功率控制，同时实现对风光发电出力的平滑功能。

结合各电池储能子单元启停信号和各电池储能子单元电池SOC信号，所述自适应调节器模块及时确定当前各电池储能子单元初始功率命令修正值，并对各电池储能子单元功率命令值以及风光发电总功率平滑目标值进行在线修正。

当判断出储能电站中储能电池处于过充电或过放电状态时，自适应控制器模块将基于下式实时修正所述各电池储能子单元功率命令值：ΔP_储能子i＝A_iu_iγ_i。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，该方法主要是基于小波滤波平滑控制器、功率分配控制器及自适应调节器对各电池储能子单元功率命令值和风光发电总功率平滑目标值进行在线监控和修正；本发明提供的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法具有在线平滑风光发电总功率，在线实时监控各电池储能子单元SOC、在线自适应修正小波滤波平滑尺度等功能，从而实现了平滑风光发电总功率的同时，也实现了与风光发电联合并网用兆瓦级电池储能电站的便捷管理和有效控制。

附图说明

图1是本发明风光储联合发电系统示意图；

图2是本发明风光发电出力平滑控制方法的实施框图；

图3是本发明功率命令值修正系数A_i和储能子单元SOC_i间对应关系的一个示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。本例中以锂离子电池储能电站为例进行说明。

如图1所示，风光储联合发电系统包括风力发电场、光伏发电厂、电池储能电站和电网；风力发电场、光伏发电场及电池储能电站分别通过变压器与电网连接。风力发电场和光伏发电场的内部连接示意图在此省略；电池储能电站中的各锂离子电池储能子单元与双向变流器连接。

图2是基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法的实施框图。如图2所示，本发明是通过设置在工控机中的通讯模块10、数据存储与管理模块20、小波滤波平滑控制器模块30、功率分配控制器模块40、自适应调节器模块50及目标功率值综合计算器模块60实现的。通讯模块10负责接收风电、光伏发电及电池储能电站相关运行数据，以及向监控平台发送风光发电总功率平滑目标值和各锂离子电池储能子单元功率命令值，监控平台设置在通讯模块左侧，与通讯模块连接，实现监测和控制通讯模块的作用。

数据存储与管理模块20用于存储和管理风力发电场相关数据、光伏发电场相关数据及电池储能电站运行时的实时数据和历史数据；而且负责将计算出的风光发电总功率平滑目标值和各锂离子电池储能子单元功率命令值按事先设定的协议赋值给相关接口变量，供电池储能电站监控平台调用。

小波滤波平滑控制器模块30内包含小波滤波器。所述小波滤波平滑控制器基于实时的风光发电总功率值以及小波分解尺度，实时确定风光发电初始平滑目标值。

功率分配控制器模块40用于实时计算锂离子电池储能子单元初始目标功率值。

自适应调节器模块50用于实时计算各锂离子电池储能子单元初始功率命令修正值。

目标功率值综合计算器模块60用于实时计算各锂离子电池储能子单元功率命令值以及风光发电总功率平滑目标值。

本发明提供的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，该方法包括下述步骤：

步骤A：通过通讯模块10读取数据是读取风力发电场、光伏发电场及电池储能电站系统运行的实时数据，主要包括：风力发电总功率值、光伏发电总功率值和电池储能电站的实际总功率值以及电池储能电站中各电池储能子单元的启停信号和SOC值等等，然后将数据传至数据存储与管理模块20进行存储和管理。

步骤B：包括B1)基于数据存储与管理模块，对步骤A中读取的风力发电总功率值和光伏发电总功率值汇总成风光发电总功率值；

B2)根据步骤A读取的电池储能电站的实际总功率值，在小波滤波平滑控制器模块中自适应的更新小波分解尺度，防止电池储能电站的充放电功率值过大；

B3)基于步骤B2得出的小波分解尺度，对风光发电总功率值进行分解尺度可变的小波滤波，从而计算出风光发电初始平滑目标值和电池储能电站初始总功率需求。

步骤C：首先根据各锂离子电池储能子单元启停信号、各锂离子电池储能子单元电池SOC信号以及步骤B中计算出的电池储能电站初始总功率需求，基于功率分配控制器模块40计算出各锂离子电池储能子单元初始功率命令值。

步骤D：首先根据各锂离子电池储能子单元启停信号和各锂离子电池储能子单元电池SOC信号，通过自适应调节器模块50计算各锂离子电池储能子单元初始功率命令修正值ΔP_锂1、ΔP_锂2----ΔP_锂L。

步骤E：通过目标功率值综合计算器模块60，首先将步骤C中计算出的各电池储能子单元初始功率命令值及步骤D中计算出的各电池储能子单元初始功率命令修正值进行汇总，计算出各电池储能子单元功率命令值；然后，根据各电池储能子单元功率命令值的总和与风光发电总功率值，计算出风光发电总功率平滑目标值。最后，将各电池储能子单元功率命令值和风光发电总功率平滑目标值反馈给数据存储与管理模块20。

步骤F：数据存储与管理模块将步骤E计算出的各锂离子电池储能子单元功率命令值和风光发电总功率平滑目标值发送给通讯模块，再由通讯模块输出至监控平台，以执行对储能电池的功率控制，实现对风电出力的平滑功能。

在步骤B中，所述电池储能电站初始总功率需求，如下式所示计算：

且满足：

P_风光总＝P_风电总+P_光伏总    (2)

式(1)-(4)中，P_风光总为风光发电总功率值；P_风电总为风力发电总功率值；P_光伏总为光伏发电总功率值；

为风光发电小波平滑目标值；P_最大放电为锂离子电池储能电站的最大允许放电功率限值；P_最大充电为锂离子电池储能电站的最大允许充电功率限值；P_锂总实际为锂离子电池储能电站的实际总功率值；K_尺度、K₁、K₂均为小波频率常数，且满足K₁＜K_尺度、K₂＜K_尺度；η为考虑测量精度和滤波效果等的比例系数，例如，可取95％。

需注意的是，P_最大放电和P_最大充电是根据锂离子电池储能电站中各储能子单元的状态实时变化的，且通过通讯模块进行实时读取，而不是定值。简单举几个示例如下：(1)当某一储能子单元的最低单体电压值较低或最高单体电压值较高，导致单体电池电压间的极差很大，整个储能子单元的电池均衡很不好时，P_最大放电和P_最大充电将变小，以防止对储能电池的过充电或过放电。(2)当周围环境温度很低，导致储能子单元的电池单体温度很低，影响到电池本体的电化学反应时，P_最大放电和P_最大充电也将变小或被置0，以防止对储能电池的滥用，加速电池的劣化。(3)随着储能子单元的电池劣化程度加深，P_最大放电和P_最大充电也将相应变小，以减少储能电池的充放电深度，防止对储能电池过度使用，使电池劣化程度加速。

在步骤B中，小波变换平滑控制器模块30内包含小波滤波器。风光发电总功率P_风光总先通过内置的小波滤波器进行分解，具体分解方法如下：根据当前的小波分解尺度K_尺度，进行K_尺度层小波分解，分别得到各层低频和高频两种系数；然后利用分解得到的低频、高频系数进行重构，最后分别得到P_风光总的低频分量及高频分量。如果K_尺度值变小，小波分解层数将变少，从而储能电池的充放电深度也将变小。因此，可根据锂离子电池储能电站的实际总功率值P_锂总实际，例如以上述公式(4)的方式自适应更新K_尺度，以适时地减少P_锂总实际。

为了达到最优的滤波目的，在小波滤波时，可以根据具体情况选择上述基于一般小波的分解方法或小波包的分解方法。

所述P_风光总的低频分量对应风光发电初始平滑目标值

在步骤C中，所述各储能子单元初始功率命令值的计算方法如下所示：

(1)当

为正值时，表示该电池储能系统将处于放电状态，则基于各锂离子电池储能子单元的荷电状态SOC_i(State of Charge，SOC)，如下式(5)所示，计算各锂离子电池储能子单元初始功率命令值：

(2)当为负值时，表示该电池储能系统将处于充电状态，则基于各锂离子电池储能子单元的放电状态SOD_i(State of Discharge，SOD)，如下式(6)所示，计算各锂离子电池储能子单元初始功率命令值：

SOD_i＝1-SOC_i    (7)

上式(5)-(7)中，u_i为i号锂离子电池储能子单元的启停状态(该状态通过步骤A中的通讯模块读取，当运行时启停状态值为1，其他值为0)；SOC_i为i号锂离子电池储能子单元的荷电状态；SOD_i为i号锂离子电池储能子单元的放电状态；L为锂离子电池储能子单元个数；

为滤波后的电池储能电站初始总功率需求。另外，在实际实施本发明时，可在式(5)和(6)的分母部分，再加上一个极小的数，例如0.00000001，以防止所有锂离子电池储能子单元的启停状态值均为0时，分母值为0。

在步骤D中，自适应调节器50将基于下式(8)-(11)，实时修正锂离子电池储能子单元i的功率命令值：

ΔP_锂i＝A_iu_iγ_i    (8)

A_i＝f_查表(SOC_i)    (9)

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{ref}}-{\mathrm{SOC}}_i}{({\mathrm{SOC}}_i^{\max }-{\mathrm{SOC}}_i^{\min })/2}---\left(10\right)$

${\mathrm{SOC}}_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}0.3& \mathrm{if}{\mathrm{SOC}}_i<0.2\\ 0.7& \mathrm{if}{\mathrm{SOC}}_i>0.8\\ {\mathrm{SOC}}_i& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(11\right)$

式(8)-(11)中，

A_i 根据查表法得出的基于i号锂离子电池储能子单元荷电状态的i号锂离子电池储能子单元功率命令值修正系数；

u_i i号锂离子电池储能子单元的启停状态(该状态通过步骤A读取，当运行时启停状态值为1，其他值为0)；

γ_i  基于荷电状态SOC_i的修正系数；

i号锂离子电池储能子单元SOC上限设定值；

i号锂离子电池储能子单元SOC下限设定值；

即先基于小波滤波平滑控制器30平滑风光发电总功率的同时，通过自适应调节器实时监控各锂离子电池储能子单元荷电状态。当SOC_i超出我们所设定的范围时，本专利中提出的自适应调解器将基于式(8)实时调节ΔP_锂i。通过这种方式来在线修正i号锂离子电池储能子单元功率命令值，使电池储能电站中的各锂离子电池储能子单元工作在我们所期待的荷电状态范围之内。本专利的查表法中用到的功率命令值修正系数A_i和储能子单元SOC_i间对应关系的一个示例图，例如可如图3所示。即，当SOC_i在一定的期望范围之内，例如(0.4～0.7)范围之内时，A_i为0(即，不对i号锂离子电池储能子单元功率命令值进行在线修正)。当SOC_i较小(例如小于0.4)或较大(例如大于0.7)时，通过查图3所示的对应关系表，适时地加大A_i，以加快i号锂离子电池储能子单元功率命令值的在线修正力度。

在步骤E中，目标功率值综合计算器模块60基于下式(12)-(14)实时计算各锂离子电池储能子单元功率命令值P_锂i以及风光发电总功率平滑目标值

式(12)-(14)中，P_锂总为电池储能电站总功率需求；P_风光总为风光发电总功率值；L为锂离子电池储能子单元的个数。

采用上述技术方案，本发明具有在线平滑风光发电出力，在线实时监控SOC值等功能，从而实现平滑风光发电出力的同时，便捷、有效的监控储能电池。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (6)

1.基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、通过通讯模块读取风力发电场、光伏发电场及电池储能电站运行时的实时数据，并通过数据存储与管理模块对数据进行存储和管理；

B、基于小波滤波平滑控制器模块计算出电池储能电站初始总功率需求；所述步骤B的具体步骤如下：

B1）基于数据存储与管理模块，对步骤A中读取的风力发电总功率值和光伏发电总功率值汇总成风光发电总功率值；

B2）根据步骤A读取的电池储能电站的实际总功率值，在小波滤波平滑控制器模块中自适应的更新小波分解尺度，防止电池储能电站的充放电功率值过大；

B3）基于步骤B2得出的小波分解尺度，对风光发电总功率值进行小波滤波，从而计算出风光发电小波平滑目标值和电池储能电站初始总功率需求；

C、基于功率分配控制器模块计算出电池储能电站中各电池储能子单元初始功率命令值；

D、基于自适应调节器模块实时计算各电池储能子单元初始功率命令修正值；

E、基于目标功率值综合计算器模块，结合步骤C计算出的各电池储能子单元初始功率命令值、步骤D计算出的各电池储能子单元初始功率命令修正值以及步骤B1汇总成的风光发电总功率值，确定各电池储能子单元功率命令值以及风光发电总功率平滑目标值；

F、将步骤E计算出的各电池储能子单元功率命令值以及风光发电总功率平滑目标值的数据输出。

2.如权利要求1所述的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其特征在于：步骤B中，所述电池储能电站初始总功率需求

通过下式求取：

且满足：

P_风光总=P_风电总+P_光伏总              (2)

式（1）-（4）中，P_风光总为风光发电总功率值；P_风电总为风力发电总功率值；P_光伏总为光伏发电总功率值；

为风光发电小波平滑目标值；P_最大放电为电池储能电站的最大允许放电功率限值；P_最大充电为电池储能电站的最大允许充电功率限值；P_储能实际为电池储能电站的实际总功率值；K_尺度、K₁、K₂均为小波分解尺度，且满足K₁<K_尺度、K₂<K_尺度；η为考虑测量精度和滤波效果的比例系数。

3.如权利要求1所述的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其特征在于：步骤C中，所述各电池储能子单元初始功率命令值的计算方法如下：

（1）当电池储能电站初始总功率需求

为正值时，表示该电池储能电站将处于放电状态，则基于各电池储能子单元的荷电状态SOC_i，通过下式(5)计算各电池储能子单元初始功率命令值

（2）当

为负值时，表示该电池储能电站将处于充电状态，则基于各电池储能子单元的放电状态SOD_i，通过下式(6)计算各电池储能子单元初始功率命令值

SOD_i=1-SOC_i             (7)

式（5）-（7）中，u_i为i号电池储能子单元的启停状态，该状态通过步骤A读取，当运行时启停状态值为1，其他值为0；SOC_i为i号电池储能子单元的荷电状态；SOD_i为i号电池储能子单元的放电状态；L为电池储能子单元个数。

4.如权利要求1所述的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其特征在于：步骤D中，所述自适应调节器模块通过下式实时修正各电池储能子单元的初始功率命令值，即实时计算各电池储能子单元初始功率命令修正值△P_储能i：

△P_储能i=A_iu_iγ_i             (8)

${\mathrm{\&gamma;}}_i=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{ref}}-{\mathrm{SOC}}_i}{({\mathrm{SOC}}_i^{\max }-{\mathrm{SOC}}_i^{\min })/2}---\left(10\right)$

${\mathrm{SOC}}_{\mathrm{ref}}=\left\{\begin{array}{cc}0.3& \mathrm{if}{\mathrm{SOC}}_i<0.2\\ 0.7& \mathrm{if}{\mathrm{SOC}}_i>0.8\\ {\mathrm{SOC}}_i& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(11\right)$

式（8）-（11）中，A_i为根据查表法得出的基于i号电池储能子单元荷电状态的i号电池储能子单元功率命令值修正系数；u_i为i号电池储能子单元的启停状态，该状态通过步骤A读取，当运行时启停状态值为1，其他值为0；γ_i为基于荷电状态SOC_i的修正系数；

为i号电池储能子单元SOC上限设定值；

为i号电池储能子单元SOC下限设定值。

5.如权利要求4所述的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其特征在于：通过小波滤波平滑控制器模块平滑风光发电总功率的同时,所述步骤D中,也通过自适应调节器模块实时监控各电池储能子单元荷电状态，当各电池储能子单元的荷电状态SOC_i超出所设定范围时，自适应调解器模块将根据公式△P_储能i=A_iu_iγ_i，来实时调节各电池储能子单元的初始功率命令修正值△P_储能i。

6.如权利要求1所述的基于小波滤波的兆瓦级风光储发电系统出力平滑控制方法，其特征在于：步骤E中，所述目标功率值综合计算器模块通过下式实时计算各电池储能子单元功率命令值P_储能i以及风光发电总功率平滑目标值

式（12）-（14）中，P_储能总为电池储能电站总功率需求；L为储能子单元的个数。

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