CN102522776B - 储能系统提升风电跟踪计划出力能力的方法 - Google Patents

Abstract

一种储能系统提升风电跟踪计划出力能力的方法，其特征在于通过对电池储能系统充放电的有效控制，实现风储联合出力P_out在指定允许误差带宽内跟踪风电计划出力。将实时风电功率P_WG与当前计划目标出力功率即风电预测功率P_FC相比较，其差值若超出允许误差带宽，则控制电池储能系统吸收或释放该部分功率P_bess，从而缩减风电功率和预测功率的误差，实现风储联合出力对风电计划出力的跟踪。同时，本发明兼顾电池储能系统的SOC(State Of Charge，荷电状态)优化控制，通过划分荷电状态区域，合理调度电池储能充放电量，确保风储联合应用系统稳定运行的连续性和可靠性。

Description

储能系统提升风电跟踪计划出力能力的方法

技术领域

本发明涉及一种电池储能系统与风力发电联合并网应用技术，特别涉及一种提升风电跟踪计划出力能力的方法。

背景技术

从20世纪70年代发生世界性能源危机以来，能源问题和环境问题日益突出，风能作为一种清洁的可再生能源，风力发电越来越受到人们的重视，许多国家把发展风力发电作为改善能源结构、减少环境污染和保护生态环境的一种措施纳入到国家发展规划之中。随着我国能源结构的调整，无污染可再生的风电也日益得到政府的重视，并制订了相关政策支持风电的发展。2011年，由中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会联合发布的《风电场接入电力系统技术规定》(征求意见稿)中对有功功率的基本要求提及风电场应配置有功功率控制系统，具备有功功率调节能力并符合下列要求：

a)风电场有功功率具有在场内所有运行机组总额定出力的20％～实际运行点(最大为100％)的范围内连续平滑调节的能力，并利用在此变化区间内的调节能力参与系统有功功率控制；

b)接收并自动执行调度部门发送的有功功率及有功功率变化的控制指令，确保风电场有功功率及有功功率变化按照调度部门的给定值运行。

风电场输出功率预测技术是解决风电难以调度的重要手段之一。通过提前一定时间对风电场发电量进行预测，有助于为电网运行调度提供数据支持。目前，国内外均对风电场出力短期预测技术进行了大量研究，国外已成功开发出风电场出力短期预测系统，其研究集中于寻求新方法以提高预测精度，但其精度只能达到10％左右。鉴于目前预测技术仍存在较大误差，而因预测误差而导致电网调度偏差将严重影响电力系统稳定运行，因此预测技术尚未实现大规模普及。电池储能系统与风电的联合应用，将有助于缩减风电功率输出的预测误差，从而提高将风电预测输出作为电力系统调度参考的可靠性。

发明内容

本发明目的是克服风力发电难以调度的缺点，通过电池储能系统与风力发电联合应用，缩减风电功率输出的预测误差，从而提高将风电预测输出作为电力系统调度参考的可靠性。

当风电功率P_WG与预测功率P_FC即计划出力的相对误差超过标准要求时，风电机组不能满足计划出力的要求，造成供需不平衡，严重影响电网的稳定性。本发明应用电池储能系统调节风电场的并网功率，设计了风储联合出力跟踪发电计划出力的控制方法，并兼顾电池储能系统SOC(SOC：State Of Charge，电池荷电状态)水平，防止对电池储能系统的过度充电或深度放电情况，从而保障风储联合应用系统出力在给定包络线内跟踪发电计划目标出力。

本发明方法基于以下策略：

由风电场和电池储能系统共同组成的系统为风储联合应用系统。该系统的能量调度策略的核心在于如何确定电池储能装置的充放电过程，从而实现控制最优。首先，充分利用风能满足计划出力的需求，若出现能量溢出则给电池储能系统充电，进行能量储存；若风电无法单独满足计划出力的需求，且电池储能系统处于能量充足状态，则启动电池储能系统放电操作，由风储联合提供计划出力所需的能量。若计划出力超出了风储系统的调节范围，则尽可能地调节电池储能系统的出力接近计划出力，使其在允许的带宽范围内跟踪。允许的带宽范围是指跟踪出力与目标出力的相对误差所构成的相对误差带之内。电池储能系统接入风电场中实现了风储联合应用系统，使风电真正成为“可控、可调”的新型能源。

本发明的技术方案具体为：首先考虑电池储能系统的启动条件，该启动条件由风电功率和预测功率的相对误差γ确定，即γ＝|(P_WG-P_FC)/P_FC|，根据2011年国家能源局发布的国能新能[2011]177号国家能源局文件中关于《风电场功率预测预报管理暂行办法》中规定，预测功率实时相对误差不高于15％，故相对误差的参考值应小于或等于15％。其次考虑电池储能系统出力的最高限值maxP_bess，该最高限值由电池储能系统的额定功率确定；最后，尽量将电池储能系统荷电状态SOC处于在合理范围内，当荷电状态SOC水平较低时，遇充电请求则提高池储能系统的充电功率，遇放电请求则降低池储能系统的放电功率；SOC水平较高时，遇充电则降低池储能系统的充电功率，遇放电则提高池储能系统的放电功率。上述公式中，P_WG为风电实时功率，P_FC风电预测功率。

本发明方法步骤如下：

风电实时功率P_WG由数据采集与监视控制系统(SCADA系统)采集，风电预测功率P_FC由相关调度部门获取，将风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC作为数据采集与监视控制系统的DSP的输入。

步骤一：获取风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC，以风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC分别作为当前的功率出力值和计划出力值；

步骤二：求出风电实时功率P_WG对于风电预测功率P_FC的相对误差γ，γ＝|(P_WG-P_FC)/P_FC|；

步骤三：将相对误差γ与给定的相对误差参考值re比较。当γ＞re时，启动电池储能系统，使相对误差限值在相对误差参考值re的范围之内；若γ≤re时，不启动电池储能系统，电池储能系统处于热备用状态；

步骤四：求出风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的差值ΔP，ΔP＝P_WG-P_FC；

步骤五：若ΔP超出了给定的电池储能出力最大参考值maxP_bess，则ΔP为该电池储能出力最大参考值maxP_bess。

步骤六：读取电池储能系统的荷电状态SOC；

步骤七：把电池储能系统的荷电状态SOC分为三个区域：上调区、自由区和下调区，根据电池储能系统荷电状态所处区域的荷电状态数值，对所述的风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的差值ΔP加以修正，得到电池储能功率P_bess。通过这种SOC的优化控制方式，可以合理的利用电池储能资源且保证电池储能安全运行；

步骤八：判断电池储能功率P_bess的符号，P_bess＞0表示充电，置位符flag＝-1；P_bess＜0表示放电，置位符flag＝1，flag为对储能的充放电指令；

所述的步骤二至步骤八均由数据采集与监视控制系统的DSP处理、计算得出，并将计算得出的电池储能功率和充电指令发送给电池储能系统，电池储能系统发出功率与所述的风电实时功率矢量叠加，所得数值即为风储联合应用系统的功率。本发明通过上述控制方法输出电池储能的功率和充放电指令，实现风储联合出力跟踪发电计划出力，从而提升风电跟踪计划出力能力。

本发明以风电预测输出为控制目标，通过合理调控电池储能系统的功率流向，弥补风电功率预测精度不足、可靠性低等缺点，实现风储联合出力跟踪计划出力的目的，且可实现多时间尺度调度以满足负荷或发电计划的要求。

附图说明

图1风储系统跟踪计划出力控制结构图；

图2电池储能系统SOC区域划分示意图；

图3风储系统跟踪风电计划出力控制流程。

具体实施方式

以下结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是风储联合应用系统跟踪计划出力的控制结构图。

如图1所示，风电实时功率P_WG由数据采集与监视控制系统(SCADA系统)采集，风电预测功率P_FC由相关调度部门获取，将风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC作为数据采集与监视控制系统的DSP的输入，计算风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC两者的相对误差γ，根据设定的相对误差参考值re判断电池储能系统是否投入使用，若电池储能系统投入使用，计算风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC的差值ΔP，并根据电池储能系统的SOC区域控制的该差值修正，得出电池储能功率P_bess，最终将此电池储能功率与风电实时功率合成，实现风储联合出力。

图2是电池储能系统的SOC区域划分示意图。

如图2所示，电池储能系统的SOC范围为0％到100％，soc_min为设定SOC的下限值，soc_max为设定的SOC上限值，a、b为设定的两个SOC区域分界点。soc_min到a之间为下调区，a到b之间为自由区，b到soc_max为上调区。

图3是风储联合应用系统跟踪风电计划出力控制流程图。

如图3所示，设第k个执行周期内，k表示DSP数据处理的执行周期数，风电实时功率为P_WG(k)由数据采集与监视控制系统(SCADA系统)获取，目标风电功率为P_FC(k)由相关调度部门获取，P_WG(k)和P_FC(k)分别作为DSP的两个输入，以下计算过程全部由DSP执行，DSP的输出为电池储能的功率P_bess(k)，将P_bess(k)作为电池储能系统的功率指令，再将电池储能系统与风电功率叠加即得风储联合功率。

相关变量说明：soc(k)为电池储能系统的SOC值。soc_min、soc_max分别为电池储能系统的上限和电池储能系统的下限。re为设定的风电实时功率与风电预测功率的相对误差参考值；a、b为电池荷电状态区域的分界点，取值范围均为0到1之间，据实际经验获取；m_i(i＝1、2、3、4)为电池储能系统功率交换控制系数，据实际经验获取且均为大于0的可调实参数。

1)数据采集与监视控制系统SCADA系统读取数据P_WG(k)，由调度部门读取数据P_FC(k)；

2)将1)中数据输入DSP中，2)～8)的过程均由DSP处理。计算风电实时功率P_WG(k)与目标风电功率P_FC(k)的相对误差γ，γ＝|(P_WG(k)-P_FC(k))/P_FC(k)|；

3)与给定的相对误差参考值re相比较，若γ＞re执行下一步，否则电池储能系统的功率P_bess(k)＝0；

4)计算风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的偏差ΔP_k，ΔP(k)＝P_WG(k)-P_FC(k)；

5)判断ΔP_k幅值是否大于电池储能系统出力的最大参考值maxP_bess，若大于maxP_bess则只输出最大值参考值maxP_bess；

6)读取当前SOC值soc(k)；

7)根据风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的偏差ΔP_k的值和当前SOC值soc(k)，根据电池储能系统的充放电状态及其所处的区域，分为以下三种情况对ΔP_k进行修正：

①soc_min≤soc(k)≤a

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{bess}}\left(k\right)=m_1*(\mathrm{soc}\left(k\right)-{\mathrm{soc}}_{\min }){*\mathrm{\&Delta;P}}_k,{\mathrm{\&Delta;P}}_k<0\\ P_{\mathrm{bess}}\left(k\right)=(m_2*a/\mathrm{soc}\left(k\right)){*\mathrm{\&Delta;P}}_k,{\mathrm{\&Delta;P}}_k\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

②a＜soc(k)≤b时

P_bess(k)＝ΔP_k

③b＜soc(k)≤soc_max时

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{bess}}\left(k\right)=(m_3*\mathrm{soc}\left(k\right)/b){*\mathrm{\&Delta;P}}_k,{\mathrm{\&Delta;P}}_k<0\\ P_{\mathrm{bess}}\left(k\right)=m_4*({\mathrm{soc}}_{\max }-\mathrm{soc}\left(k\right))*{\mathrm{\&Delta;P}}_k,{\mathrm{\&Delta;P}}_k\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

由此得到三种情况下电池储能系统的功率。

上述式中，a、b为电池荷电状态区域的分界点，取值范围均为0到1之间，根据实际经验获取；m_i(i＝1、2、3、4)为电池储能系统功率交换控制系数，根据实际经验获取且均为大于0的可调实参数。

8)判断P_bess(k)的符号，P_bess(k)＞0表示充电，置位符flag＝-1；P_bess(k)＜0表示放电，置位符flag＝1。flag为对储能的充放电指令。

以上步骤由DSP计算得出，并将计算出的储能功率和充电指令发送给实际的电池储能系统，电池储能系统发出功率与所述的风电实时功率矢量叠加，所得数值即为风储联合应用系统的合成功率。本发明通过该控制方法输出电池储能的功率和充放电指令，实现风储联合出力跟踪发电计划出力，从而提升风电跟踪计划出力能力。

Claims (2)

1.一种储能系统提升风电跟踪计划出力能力的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下；

步骤一：由数据采集与监视控制系统采集风电实时功率P_WG，由相关调度部门获取风电预测功率P_FC，将风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC作为数据采集与监视控制系统的DSP的输入；以风电实时功率P_WG和风电预测功率P_FC分别作为当前的功率出力值和计划出力值；

步骤二：求出风电实时功率P_WG对于风电预测功率P_FC的相对误差γ，γ=|(P_WG-P_FC)/P_FC|；

步骤三：将相对误差γ与给定的相对误差参考值re比较，当γ>re时，启动电池储能系统，使相对误差限值在相对误差参考值re的范围之内；若γ≤re时，不启动电池储能系统，电池储能系统处于热备用状态；

步骤四：求出风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的差值ΔP，ΔP=P_WG-P_FC；

步骤五：若ΔP超出了给定的电池储能出力最大参考值maxP_bess，则ΔP为该电池储能出力最大参考值maxP_bess；

步骤六：读取电池储能系统的荷电状态SOC；

步骤七：把电池储能系统的荷电状态SOC分为三个区域：上调区、自由区和下调区，根据电池储能系统荷电状态所处区域的荷电状态数值，对所述的风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的差值ΔP加以修正，得到电池储能功率P_bess；

步骤八：判断电池储能功率P_bess的符号，P_bess>0表示充电，置位符flag=-1；P_bess<0表示放电，置位符flag=1，flag为对储能的充放电指令；

所述的步骤二至步骤八均由数据采集与监视控制系统的DSP处理、计算得到，所述的数据采集与监视控制系统并将计算得出的电池储能功率和充电指令发送给所述的电池储能系统，电池储能系统发出的功率与所述的风电实时功率矢量叠加，所得数值即为风储联合应用系统的合成功率；

所述的电池储能系统荷电状态在上调区、自由区和下调区三个区域数值的如下：

上调区：b<soc≤soc_max

自由区：a<soc≤b

下调区：soc_min<soc≤b

其中，soc_max、soc_min分别为电池储能系统正常工作时其荷电状态的上限和下限；a、b为荷电状态区域的分界点。

2.按照权利要求1所述的电池储能系统提升风电跟踪计划出力能力的方法，其特征在于：所述的步骤七中，根据电池储能系统荷电状态的上调区、自由区和下调区三个区域的荷电状态数值，对所述的风电实时功率P_WG与风电预测功率P_FC的差值ΔP修正的方法如下：

1)当电池储能系统荷电状态soc处于下调整区时：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{bess}}=m_1*(\mathrm{soc}-{\mathrm{soc}}_{\min })*\mathrm{\&Delta;P},\mathrm{\&Delta;P}<0\\ P_{\mathrm{bess}}=(m_2*a/\mathrm{soc})*\mathrm{\&Delta;P},\mathrm{\&Delta;P}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

2)当电池储能系统荷电状态soc处于自由区时：

P_bess＝ΔP

3)当电池储能系统荷电状态soc处于上调整区时：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{bess}}=(m_3*\mathrm{moc}/b)*\mathrm{\&Delta;P},\mathrm{\&Delta;P}<0\\ P_{\mathrm{bess}}=m_4*({\mathrm{soc}}_{\max }-\mathrm{soc})*\mathrm{\&Delta;P},\mathrm{\&Delta;P}\&GreaterEqual;0\end{array}\right.$

其中，m_i（i=1.2.3.4）为电池储能系统功率交换控制系数，m_i为大于0的可调实参数。

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