CN102570505B - 用于风电“部分削峰填谷”的电池储能系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于风电“部分削峰填谷”的电池储能系统控制方法，其特征在于：结合风电功率超短期预测技术，通过数据采集模块实时采集风电功率数据PWG(k)，以4小时为时间间隔对风电功率超短期预测数据求加权平均，对比实时风电功率数据PWG(k)和同时段的风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref，如果PWG(k)相对Pref呈现出峰或谷特征，启动“部分削峰填谷”，控制电池储能系统充或放电，减小风电实际输出相对于风电超短期预测功率水平的偏差。

Description

用于风电“部分削峰填谷”的电池储能系统控制方法
技术领域
本发明涉及电池储能系统在风力发电领域中实现风电“部分削峰填谷”的控制方法。
背景技术
风电输出功率具有间歇波动性，规模化风电并网将给电网带来不利影响。针对这一问题，已出台的风电场功率预测预报管理暂行办法规定所有已并网运行的风电场应建立起风电预测预报体系和发电计划申报工作机制，按照要求报送风电功率预测预报结果，所有风电场企业按照电网调度机构下达的发电曲线运行。当风电实际输出功率与风电功率预测值偏差较大时，需要较多的电网旋转备用容量，给电网调峰、调频带来较大压力。
现有技术中的削峰填谷是针对电力系统的负荷侧提出的，负荷高峰通常出现在昼间，负荷低谷通常出现在夜间，电力系统中的削峰填谷是通过调整负荷曲线，将负荷高峰期的一部分负荷转移到负荷低谷期，降低负荷的峰谷差。
随着风电的规模化发展，越来越重视采用储能与风电结合降低风电的间歇波动性给电网带来的不利影响。目前较多的是单纯从风电场输出考虑，利用储能平滑风电场的输出，没有结合风电的功率预测技术，也没有考虑以一定时间间隔来看，风电实际输出相对于预测趋势呈现出的“峰谷”特征，在风电实际输出相对于预测水平的“峰谷”区，风电实际输出与预测功率水平的偏差较大，给系统调峰、调频带来较大压力。
中国专利CN102214932A一种风光储输综合发电站有功功率分配方法，该方法基于动态优化目标及其约束条件构建的目标优化分配模型，根据风光储输综合发电站设定功率，考虑风光储资源特性，通过对风电场、光伏电站、储能电池进行动态的、统一协调的有功功率分配，优化风光储输综合发电站的运行，保证其输出功率平滑减少输出功率的波动、提高系统输出功率的稳定性，体现风光储输综合发电站的“削峰填谷”作用。其缺点在于在该专利中体现的“削峰填谷”作用是仅在考虑风能、太阳能的互补性基础上引入储能，从平滑综合发电站输出的角度，对风电、光伏和储能出力进行功率分配。没有结合风电的功率预测技术，也没有考虑以一定时间间隔来看，风电实际输出相对于预测趋势呈现出的“峰谷”特征。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的风电与储能联合应用大多针对风电功率波动进行平滑处理，没有结合风电功率预测技术的缺点，以及没有考虑以一定时间间隔来看，风电实际输出相对于预测趋势呈现出“峰谷”特征的不足，提出一种用于风电“部分削峰填谷”的电池储能系统控制方法。
本发明基于电池储能系统，结合风电功率超短期预测方法，通过对风电输出进行“部分削峰填谷”，使风储合成出力功率保持在以4个小时风电功率超短期预测数据加权平均值为中心的一定带宽范围内，减小风电实际输出功率与预测功率水平的偏差，减小风电并网带给电力系统调峰、调频的压力。
本发明采用以下技术方案：
本发明通过“部分削峰填谷”控制系统实现。所述的“部分削峰填谷”控制系统由数据采集模块、风电功率预测系统、数据存储与管理模块、“部分削峰填谷”控制模块、电池储能系统模块构成。本发明中的“部分削峰填谷”控制思路借鉴了电力系统中削峰填谷的概念，不同之处在于电力系统的削峰填谷是针对电力系统负荷的负荷高峰期和负荷低谷期，通过调整负荷曲线，将负荷高峰期的一部分负荷转移到负荷低谷期，降低负荷曲线的峰谷差，而本发明的“部分削峰填谷”是在结合风电功率超短期预测的基础上，针对风电实际输出相对于风电功率预测趋势呈现出的“峰谷”特征提出的，目的在于通过采用电池储能系统，减小风电实际输出相对于风电超短期预测功率水平的偏差。并且鉴于电池储能系统能力有限，如果风电实际输出相对于风电超短期预测功率水平的偏差过大时，不予控制，所以是对风电的“部分削峰填谷”控制。
本发明结合风电功率超短期预测方法，将在第k个采样点采集的风电实时输出功率数据PWG(k)与同时段内的风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref相比较，判断PWG(k)处于削峰启动区还是填谷启动区，如果PWG(k)在削峰启动区，启动削峰控制，控制电池储能系统充电，使风储合成出力达到削峰启动区下限值；如果PWG(k)在填谷启动区，启动填谷控制，控制电池储能系统放电，使风储合成出力达到填谷启动区的下限值，如果PWG(k)不在削峰启动区和填谷启动区，电池储能系统不工作。
本发明控制方法的具体步骤如下：
首先通过数据采集模块实时采集风电功率数据PWG(k)、风储合成出力数据Pout(k)、风电功率预测系统输出的风电功率超短期预测数据PWG'，通过电池储能系统的监控单元采集电池储能系统出力功率值、电池储能系统充电或放电状态及电池储能系统剩余容量状态SOC信息，将上述数据存入数据存储与管理模块，在数据存储与管理模块中以4个小时为时间间隔，对风电功率超短期预测数据PWG'加权平均，得到风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref：
P ref = ( Σ i = 1 N P WGi ′ * m i ) / N
Pref：风电功率超短期预测数据的加权平均值；
PWGi'：时间间隔4个小时内第i个风电功率超短期预测数据；
N：时间间隔4个小时内风电功率超短期预测数据总个数；
mi：PWGi'在时间间隔4个小时内出现的频次。
然后判断所述的风电实时输出功率数据PWG(k)处于部分削峰启动区或部分填谷启动区，步骤如下：
将风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref和实时采集的风电功率数据PWG(k)输入“部分削峰填谷”控制模块的数字信号处理模块，在数字信号处理模块中将Pref作为该预测时间段内风电实际输出的相对于风电功率超短期预测功率水平的“峰谷”判断基准值，在该数字信号处理模块中设定部分削峰或填谷启动区下限比例因子α，0＜α＜1，和上限比例因子β，0＜β＜1且α＜β＜1，形成以风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref为中心的双重包络线，内层包络线分别为Pref(1+α)和Pref(1-α)，外层包络线分别为Pref(1+β)和Pref(1-β)，内层包络线内的区域为“部分削峰填谷”的内层非控制区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)与Pref偏差较小，没有呈现峰或谷，不启动“部分削峰填谷”；外层包络线以外的区域为外层非控制区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)与Pref偏差较大，鉴于电池储能系统能力有限，不启动“部分削峰填谷”；外层包络线Pref(1+β)和内层包络线Pref(1+α)之间的区域为部分削峰启动区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)相对于Pref呈现出高峰，启动部分削峰控制，计算PWG(k)和Pref(1+α)的差值ΔP(k)＝PWG(k)-Pref(1+α)，控制电池储能系统充电；外层包络线Pref(1-β)和内层包络线Pref(1-α)之间的区域为部分填谷启动区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)相对于Pref呈现出低谷，启动部分填谷控制，计算PWG(k)和Pref(1-α)的差值ΔP(k)＝Pref(1-α)-PWG(k)，控制电池储能系统放电，将在第k个采样点采集的风储联合出力Pout(k)控制在以Pref为中心的内层包络线内，减小风电实际输出相对于风电超短期预测功率水平的偏差。
数字信号处理模块对输入信号经过以上处理之后，该模块输出电池储能系统出力功率值ΔP、电池储能系统的充放电控制指令，并将指令输出至“部分削峰填谷”控制模块的隔离驱动电路，由隔离驱动电路控制电池储能单元输出或吸收电能，从而达到“部分削峰填谷”的目的。
附图说明
图1“部分削峰填谷”控制框图；
图2“部分削峰填谷”控制模块结构图；
图3“部分削峰填谷”控制原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1所示为“部分削峰填谷”控制框图，由数据采集模块、风电功率预测系统、数据存储与管理模块、“部分削峰填谷”控制模块、电池储能系统模块构成“部分削峰填谷”控制系统。
本发明通过数据采集模块采集风电场输出的风电功率数据PWG(k)、风储合成出力功率数据Pout(k)，风电功率预测系统输出的风电功率超短期预测数据，将这些数据输入数据存储与管理模块；通过电池储能系统的监控单元采集电池储能系统出力功率值、电池储能系统的充电或放电状态及电池储能系统剩余容量状态SOC信息，将这些信息输入数据存储与管理模块。在数据存储与管理模块中以4个小时为时间间隔对风电功率超短期预测数据求加权平均得到风电超短期功率预测数据的加权平均值Pref：
P ref = ( Σ i = 1 N P WGi ′ * m i ) / N
Pref：风电功率超短期预测数据的加权平均值；
PWGi'：时间间隔4个小时内第i个风电功率超短期预测数据；
N：时间间隔4个小时内风电功率超短期预测数据总个数；
mi：PWGi'在时间间隔4个小时内出现的频次。
将实时采集的风电功率数据PWG(k)和对应时段的Pref输入“部分削峰填谷”控制模块的数字信号处理模块中，并在该模块设定部分削峰或填谷启动区下限比例因子α（0＜α＜1）和上限比例因子β（0＜β＜1且α＜β＜1），在数字信号处理模块中根据输入的各项信息分析处理数据，并将处理结果电池储能系统出力功率值ΔP和电池储能系统的充放电控制指令输出至“部分削峰填谷”控制模块的隔离驱动电路，由隔离驱动电路控制电池储能系统充电或放电，风电出力和电池储能系统出力分别经过断路器、变压器并入电网。
其中“部分削峰填谷”控制模块结构如图2所示，将实时采集的风电功率数据和对应时段的风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref输入数字信号处理模块，在数字信号处理模块中设定“部分削峰填谷”启动区下限比例因子α（0＜α＜1）和上限比例因子β（0＜β＜1且α＜β＜1），并根据α、β和输入的风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref，依据“部分削峰填谷”控制原理判断是否启动“部分削峰填谷”，如果启动“部分削峰填谷”，数字信号处理模块输出六路控制信号P1......P6，并将相应的控制信号输入到隔离驱动电路，经隔离驱动电路处理后分别对应六路控制信号P1'......P6'，隔离驱动电路通过P1'......P6'分别控制开关管K1......K6的通断，实现电池储能系统功率的输入或出，从而实现电池储能系统的充或放电；
数字信号处理模块中“部分削峰填谷”控制原理如图3所示，将PWG(k)和对应时段的Pref输入数字信号处理模块，设置“部分削峰填谷”启动区下限比例因子α（0＜α＜1）和上限比例因子β（0＜β＜1且α＜β＜1），形成以Pref为中心、α和β为上下限比例因子的双重包络线，内层包络线分别为Pref(1+α)和Pref(1-α)，外层包络线分别为Pref(1+β)和Pref(1-β)。内层包络线内的区域为部分削峰填谷的内层非控制区，如果在第k个采样点采样到的风电功率数据PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)与Pref偏差较小，没有呈现峰或谷，不启动部分削峰或填谷；外层包络线以外的区域为外层非控制区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)与Pref偏差较大，鉴于电池储能系统能力有限，不启动部分削峰或填谷；外层包络线Pref(1+β)和内层包络线Pref(1+α)之间的区域为部分削峰启动区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)相对于Pref呈现出高峰，启动部分削峰控制，计算PWG(k)和Pref(1+α)的差值ΔP(k)＝PWG(k)-Pref(1+α)，由数字信号处理模块输出控制指令控制电池储能系统充电，充电的功率值大小为ΔP(k)；外层包络线Pref(1-β)和内层包络线Pref(1-α)之间的区域为部分填谷启动区，如果PWG(k)落在该区域内，说明PWG(k)相对于Pref呈现出低谷，启动部分填谷控制，计算PWG(k)和Pref(1-α)的差值ΔP(k)＝Pref(1-α)-PWG(k)，由数字信号处理模块输出控制指令控制电池储能系统放电，放电的功率值大小为ΔP(k)。通过控制电池储能系统充或放电，将风储联合出力Pout(k)控制在以Pref为中心的内层包路线内，减小风电实际输出功率与预测功率水平的偏差，减小风电并网带给电力系统调峰、调频的压力。
数字信号处理模块对输入信号经过以上处理之后，该模块输出电池储能系统出力功率值ΔP、电池储能系统的充放电控制指令，并将指令输出至“部分削峰填谷”控制模块的隔离驱动电路，由隔离驱动电路控制电池储能单元输出或吸收电能，从而达到“部分削峰填谷”的目的。

Claims (2)

1.一种用于风电“部分削峰填谷”的电池储能系统控制方法，其特征在于所述的控制方法结合风电功率超短期预测技术，将在第k个采样点采集的风电实时输出功率数据PWG(k)与4个小时风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref相比较，判断风电实时输出功率数据PWG(k)在削峰启动区还是填谷启动区，如风电实时输出功率数据PWG(k)在削峰启动区，启动削峰，控制电池储能系统充电；如风电实时输出功率数据PWG(k)处于填谷启动区，则启动填谷，控制电池储能系统放电，使风储合成出力达到削峰启动区或填谷启动区的下限值；如风电实时输出功率数据PWG(k)不在削峰启动区或填谷启动区，电池储能系统不工作；
获得所述的风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref的方法是：
通过“部分削峰填谷”控制系统的数据采集模块，将风电功率超短期预测系统输出的功率预测数据读入数据存储与管理模块，在数据存储与管理模块中以4小时为时间间隔对功率预测数据求加权平均值，得到风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref：
P ref = ( Σ i = 1 N P WGi ′ * m i ) / N
式中：
Pref：风电功率超短期预测数据的加权平均值；
PWGi'：时间间隔4个小时内第i个风电功率超短期预测数据；
N：时间间隔4个小时内风电功率超短期预测数据总个数；
mi：PWGi'在时间间隔4个小时内出现的频次。
2.按照权利要求1所述的用于风电“部分削峰填谷”的电池储能系统控制方法，其特征在于判断所述的风电实时输出功率数据PWG(k)处于削峰启动区或填谷启动区的步骤如下：
首先在数字信号处理模块中设定部分削峰或填谷启动区下限比例因子α，0＜α＜1，和上限比例因子β，0＜β＜1且α＜β＜1，形成以风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref为中心的双重包络线，内层包络线分别为Pref(1+α)和Pref(1-α)，外层包络线分别为Pref(1+β)和Pref(1-β)；内层包络线内的区域为“部分削峰填谷”的内层非控制区，如果风电实时输出功率数据PWG(k)落在内层非控制区内，说明风电实时输出功率数据PWG(k)与风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref偏差较小，没有呈现峰或谷，不启动削峰填谷；外层包络线以外的区域为外层非控制区，如果PWG(k)落在外层非控制区内，说明风电实时输出功率数据PWG(k)与风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref偏差较大，鉴于电池储能系统能力有限，不启动削峰填谷；外层包络线Pref(1+β)和内层包络线Pref(1+α)之间的区域为部分削峰启动区，如果风电实时输出功率数据PWG(k)落在部分削峰启动区内，说明风电实时输出功率数据PWG(k)相对于风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref呈现出高峰，启动部分削峰控制，计算风电实时输出功率数据PWG(k)和内层包络线Pref(1+α)的差值ΔP(k)＝PWG(k)-Pref(1+α)，控制电池储能系统充电；外层包络线Pref(1-β)和内层包络线Pref(1-α)之间的区域为部分填谷启动区，如果风电实时输出功率数据PWG(k)落在该部分填谷启动区内，说明风电实时输出功率数据PWG(k)相对于风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref呈现出低谷，启动部分填谷控制，计算风电实时输出功率数据PWG(k)和内层包络线Pref(1-α)的差值ΔP(k)＝Pref(1-α)-PWG(k)，控制电池储能系统放电，将在第k个采样点采集的风储联合出力Pout(k)控制在以风电功率超短期预测数据的加权平均值Pref为中心的内层包络线内，减小风电实际输出相对于风电超短期预测功率水平的偏差。
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