CN103023157A - 降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，包括以下步骤：采集风电实时功率P_WG(t)、风速v和当前计划出力P_ref；计算风电理论功率P_WT(t)；比较所述风电实时功率P_WG(t)和风电理论功率P_WT(t)，判断是否存在弃风；计算滑动平均值P_refb；读取电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c；分别对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配，修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)。本发明通过混合储能系统与风力发电联合应用，降低弃风率，减少风电出力与计划出力的偏差，从而提高风电跟踪风电计划出力的能力。

Description

降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法。

背景技术

风电作为清洁能源，具有可再生、成本低、无污染、能量大、前景广等优点而成为实现低碳电力可持续发展的重要选择。但风电固有的随机性、间歇性和不可调度性等特点，导致其大规模并网将对电网的调度运行带来诸多不利影响，甚至威胁电网的安全稳定运行，目前各大风电场弃风现象严重，严重影响经济效益。为了减小风电对电力系统的冲击，客观上需要一定规模的灵活调节电源与之匹配。

由于风电场在限制风电出力时，应严格执行电网调度机构下达的调度计划曲线（含实时调度曲线并），超出曲线部分的电量即限风时段内实发电力超出计划电力的允许偏差范围的电量，风电场将承担相应的经济责任。混合储能系统与风电的联合应用，将有助于减少风电出力与计划出力间的偏差，改善系统运行的经济性。

储能电池主要包括锂离子电池、全钒氧化还原液流电池等。虽然每种储能电池各有优缺点，但总体而言，普遍具有循环寿命短、功率密度低，能量密度高的特点，从而限制了电池储能系统在风电波动剧烈场合的应用。超级电容是典型的功率型储能器件，具有响应速度快，功率密度大，能量密度低，循环寿命长等特点，与储能电池有较强的互补性。由储能电池与超级电容组成的混合储能系统利用超级电容与储能电池的互补性，具有功率密度大、能量密度高、循环寿命长的特点，提高了储能系统的技术经济性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，通过混合储能系统与风力发电联合应用，降低弃风率，减少风电出力与计划出力的偏差，从而提高风电跟踪风电计划出力的能力。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：数据采集模块采集风电实时功率P_WG(t)、风速v和当前计划出力P_ref，并将采集数据输入数据处理模块；

步骤2：根据所述风速v计算风电理论功率P_WT(t)；

步骤3：比较所述风电实时功率P_WG(t)和风电理论功率P_WT(t)，判断是否存在弃风；

A)若P_WT(t)-P_WG(t)＞ε_p，则存在弃风，计算风电理论功率P_WT(t)与当前计划出力P_ref的误差ε_t；

A-1)若|ε_t|＞ε_ref，则混合储能系统充放电：

ε_t＞0时，混合储能系统充电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WT(t)；

ε_t＜0时，混合储能系统放电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

A-2)若|ε_t|≤ε_ref，则混合储能系统不动作，P_ESS(t)＝0；

B)若P_WT(t)-P_WG(t)≤ε_p，则不存在弃风，计算风电实时功率P_WG(t)与当前计划出力P_ref的误差ε_g；

B-1)若|ε_g|＞ε_ref，则混合储能系统充放电：

ε_g＞0时，混合储能系统充电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

ε_g＜0时，混合储能系统放电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

B-2)若|ε_g|≤ε_ref，则混合储能系统不动作，P_ESS(t)＝0；

其中ε_p为设定的风电功率允许误差参考值，ε_ref为设定的相对误差参考值；

步骤4：根据混合储能系统实际出力P_ESS(t)计算滑动平均值P_refb；

步骤5：读取电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c；

步骤6：根据电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c分别对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配，修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)。

所述混合储能系统包括数据采集模块、数据处理模块、混合储能分配模块、电池储能系统和超级电容储能系统；所述步骤2和步骤3由数据处理模块执行，实现第一级控制，所述步骤4至步骤6由混合储能分配模块执行，实现第二级控制。

所述步骤2中，根据所述风速v计算风电理论功率P_WT(t)如下：

$P_{\mathrm{WT},k}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& v\≤v_{\mathrm{in}},v\≥v_0\\ & a+\mathrm{bv}+{\mathrm{cv}}^2\\ P_r& v_r\≤v\≤v_o\end{array}\right.v_{\mathrm{in}}\≤v\≤v_r(k=\mathrm{1,2},...N)---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{WT}}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{WT},k}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，P_WT，k(t)为风场第k台风力发电机组的理论功率，N为风场中风力发电机组运行总台数，v_in为风力发电机组的切入风速，v_r为风力发电机组的额定风速，v_o为风力发电机组的切出风速，P_r为风力发电机组的额定功率，a，b和c的数值由厂家提供的风电机组出力与风速的关系曲线拟合得到。

所述步骤3中，ε_t和ε_g计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{P_{\mathrm{WT}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_g=\frac{P_{\mathrm{WG}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}}\end{array}\right.---\left(3\right).$

所述步骤4中，根据混合储能系统实际出力P_ESS(t)计算滑动平均值P_refb如下：

$P_{\mathrm{refb}}=\frac{1}{2n+1}\underset{t=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ESS}}(t+1)---\left(4\right)$

其中，2n+1＝m，m为滑动平均尺度。

所述步骤6包括以下步骤：

步骤6-1：对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配；

A)若超级电容器端电压U_c满足U_cmin≤U_c≤U_cmax时有：

A-1)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC_min≤SOC≤SOC_max，有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(t\right)=P_{\mathrm{ESS}}\left(t\right)-P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)\\ P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)=P_{\mathrm{ref}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

A-2)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC＞SOC_max或SOC＜SOC_min，有P_bess(t)＝0；

B)若超级电容器端电压U_c满足U_c＞U_cmax或U_c＜U_cmin，有

B-1)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC_min≤SOC≤SOC_max，有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(t\right)=0\\ P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)=P_{\mathrm{ESS}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

B-2)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC＞SOC_max或SOC＜SOC_min，有P_bess(t)＝0；

步骤6-2：修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)；

P_ESS(t)＝P_c(t)+P_bess(t)  (8)

其中，SOC_max和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，U_cmax和U_cmin分别为超级电容允许的最高和最低工作电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明通过混合储能系统与风力发电联合应用，降低弃风率，减少风电出力与计划出力的偏差，从而提高风电跟踪风电计划出力的能力；

2.基于储能电池和超级电容组成的混合储能系统，结合调度部门下发的计划出力曲线，设计了混合储能有功分级与分时控制，降低风场弃风率，减小风电实际输出功率与计划出力的偏差，减小风电并网带给电力系统调峰、调频的压力。

附图说明

图1是降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法流程图；

图2是降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制策略图；

图3是混合储能系统控制结构图；

图4是双向DC/DC控制器的电路原理图；

图5是三相DC/AC控制器电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2，所述的控制策略以储能电池和超级电容组成的混合储能系统为基础，实现有功分级与分时控制。

本发明提供一种降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：数据采集模块采集风电实时功率P_WG(t)、风速v和当前计划出力P_ref，并将采集数据输入数据处理模块；

步骤2：根据所述风速v计算风电理论功率P_WT(t)；

步骤3：比较所述风电实时功率P_WG(t)和风电理论功率P_WT(t)，判断是否存在弃风；

A)若P_WT(t)-P_WG(t)＞ε_p，则存在弃风，计算风电理论功率P_WT(t)与当前计划出力P_ref的误差ε_t；

A-1)若|ε_t|＞ε_ref，则混合储能系统充放电：

ε_t＞0时，混合储能系统充电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WT(t)；

ε_t＜0时，混合储能系统放电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

A-2)若|ε_t|≤ε_ref，则混合储能系统不动作，P_ESS(t)＝0；

B)若P_WT(t)-P_WG(t)≤ε_p，则不存在弃风，计算风电实时功率P_WG(t)与当前计划出力P_ref的误差ε_g；

B-1)若|ε_g|＞ε_ref，则混合储能系统充放电：

ε_g＞0时，混合储能系统充电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

ε_g＜0时，混合储能系统放电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

B-2)若|ε_g|≤ε_ref，则混合储能系统不动作，P_ESS(t)＝0；

其中ε_p为设定的风电功率允许误差参考值，ε_ref为设定的相对误差参考值；

步骤4：根据混合储能系统实际出力P_ESS(t)计算滑动平均值P_refb；

步骤5：读取电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c；

步骤6：根据电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c分别对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配，修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)。

风电实时功率和混合储能系统实际出力分别经过断路器、变压器并入电网。

如图3所示，所述混合储能系统包括数据采集模块、数据处理模块、混合储能分配模块、电池储能系统和超级电容储能系统。

所述步骤2和步骤3由数据处理模块执行，实现第一级控制，所述步骤4至步骤6由混合储能分配模块执行，实现第二级控制。

所述步骤2中，根据所述风速v计算风电理论功率P_WT(t)如下：

$P_{\mathrm{WT},k}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& v\≤v_{\mathrm{in}},v\≥v_0\\ & a+\mathrm{bv}+{\mathrm{cv}}^2\\ P_r& v_r\≤v\≤v_o\end{array}\right.v_{\mathrm{in}}\≤v\≤v_r(k=\mathrm{1,2},...N)---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{WT}}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{WT},k}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，P_WT，k(t)为风场第k台风力发电机组的理论功率，N为风场中风力发电机组运行总台数，v_in为风力发电机组的切入风速，v_r为风力发电机组的额定风速，v_o为风力发电机组的切出风速，P_r为风力发电机组的额定功率，a，b和c的数值由厂家提供的风电机组出力与风速的关系曲线拟合得到。

所述步骤3中，ε_t和ε_g计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{P_{\mathrm{WT}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_g=\frac{P_{\mathrm{WG}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}}\end{array}\right.---\left(3\right).$

所述步骤4中，根据混合储能系统实际出力P_ESS(t)计算滑动平均值P_refb如下：

$P_{\mathrm{refb}}=\frac{1}{2n+1}\underset{t=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ESS}}(t+1)---\left(4\right)$

其中，2n+1＝m，m为滑动平均尺度。

所述步骤6包括以下步骤：

步骤6-1：对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配；

A)若超级电容器端电压U_c满足U_cmin≤U_c≤U_cmax时有：

A-1)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC_min≤SOC≤SOC_max，有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(t\right)=P_{\mathrm{ESS}}\left(t\right)-P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)\\ P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)=P_{\mathrm{ref}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

A-2)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC＞SOC_max或SOC＜SOC_min，有P_bess(t)＝0；

B)若超级电容器端电压U_c满足U_c＞U_cmax或U_c＜U_cmin，有

B-1)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC_min≤SOC≤SOC_max，有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(t\right)=0\\ P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)=P_{\mathrm{ESS}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

B-2)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC＞SOC_max或SOC＜SOC_min，有P_bess(t)＝0；

步骤6-2：修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)；

P_ESS(t)＝P_c(t)+P_bess(t)   (8)

其中，SOC_max和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，U_cmax和U_cmin分别为超级电容允许的最高和最低工作电压。

混合储能系统发出的实际功率与风电实时功率叠加，所得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降低弃风率，实现风储联合出力跟踪发电计划出力，从而提高风电跟踪计划出力能力。

如图4，该双向DC/DC控制器由电感L、功率开关管IGBT1、IGBT2，续流二级管VD1、VD2及输出滤波电容C组成。可双象限运行，在保持输入、输出电压极性不变、幅值可调的条件下，可改变输入、输出电流的方向，达到控制功率双向传输的目的。

如图5，该双向整流/逆变器由直流侧电容C，功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5和VT6，续流二级管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5和VD6，及交流侧滤波电感L1、L2和L3组成。通过对各功率开关管进行通断控制可以实现对双向整流/逆变器的运行方式（整流方式、逆变方式）、直流侧电压、交流侧有功功率等进行有效控制，使交流主系统与混合储能直流系统间达到控制功率双向传输的目的。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：数据采集模块采集风电实时功率P_WG(t)、风速v和当前计划出力P_ref，并将采集数据输入数据处理模块；

步骤2：根据所述风速v计算风电理论功率P_WT(t)；

步骤3：比较所述风电实时功率P_WG(t)和风电理论功率P_WT(t)，判断是否存在弃风；

A)若P_WT(t)-P_WG(t)＞ε_p，则存在弃风，计算风电理论功率P_WT(t)与当前计划出力P_ref的误差ε_t；

A-1)若|ε_t|＞ε_ref，则混合储能系统充放电：

ε_t＞0时，混合储能系统充电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WT(t)；

ε_t＜0时，混合储能系统放电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

A-2)若|ε_t|≤ε_ref，则混合储能系统不动作，P_ESS(t)＝0；

B)若P_WT(t)-P_WG(t)≤ε_p，则不存在弃风，计算风电实时功率P_WG(t)与当前计划出力P_ref的误差ε_g；

B-1)若|ε_g|＞ε_ref，则混合储能系统充放电：

ε_g＞0时，混合储能系统充电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

ε_g＜0时，混合储能系统放电，P_ESS(t)＝P_ref-P_WG(t)；

B-2)若|ε_g|≤ε_ref，则混合储能系统不动作，P_ESS(t)＝0；

其中ε_p为设定的风电功率允许误差参考值，ε_ref为设定的相对误差参考值；

步骤4：根据混合储能系统实际出力P_ESS(t)计算滑动平均值P_refb；

步骤5：读取电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c；

步骤6：根据电池储能系统荷电状态SOC值和超级电容端电压U_c分别对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配，修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)。

2.根据权利要求1所述的降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，其特征在于：所述混合储能系统包括数据采集模块、数据处理模块、混合储能分配模块、电池储能系统和超级电容储能系统；所述步骤2和步骤3由数据处理模块执行，实现第一级控制，所述步骤4至步骤6由混合储能分配模块执行，实现第二级控制。

3.根据权利要求1所述的降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，其特征在于：所述步骤2中，根据所述风速v计算风电理论功率P_WT(t)如下：

$P_{\mathrm{WT},k}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& v\≤v_{\mathrm{in}},v\≥v_0\\ & a+\mathrm{bv}+{\mathrm{cv}}^2\\ P_r& v_r\≤v\≤v_o\end{array}\right.v_{\mathrm{in}}\≤v\≤v_r(k=\mathrm{1,2},...N)---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{WT}}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{WT},k}\left(t\right)---\left(2\right)$

其中，P_WT，k(t)为风场第k台风力发电机组的理论功率，N为风场中风力发电机组运行总台数，v_in为风力发电机组的切入风速，v_r为风力发电机组的额定风速，v_o为风力发电机组的切出风速，P_r为风力发电机组的额定功率，a，b和c的数值由厂家提供的风电机组出力与风速的关系曲线拟合得到。

4.根据权利要求1所述的降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，其特征在于：所述步骤3中，ε_t和ε_g计算如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_t=\frac{P_{\mathrm{WT}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_g=\frac{P_{\mathrm{WG}}\left(t\right)-P_{\mathrm{ref}}}{P_{\mathrm{ref}}}\end{array}\right.---\left(3\right).$

5.根据权利要求1所述的降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，其特征在于：所述步骤4中，根据混合储能系统实际出力P_ESS(t)计算滑动平均值P_refb如下：

$P_{\mathrm{refb}}=\frac{1}{2n+1}\underset{t=-n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{ESS}}(t+1)---\left(4\right)$

其中，2n+1＝m，m为滑动平均尺度。

6.根据权利要求1所述的降低弃风率及跟踪风电计划出力的混合储能系统控制方法，其特征在于：所述步骤6包括以下步骤：

步骤6-1：对储能电池的充放电功率P_bess(t)和超级电容的充放电功率P_c(t)进行分配；

A)若超级电容器端电压U_c满足U_cmin≤U_c≤U_cmax时有：

A-1)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC_min≤SOC≤SOC_max，有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(t\right)=P_{\mathrm{ESS}}\left(t\right)-P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)\\ P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)=P_{\mathrm{ref}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

A-2)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC＞SOC_max或SOC＜SOC_min，有P_bess(t)＝0；

B)若超级电容器端电压U_c满足U_c＞U_cmax或U_c＜U_cmin，有

B-1)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC_min≤SOC≤SOC_max，有

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(t\right)=0\\ P_{\mathrm{bess}}\left(t\right)=P_{\mathrm{ESS}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

B-2)若电池储能系统荷电状态SOC满足SOC＞SOC_max或SOC＜SOC_min，有P_bess(t)＝0；

步骤6-2：修正所述混合储能系统实际出力P_ESS(t)；

P_ESS(t)＝P_c(t)+P_bess(t)  (8)

其中，SOC_max和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，U_cmax和U_cmin分别为超级电容允许的最高和最低工作电压。

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