CN103208810B - 一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统 - Google Patents

一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，所述控制系统包括信号测量采集单元、信号传输单元、变系数滤波器、功率分配器、超级电容储能系统、蓄电池储能系统，通过改变滤波器滤波系数优化补偿功率在各储能单元间的分配，波动风功率经变系数滤波器、功率分配器处理后，得到需蓄电池储能系统和超级电容储能系统补偿的功率值，各储能系统采用PQ控制输出补偿功率回馈至电网，以达到平滑波动功率的目的，本发明既满足了平滑风功率输出的要求，又降低了蓄电池的放电深度，延长了蓄电池寿命，同时还使得超级电容储能设备利用率得到了提高。

Description

一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统
技术领域
本发明涉及一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，属于改善风电场电能质量领域。
背景技术
由于电力系统对功率波动在0.01Hz-1Hz之间的十分敏感，而风力发电系统输出的波动功率却大部分处在0.01Hz-1Hz之间，因此平滑在该频段内波动的功率，对电网的安全有重要意义。
储能元件常被用于平滑功率波动，常用的储能元件有蓄电池、超级电容和超导储能等。其中蓄电池储能技术成熟、成本低，但受到充放电次数及寿命限制。影响蓄电池寿命的主要因素除了与蓄电池充放电次数相关外还受到放电深度的影响，放电深度越深蓄电池循环使用的寿命就越短，因此在使用蓄电池作为储能元件时不仅要减少它的充放电的次数还应当降低它的放电深度，蓄电池的放电深度定义为：DOD=(Wmax-Wmin)/Wmax，其中Wmax为t时刻蓄电池放电初始容量值，Wmin为蓄电池放电结束时剩余容量值。
蓄电池不适于用来平滑波动频率在0.01Hz-1Hz之间的功率，一方面是蓄电池无法有效的平滑波动频率较快的功率，另一方面利用蓄电池平滑波动频率较快的功率不利于延长蓄电池的寿命。超级电容由于其具有高能量密度、可快速充放的优点，适于平抑较快波动的功率，因此可将蓄电池和超级电容组成混合储能系统来平滑波动频率较快的功率，这不仅降低了蓄电池的放电深度，而且可延长了蓄电池的使用寿命。超级电容的利用率定义为：n=(1-Vmin/Vmax)%，其中Vmax为超级电容充放电过程中电压最大值，Vmin为超级电容充放电过程中电压最小值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：现有技术中，在平滑风力发电系统输出功率时，传统定系数滤波器不利于延长储能设备寿命，降低了储能设备利用率，为了克服现有技术存在的缺点，本发明提供一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统。
为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案为：
一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，包括信号测量采集单元、信号传输单元、变系数滤波器、功率分配器、蓄电池储能系统、超级电容储能系统，其中信号测量采集单元将采集到的风力发电系统输出信号，通过信号传输单元传输给变系数滤波器，变系数滤波器对接收到的信号进行数学运算，输出平滑后的功率，经过功率分配器分别发送给蓄电池储能系统、超级电容储能系统，经过蓄电池储能系统、超级电容储能系统分别回馈至电网，具体过程如下：
步骤1：信号测量采集单元采集风电输出功率pwind、蓄电池荷电状态socba、超级电容荷电状态socsc；
步骤2：信号测量采集单元将风电输出功率pwind经信号传输单元输入变系数滤波器，在变系数滤波器中，首先将风电输出功率pwind和事先设定的风电输出参考功率ppro进行运算，得到功率偏差，接着对功率偏差进行微分运算得到功率偏差变化率，之后对功率偏差和功率偏差变化率进行模糊推理，得到滤波系数变化量增量；然后变系数滤波器利用该滤波系数变化量增量计算得到新的滤波系数，并根据新的滤波系数输出平滑后的功率pL至功率分配器；
步骤3：由功率分配器根据风电输出功率pwind、平滑后的功率pL和风电输出参考功率ppro，计算得到需超级电容储能系统补偿的功率参考值Psc和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值Pba，并分别发送给超级电容储能系统、蓄电池储能系统；
步骤4：超级电容储能系统、蓄电池储能系统分别对需超级电容储能系统补偿的功率参考值Psc和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值Pba采用PQ控制，然后超级电容储能系统、蓄电池储能系统分别将需超级电容储能系统补偿的功率参考值Psc和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值Pba输出至电网，超级电容和蓄电池投入运行的前提条件是它们荷电状态满足socmin<socba<socmax、socmin<socsc<socmax，其中socmin为最小荷电量，socmax为最大荷电量。
所述步骤2中模糊推理包括以下步骤：
（1）将风力发电系统输出的功率偏差语言量定义为E、功率偏差变化率语言量定义为EC，滤波系数变化量增量语言量定义为U，并分别设定功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC、滤波系数变化量增量语言量U的语言变量和论域；
（2）根据所述功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC、滤波系数变化量增量语言量U分别对应的语言变量建立相应的模糊集控制规则库，由模糊集控制规则库中的元素构成功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC、滤波系数变化量增量语言量U的模糊控制表；
（3）分别找出功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的语言变量在各自论域中对应的等级，然后找出功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC的语言变量在各自等级对应的隶属度，进行模糊化推理，得出由对应隶属度确定的功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的值；
（4）根据由隶属度确定的功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的值，从模糊控制表中找到满足这两个值的滤波系数变化量增量语言量U的模糊集；
（5）将模糊控制器输出值采用加权平均法转变为实际量，即把滤波系数变化量增量语言量U的模糊集在每个论域元素的模糊语言隶属度作为论域元素的加权系数，通过加权平均法形成滤波系数变化量增量Δk。
所述变系数滤波器包括模糊控制器和低通滤波器。
所述风力发电系统输出的功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC和滤波系数变化量增量语言量U均服从等腰三角形隶属度函数曲线分布。
相对于现有技术而言，本发明具备的优点和有益效果为：采用变系数滤波器的混合储能平滑波动功率控制系统，能够满足平滑风功率输出的要求，降低蓄电池的放电深度，延长蓄电池使用寿命，同时超级电容储能设备利用率得到提高。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明的变系数滤波器原理图。
图3为本发明的功率分配器原理图。
图4为本发明的蓄电池在定系数和变系数情况下soc比较图。
图5为本发明的超级电容在定系数和变系数情况下soc比较图。
图6为本发明的功率偏差语言量E的语言值隶属函数图。
图7为本发明的功率偏差变化率语言量EC的语言值隶属函数图。
图8为本发明的滤波系数变化量增量语言量U的语言值隶属函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明的系统结构框图，如图1所示，包括信号测量采集单元、信号传输单元、变系数滤波器、功率分配器、蓄电池储能系统、超级电容储能系统，其中信号测量采集单元将采集到的风力发电系统输出信号，通过信号传输单元传输给变系数滤波器，变系数滤波器对接收到的信号进行数学运算，输出平滑后的功率，经过功率分配器分别发送给蓄电池储能系统、超级电容储能系统，经过蓄电池储能系统、超级电容储能系统分别回馈至电网。
本发明具体控制过程如下：
步骤1：通过信号测量采集单元采集风电输出功率pwind、蓄电池荷电状态socba、超级电容荷电状态socsc，socba=QtQb，Qt为蓄电池的剩余容量，Qb为蓄电池额定容量；socsc=0.5cvt 2/0.5cv2 max，vt为超级电容t时刻电压值，vmax为超级电容允许最大电压值，c为超级电容容值；
步骤2：将采集到的风电输出功率pwind经信号传输单元输入变系数滤波器和预先设定的风电输出参考功率ppro运算后进行模糊推理，得到滤波系数变化量增量，变系数滤波器原理图如图2所示，风电输出功率pwind与和风电输出参考功率ppro做数学运算得到功率偏差e，将功率偏差e微分运算后得到功率偏差变化率Δe，将功率偏差e和功率偏差变化率Δe作为模糊控制器的输入量，进行模糊推理，得到滤波器滤波系数变化量增量Δk，滤波系数变化量增量Δk与当前时刻滤波系数ki进行数学运算得到新的滤波系数ki+1，风电输出功率pwind经低通滤波器运算输出平滑后的功率PL；
步骤3：步骤2中输出平滑后的功率pL经功率分配器进行数学运算得到需超级电容储能系统补偿的功率参考值Psc和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值Pba，如图3所示，滤波器的输出量pL减去风电输出功率Pwind得到需要超级电容储能系统补偿的功率psc，风力发电系统输出参考量ppro减去滤波器的输出量pL即为需要蓄电池补偿的功率pba，即Psc=pL-pwind，Pba=ppro-pL；
步骤4：超级电容储能系统、蓄电池储能系统分别对需超级电容储能系统补偿的功率参考值Psc和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值Pba采用PQ控制，然后超级电容储能系统、蓄电池储能系统分别将需超级电容储能系统补偿的功率参考值Psc和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值Pba输出至电网，超级电容和蓄电池投入运行的前提条件是它们荷电状态满足socmin<socba<socmax、socmin<socsc<socmax，其中socmin为最小荷电量，socmax为最大荷电量。
所述步骤2中模糊推理过程如下：
（1）将风力发电系统输出的功率偏差语言量定义为E、功率偏差变化率定义语言量为EC，
其中：功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC各由5个语言变量组成：NL、NS、ZE、PS、PL，分别代表负大，负小，零，正大，正小；
功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的论域分别为{-1，-0.5，-0.2，0，0.2，0.5，1}、{-1.5,-1,-0.5,0,0.5,1,1.5}；功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的语言值隶属函数如图6、图7所示，NL、NS、ZE、PS、PL从左到右分布；
将滤波系数变化量增量语言量定义为U，论域为{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}，滤波系数变化量增量语言量U包括9个语言变量：NL、NML、NM、NS、ZE、PS、PM、PML、PL，分别代表负大、负中大、负中、负小、零、正小、正中、正中大、正大，其语言值隶属函数如图8所示，NL、NML、NM、NS、ZE、PS、PM、PML、PL从左到右分布；
其中图6、图7、图8的横坐标代表语言变量的论域，纵坐标代表语言变量模糊值。
（2）由所述语言变量引出相应的模糊集控制规则库，建立由风力发电系统输出功率偏差语言量E、风力发电系统输出功率偏差变化率语言量EC及滤波系数变化量增量语言量U构成的模糊控制规则表，如下表所示：
当风力发电系统输出功率大于参考功率，偏离参考功率较大且上升速度较快时，那么滤波系数变化量增量较大；当风力发电系统输出功率大于参考功率，偏离参考功率较小但上升速度较快时，应让滤波系数变化量增量适中；如果风力发电系统输出功率小于参考功率，偏离参考功率较小但呈较快上升趋势，那么应当使滤波器系数减少量较小；如果风力发电系统输出功率小于参考功率，偏离参考功率较大且呈较快上升趋势，那么应当使滤波器系数变化量减少量较大；
（3）找出输入量功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC在各自论域中对应的等级；然后找出功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC的语言变量在各自等级对应的隶属度，进行模糊化推理，得出由对应隶属度确定的功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的值；
（4）根据由隶属度确定的功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的值，从模糊控制表中找到满足这两个值的滤波系数变化量增量语言量U的模糊集；
（5）将模糊控制器输出值采用加权平均法转变为实际量，即把滤波系数变化量增量语言量U的模糊集在每个论域元素的模糊语言隶属度作为论域元素的加权系数，通过加权平均法形成滤波系数变化量增量Δk。
所述风力发电系统输出功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC和滤波系数变化量增量语言量U均服从等腰三角形隶属度函数曲线分布。
将本方案所提供的控制过程在PSCAD软件中进行仿真，比较分析蓄电池和超级电容的soc在采用定滤波系数k=1、k=5、k=10时与采用本发明变滤波系数kchange时的不同，图4所示为蓄电池soc变化图，图5所示为超级电容soc变化图。由图4、图5可知不同的k下，蓄电池的放电深度和超级电容利用率不同，在不同的k下超级电容利用率和蓄电池的放电深度的大小如下表所示，
滤波系数 k=1 k=5 k=10 kchange
DOD 72.2% 56.6% 51.6% 48.3%
N 9.66% 38.34% 44.30% 50.22%
由上表可知采用所述一种基于变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，蓄电池的放电深度DOD为48.3%，超级电容的利用率N为50.22%，通过该方法不仅平滑了风力发电系统输出功率，而且降低了蓄电池的放电深度，延长了蓄电池的使用寿命，同时超级电容的利用率也得到了提高。

Claims (3)

1.一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，其特征在于：包括信号测量采集单元、信号传输单元、变系数滤波器、功率分配器、蓄电池储能系统、超级电容储能系统，其中信号测量采集单元将采集到的风力发电系统输出信号，通过信号传输单元传输给变系数滤波器，变系数滤波器对接收到的信号进行数学运算，输出平滑后的功率，经过功率分配器分别发送给蓄电池储能系统、超级电容储能系统，经过蓄电池储能系统、超级电容储能系统分别回馈至电网，具体过程如下：
步骤1：信号测量采集单元采集风电输出功率                                               、蓄电池荷电状态、超级电容荷电状态；
步骤2：信号测量采集单元将风电输出功率经信号传输单元输入变系数滤波器，在变系数滤波器中，首先将风电输出功率和事先设定的风电输出参考功率进行运算，得到功率偏差，接着对功率偏差进行微分运算得到功率偏差变化率，之后对功率偏差和功率偏差变化率进行模糊推理，得到滤波系数变化量增量；然后变系数滤波器利用该滤波系数变化量增量计算得到新的滤波系数，并根据新的滤波系数输出平滑后的功率至功率分配器，其中，所述模糊推理包括以下步骤：
（1）将风力发电系统输出的功率偏差语言量定义为E、功率偏差变化率语言量定义为EC，滤波系数变化量增量语言量定义为U，并分别设定功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC、滤波系数变化量增量语言量U的语言变量和论域；
（2）根据所述功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC、滤波系数变化量增量语言量U分别对应的语言变量建立相应的模糊集控制规则库，由模糊集控制规则库中的元素构成功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC、滤波系数变化量增量语言量U的模糊控制表；
（3）分别找出功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的语言变量在各自论域中对应的等级，然后找出功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC的语言变量在各自等级对应的隶属度，进行模糊化推理，得出由对应隶属度确定的功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的值；
（4）根据由隶属度确定的功率偏差语言量E和功率偏差变化率语言量EC的值，从模糊控制表中找到满足这两个值的滤波系数变化量增量语言量U的模糊集；
（5）将模糊控制器输出值采用加权平均法转变为实际量，即把滤波系数变化量增量语言量U的模糊集在每个论域元素的模糊语言隶属度作为论域元素的加权系数，通过加权平均法形成滤波系数变化量增量；
步骤3：由功率分配器根据风电输出功率、平滑后的功率和风电输出参考功率，计算得到需超级电容储能系统补偿的功率参考值和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值，并分别发送给超级电容储能系统、蓄电池储能系统；
步骤4：超级电容储能系统、蓄电池储能系统分别对需超级电容储能系统补偿的功率参考值和需蓄电池储能系统补偿的功率参考值分别采用PQ控制后输出至电网，其中，超级电容和蓄电池投入运行的前提条件是它们荷电状态满足、，其中为最小荷电量，为最大荷电量。
2.根据权利要求1所述的一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，其特征在于：所述变系数滤波器包括模糊控制器和低通滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种变滤波系数的混合储能平滑风功率控制系统，其特征在于：所述风力发电系统输出功率偏差语言量E、功率偏差变化率语言量EC和滤波系数变化量增量语言量U均服从等腰三角形隶属度函数曲线分布。
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