CN103219737A - 一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法，步骤为：1)建立风电场飞轮储能矩阵拓扑结构；2)建立飞轮储能矩阵的控制系统；3.1)飞轮储能矩阵系统放电控制：P_rfw≤P_Omaxj，将飞轮储能单元j单独接入；P_rfw≥P_Omax1，需要逐个选择转速最高的前m个飞轮储能单元；3.2)飞轮储能矩阵系统充电控制：|P_rfw|≤P_Imaxj，将储能单元j单独接入进行储能；|P_rfw|≥P_Imaxn，需要逐个选择转速最低的前m个飞轮储能单元。本发明更有效的发挥飞轮储能矩阵系统的优势，减小单元切换损耗和运行损耗，保证飞轮储能矩阵系统和电力系统的稳定性，进而提高风电输出电能质量。

Description

一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于风电场的飞轮控制方法，尤其涉及一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法。

背景技术

多飞轮储能单元组成的飞轮储能矩阵系统，该系统可以配合风力发电等可再生能源电力系统，平滑系统有功输出功率，稳定系统输出电压，进而提高电力系统的稳定性，提高可再生能源并网能力。

飞轮储能技术是一种将电能储存为飞轮转子旋转的动能的技术，通过对系统的控制，飞轮储能系统可以在必要的时候储存或释放能量，达到平滑发电系统的输出有功功率、补偿电力系统无功功率、稳定母线电压的作用。

飞轮储能单元的基本结构如图1所示，飞轮储能单元包括外壳1、真空泵2以及安装在外壳内的转轴3、飞轮4、下层轴承5、上层轴承6、永磁直流无刷电机7和编码器8。

飞轮储能单元所储存的动能可表示为：

$E=\frac{1}{2}{J}_m{\mathrm{\ω}}^2$

飞轮可释放的能量可表示为：

$E_0=\frac{1}{2}{J}_m({\mathrm{\ω}}^2-{{\mathrm{\ω}}_{\min }}^2)$

其中，J_m表示飞轮转子的转动惯量；ω表示飞轮转子的旋转角速度；ω_min表示飞轮转子可工作的最低角速度，它受飞轮电机调速范围的限制。

现有技术中并没有一种基于风电场与飞轮组的电网拓扑结构的多飞轮储能单元之间的协调运行控制能有效的发挥飞轮储能系统的优势，即现有技术中存在飞轮切换损耗和运行损耗较大，无法保证飞轮储能矩阵系统的稳定性，进而也无法保证电力系统的稳定性，不能更有效地提高风电输出电能质量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种更有效的发挥飞轮储能系统优势，减小飞轮切换损耗和运行损耗，保证飞轮储能矩阵系统稳定性，进而保证电力系统稳定性，提高风电输出电能质量的应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法，该方法包括如下步骤：

1)建立风电场飞轮储能矩阵拓扑结构：将多个飞轮储能单元组成的飞轮储能矩阵系统安装在风电场出口处，再将这些飞轮储能单元并联在一条直流母线上；飞轮储能矩阵系统的直流母线通过双向变流器与风电场的交流母线并联；

2)建立飞轮储能矩阵的控制系统：该控制系统包括上层控制器和底层控制器；每一个飞轮储能单元各由一个底层控制器控制，而所有的底层控制器由一个上层控制器协调控制；

3)飞轮储能矩阵系统充放电控制：包括飞轮储能矩阵系统放电控制和飞轮储能矩阵系统充电控制；

3.1)飞轮储能矩阵系统放电控制：首先，上层控制器根据飞轮储能单元不同的转速运行状态，按比例分配系统总参考功率；在飞轮储能矩阵系统运行到某一时刻，飞轮储能单元i的运行角速度为ω_i，且飞轮储能矩阵系统中各飞轮储能单元的转速排序为：ω₁≥ω₂≥…≥ω_n，各飞轮储能单元中最大可输出功率排序为：P_Omax1≥P_Omax2≥…≥P_Omaxn＞0，各飞轮储能单元中最大可输出能量为：E_O1≥E_O2≥…≥E_On＞0；

如果P_rfw≤P_Omaxj，P_rfw为飞轮储能矩阵系统与风电场交流母线的参考交换功率；P_rfw＝P_ref-P_wg，P_ref风电场-飞轮储能矩阵系统总参考功率，P_wg是风电场发出的有功功率；P_Omaxj为飞轮储能单元j最大可输出功率；将飞轮储能单元j单独接入飞轮储能矩阵系统的直流母线；

如果P_rfw≥P_Omax1，P_Omax1为飞轮储能单元1最大可输出功率；需要逐个选择转速最高的前m个飞轮储能单元以并联的方式接入飞轮储能矩阵系统的直流母线，直到满足：

$P_{O\max 1}\≤P_{\mathrm{rfw}}\≤\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{O\max i}$

接入直流母线的每个飞轮储能单元的输出参考功率为：

$P_{\mathrm{rOj}}=P_{\mathrm{rfw}}\·E_{\mathrm{Oj}}/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{Oi}};$

3.2)飞轮储能矩阵系统无电控制：飞轮储能矩阵系统无电过程中，P_rfw＜0，飞轮储能矩阵系统中储存的能量将按比例优先充电；飞轮储能矩阵系统中各飞轮储能单元的最大可输出功率排序为：P_Omax1≥P_Omax2≥…≥P_Omaxn＞0，各飞轮储能单元可输入功率排序为：0＜P_Imax1≤P_Imax2≤…≤P_Imaxn，各飞轮储能单元中最大可吸收能量排序为：0＜E_I1≤E_I2≤…≤E_In；

如果|P_rfw|≤P_Imaxj，将储能单元j单独接入飞轮储能矩阵系统的直流母线上进行储能；

如果|P_rfw|≥P_Imaxn，需要逐个选择转速最低的前m个飞轮储能单元以并联的方式接入飞轮储能矩阵系统的直流母线进行储能，直到满足.

$P_{I\max n}\≤\left|P_{\mathrm{rfw}}\right|\≤\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{I\max i}$

接入直流母线的每个飞轮储能单元的输入参考功率为：

$P_{\mathrm{rIj}}=P_{\mathrm{rfw}}\·E_{\mathrm{Ij}}/\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{Ii}}.$

本发明的有益效果是：本发明是基于风电场与飞轮储能矩阵系统的电网拓扑结构的多飞轮储能单元之间的协调运行控制，该控制能够更有效的发挥飞轮储能矩阵系统的优势，减小飞轮储能单元切换损耗和运行损耗，保证飞轮储能矩阵系统的稳定性，进而保证电力系统的稳定性，提高风电输出电能质量。

附图说明

图1为现有技术中的飞轮储能单元的结构示意图；

图2为风电场飞轮储能矩阵拓扑结构图；

图3为飞轮储能矩阵的控制系统图；

图4为飞轮储能矩阵系统的协调控制方法和安全控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法，该方法包括如下步骤：

1)建立风电场飞轮储能矩阵拓扑结构，如图2所示：

风电场中，多组风机同时运行会产生更多的电能。这种情况下，受储能容量的限制，单一的飞轮储能单元不足以完成能量储存的任务。因此风电场需要安装多组飞轮储能单元去完成储能任务。

将多个飞轮储能单元组成的飞轮储能矩阵系统安装在风电场出口处，再将这些飞轮储能单元并联在一条直流母线上；飞轮储能矩阵系统的直流母线通过双向变流器与风电场的交流母线并联。其中，各个飞轮储能单元拥有完全相同的系统参数，这些参数是指各飞轮材料、尺寸、质量、最高转速、储能容量，飞轮电机的额定功率、调速范围(最高和最低转速)、最大输出转动惯量等，即所有飞轮储能单元完全一样。

2)建立飞轮储能矩阵的控制系统，如图3所示：该控制系统包括上层控制器和底层控制器；每一个飞轮储能单元各由一个底层控制器控制，而所有的底层控制器由一个上层控制器进行统一的协调控制。上层控制器为每个飞轮储能单元计算参考功率，同时决定各飞轮储能单元的开关工作状态。底层控制器采用传统的转速-电流双闭环控制结构，引入神经元自适应PID控制，负载对各飞轮储能单元的充放电控制。

飞轮储能矩阵中，任意两个飞轮储能单元不能同时工作在相反的运行状态(充电和放电)。也就是说，飞轮储能单元之间不会出现相互充放电的情况。在充放电的过程中，某些飞轮储能单元需要吸收或释放电能，但为了减小系统的运转损耗和切换损耗，一些飞轮储能单元可能不会被接入直流母线，而是工作在能量保持状态，系统的协调运行需要各部分相互配合。

3)飞轮储能矩阵系统充放电控制：包括飞轮储能矩阵系统放电控制和飞轮储能矩阵系统充电控制，如图4所示；

风电场-飞轮储能矩阵系统与电网之间的功率交换方程为：

P_g＝P_wg+P_fw

P_rfw＝P_ref-P_wg

其中，P_wg为风电场发出的有功功率；P_fw为飞轮储能矩阵实际输出的有功功率，如果P_fw是负值，表示飞轮储能矩阵在吸收功率；P_rfw为飞轮储能矩阵与风电场交流母线的参考交换功率；P_g为风电场-飞轮储能矩阵总体输出功率；风电场-飞轮储能矩阵的系统总参考功率P_ref可由电力生产的相关部门确定，并可以根据不同的工况调节。如果P_ref＞P_wg，意味着飞轮储能矩阵需要释放能量去补充风电场的功率输出；如果P_ref＜P_wg，意味着飞轮储能矩阵需要从风电场吸收电能。考虑到中国风电场并网规范的要求，本发明中，将容许有±3％P_ref的输出功率波动。这是一个相对严格的标准，它有利于在风电场输出电压、输出频率和有功、无功功率方面满足规范要求，并且避免频繁的切换充放电状态，减小不必要的功率损耗。

3.1)飞轮储能矩阵系统放电控制：首先，上层控制器根据飞轮储能单元不同的转速运行状态，按比例分配系统总参考功率。在飞轮储能矩阵系统运行过程中，飞轮储能单元i的运行角速度为ω_i，且飞轮储能矩阵系统中各飞轮储能单元的转速排序为：ω₁≥ω₂≥…≥ω_n，各飞轮储能单元中最大可输出功率排序为：P_Omax1≥P_Omax2≥…≥P_Omaxn＞0，各飞轮储能单元中最大可输出能量为：E_O1≥E_O2≥…≥E_On＞0。

如果P_rfw≤P_Omaxj  (1)

即表示飞轮储能单元j就可以单独完成放电，P_Omaxj为飞轮储能单元j最大可输出功率；将飞轮储能单元j单独接入飞轮储能矩阵系统的直流母线，飞轮的切换损耗和运行损耗将只会由一个飞轮储能单元产生。

如果P_rfw≥P_Omax1，P_Omax1为飞轮储能单元1最大可输出功率，即储存能量最高的飞轮储能单元也不能单独完成储能任务，因此并联入多个飞轮储能单元共同承担放电任务是十分必要的。这种情况下，需要逐个选择转速最高的前m个飞轮储能单元以并联的方式接入飞轮储能矩阵系统的直流母线，直到满足.

$P_{O\max 1}\≤P_{\mathrm{rfw}}\≤\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{O\max i}---\left(2\right)$

单个飞轮储能单元的输出参考功率为：

$P_{\mathrm{rOj}}=P_{\mathrm{rfw}}\·E_{\mathrm{Oj}}/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{Oi}}.$

储存能量越多的飞轮储能单元被优先接入系统投入使用，即“能者多劳”，而不是要求所有的飞轮储能单元都必须工作在充放电状态。其它未接入使用的飞轮将会工作在能量保持状态。因此，此方案可以有效的减少接入系统的飞轮数量，进而减小系统切换与运行损耗。

3.2)飞轮储能矩阵系统充电控制：飞轮储能矩阵系统充电过程中，P_rfw＜0，飞轮储能矩阵系统中储存的能量将按比例优先充电。飞轮储能矩阵系统中各飞轮储能单元的最大可输出功率排序为：P_Omax1≥P_Omax2≥…≥P_Omaxn＞0，各飞轮储能单元可输入功率排序为：0＜P_Imax1≤P_Imax2≤…≤P_Imaxn，各飞轮储能单元中最大可吸收能量排序为：0＜E_Il≤E_I2≤…≤E_In。

如果|P_rfw|≤P_Imaxj  (3)

将储能单元j单独接入飞轮储能矩阵系统的直流母线上进行储能，从而减小了系统的切换损耗和运行损耗。

如果|P_rfw|≥P_Imaxn，那么转速最低的飞轮也没有足够的容量去完成储能任务，因此需要逐个选择转速最低的前m个飞轮储能单元以并联的方式接入飞轮储能矩阵系统的直流母线进行储能，直到满足：

$P_{I\max n}\≤\left|P_{\mathrm{rfw}}\right|\≤\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{I\max i}---\left(4\right)$

单个飞轮储能单元的输入参考功率为：

$P_{\mathrm{rIj}}=P_{\mathrm{rfw}}\·E_{\mathrm{Ij}}/\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{Ii}}.$

储存能量越多的飞轮储能单元被优先接入系统投入使用，即“能者多劳”，而不是要求所有的飞轮储能单元都必须工作在充放电状态。因此，此方法可以有效的减少接入系统的飞轮数量，进而减小系统切换与运行损耗。在飞轮储能阵列系统充放电切换时刻，如果某些飞轮储能单元满足下一阶段的不等式工作条件(即满足不等式(1)、(2)、(3)、(4))，那么它们将被优先选择工作的下一阶段。这种方法有助于减小飞轮储能单元的切换次数，减小切换能量损耗。在某些工况下，可能某些飞轮储能单元会长期工作在能量保持状态而不会被投入使用，这就意味着这些数目的飞轮储能单元是多余的。应该采取措施尽快将同等数目的飞轮储能单元尽快释放电能并暂时关闭，以减小不必要的运行能量损耗。

飞轮储能矩阵系统过充电、过放电安全控制策略：与蓄电池类似，飞轮储能矩阵系统也需要避免过充电和过放电。飞轮的过充电会引起飞轮电机超出额定转速运行，给系统带来安全隐患，减小系统运行寿命；飞轮的过放电会造成飞轮电机在过低的转速下运行，可能造成系统的不稳定。因此，飞轮储能矩阵系统的过充电和过放电安全控制策略是延长系统使用寿命、维持系统稳定运行的基本调节。

飞轮储能矩阵过充电安全控制策略：当某一段较长的时间风能比较充足，风电场产生的电能比较充足，可能会使飞轮储能矩阵系统充满电。这种情况下，非常有必要采取措施对飞轮储能矩阵系统施加过充电保护策略。例如，提高系统的总参考输出功率P_ref，这将会促使飞轮储能矩阵工作在放电模式，提高系统向电网输送的电能。如果风速仍然持续高于风机的额定风速，那么就需要通过变桨控制等方式减少风能的吸收，飞轮储能矩阵将全部工作在能量保持状态。

如果某一段较长的时间风能比较少，风电场产生的电能比较少，可能会使飞轮储能矩阵系统持续放电至最低。这种情况下，非常有必要采取措施对储能系统施加过放电保护策略。例如，减小系统的总参考输出功率P_ref，这将会促使飞轮储能矩阵转换为充电模式运行，整个系统减小向电网输送的电能。如果风速仍然持续微弱甚至无风，那么飞轮储能矩阵就必须暂时与风电场切除连接，而工作在能量保持状态将全部工作在能量保持状态。

基于以上分析，飞轮储能矩阵系统的协调控制方法和安全控制流程如图4所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种应用于风电场的飞轮储能矩阵系统的协调控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)建立风电场飞轮储能矩阵拓扑结构：将多个飞轮储能单元组成的飞轮储能矩阵系统安装在风电场出口处，再将这些飞轮储能单元并联在一条直流母线上；飞轮储能矩阵系统的直流母线通过双向变流器与风电场的交流母线并联；

2)建立飞轮储能矩阵的控制系统：该控制系统包括上层控制器和底层控制器；每一个飞轮储能单元各由一个底层控制器控制，而所有的底层控制器由一个上层控制器协调控制；

3)飞轮储能矩阵系统充放电控制：包括飞轮储能矩阵系统放电控制和飞轮储能矩阵系统充电控制；

3.1)飞轮储能矩阵系统放电控制：首先，上层控制器根据飞轮储能单元不同的转速运行状态，按比例分配系统总参考功率；在飞轮储能矩阵系统运行到某一时刻，飞轮储能单元i的运行角速度为ω_i，且飞轮储能矩阵系统中各飞轮储能单元的转速排序为：ω₁≥ω₂≥…≥ω_n，各飞轮储能单元中最大可输出功率排序为：P_Omax1≥P_Omax2≥…≥P_Omaxn＞O，各飞轮储能单元中最大可输出能量为：E_O1≥E_O2≥…≥E_On＞0；

如果P_rfw≤P_Omaxj，P_rfw为飞轮储能矩阵系统与风电场交流母线的参考交换功率；P_rfw＝P_ref-P_wg，P_ref风电场-飞轮储能矩阵系统总参考功率，P_wg是风电场发出的有功功率；P_Omaxj为飞轮储能单元j最大可输出功率；将飞轮储能单元j单独接入飞轮储能矩阵系统的直流母线；

如果P_rfw≥P_Omax1，P_Omax1为飞轮储能单元1最大可输出功率；因此需要逐个选择转速最高的前m个飞轮储能单元以并联的方式接入飞轮储能矩阵系统的直流母线，直到满足：

$P_{O\max 1}\≤P_{\mathrm{rfw}}\≤\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{O\max i}$

接入直流母线的每个飞轮储能单元的输出参考功率为：

$P_{\mathrm{rOj}}=P_{\mathrm{rfw}}\·E_{\mathrm{Oj}}/\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{Oi}};$

3.2)飞轮储能矩阵系统充电控制：飞轮储能矩阵系统充电过程中，P_rfw＜0，将按飞轮储能矩阵系统中各储能单元所储存的能量的比例分配充电量；飞轮储能矩阵系统中各飞轮储能单元的最大可输出功率排序为：P_Omax1≥P_Omax2≥…≥P_Omaxn＞0，各飞轮储能单元可输入功率排序为：O＜P_Imax1≤P_Imax2≤…≤P_Imaxn，各飞轮储能单元中最大可吸收能量排序为：O＜E_I1≤E_I2≤…≤E_In；

如果|P_rfw|≤P_Imaxj，将储能单元j单独接入飞轮储能矩阵系统的直流母线上进行储能；

如果|P_rfw|≥P_Imaxn，需要逐个选择转速最低的前m个飞轮储能单元以并联的方式接入飞轮储能矩阵系统的直流母线进行储能，直到满足.

$P_{I\max n}\≤\left|P_{\mathrm{rfw}}\right|\≤\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{I\max i};$

接入直流母线的每个飞轮储能单元的输入参考功率为：

$P_{\mathrm{rIj}}=P_{\mathrm{rfw}}\·E_{\mathrm{Ij}}/\underset{i=n-m+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{Ii}}.$

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