CN103490438A

CN103490438A - 平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法

Info

Publication number: CN103490438A
Application number: CN201310446671.6A
Authority: CN
Inventors: 单茂华; 田伟; 严春华; 鄢蜜昉; 曹阳
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103490438B

Abstract

本发明提供了一种平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法，该方法包括以下步骤：I、确定控制周期，获得下一个控制周期内风储并网系统功率的出力区间；II、获得储能系统用于平滑风电的出力区间；III、获得实际储能出力给定区间；IV、确定实际储能出力给定区间内最佳的储能出力设定值。该方法解决了低通滤波器惯性时间常数带来的设定值滞后的问题，提高了储能平抑风电功率波动的效率。

Description

平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法

技术领域

本发明涉及一种电工技术领域的方法，具体讲涉及一种平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法。

背景技术

为了保证电力供需平衡与电网安全，风电大幅度、高频率的波动性给电力系统中其他电源带来了很大的调节压力与负担。因此我国《风电场接入电网技术规定》对风电最大功率变化率有如下规定：风电场应限制输出功率的变化率。最大功率变化率包括1min功率变化率和10min功率变化率，具体限值可参照下表。

表1为风电场最大功率变化率推荐值

风电场装机容量(MW)	10min最大变化量(MW)	1min最大变化量(MW)
			<30	20	6
30-150	装机容量/1.5	装机容量/5
			>150	100	30

利用储能电池减小风电波动性成为电网安全经济接纳风电的解决方法之一。电池储能系统的平抑目标就变为使可再生能源电站的输出功率波动符合有关规定。公开文献《Effect ofenergy storage on variations in wind power》提出利用一阶低通滤波器滤除风电随机功率中的高频波动分量，从而得到较为平滑的并网功率。该方法有效地抑制了风电功率波动，但是没有考虑到储能系统荷电状态(SOC)的因素，容易造成储能系统的过充和过放。同时该方法的滤波器参数需要事先离线设计，设计的滤波参数很难适应不同季节、不同地点、不同气候的风电场的平滑要求，也就是说在不同场景下，需要根据风电波动的历史数据，重新设计滤波器，适应性比较差。公开文献《Optimal control of battery energy storage for wind farm dispatching》和《Control strategies for battery energy storage for wind farm diapatching》中将SOC和低通滤波器结合起来，通过引入SOC反馈来调整时间常数，但是时间常数的调整方法比较简单，既没有根据SOC大小进行动态和有针对性的调节，也没有根据风电波动的平滑目标去调节。因此这种方法也很难保证风电并网功率的变化率符合相关标准规定。

总体上，目前平抑风电波动的储能功率控制主要是基于低通滤波器的方法，在波动出现之后才调整滤波时间常数，以抑制风电波动，因此这种方法具有很大的惯性和滞后性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法，该方法在不采用低通滤波方法的基础上设定抑制风电功率波动的电池储能功率，提高工作效率且数据更准确。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：

I、确定控制周期，获得下一个控制周期内风储并网系统功率的出力区间

II、获得储能系统用于平滑风电波动的出力区间

III、获得实际储能系统出力给定区间

IV、确定实际储能系统出力给定区间

内最佳的储能出力设定值。

进一步的，所述步骤I包括：

S101、确定采样控制周期，获得每个控制周期内一段时间尺度的风储出力采样值序列中的最大值P_max与最小值P_min；

S102、分别以采样值序列中的最大值P_max和最小值P_min为基点值，获得每个控制周期内风电场允许最大波动范围内±P_lim的风储出力区间[P_max-P_lim,P_max+P_lim]和[P_min-P_lim,P_min+P_lim]；

S103、根据所述风储出力区间[P_max-P_lim,P_max+P_lim]和[P_min-P_lim,P_min+P_lim]的交集，获得下一个控制周期的风储并网功率的出力区间

S104、判断交集是否为空，不为空则下一个控制周期的所述风储并网功率的出力区间

[P_{wb}^{\min}, P_{wb}^{\min}] = [P_{\max} - P_{\lim}, P_{\max} + P_{\lim}],

为空则所述风储并网功率的出力区间

[P_{wb}^{\min}, P_{wb}^{\max}] =

[P_{\min} - P_{\lim}, P_{\min} + P_{\lim}] .

进一步的，根据风储出力下边界

出力上边界

和当前风电出力P_W获得所述步骤II的储能系统用于平滑风电波动的出力区间

进一步的，根据储能系统用于平滑风电波动的出力区间

与储能标称出力区间的交集，获得所述步骤III中实际储能系统出力给定区间

实际储能系统出力给定区间的确定包括以下情况：

若

P_{b}^{\max} > P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = Φ;

若

- P_{ch \arg e}^{\max} \leq P_{b}^{\min} \leq P_{disch \arg e}^{\max}

且

P_{b}^{\max} > P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{disch \arg e}^{\max}];

若

P_{b}^{\min} \leq - P_{ch \arg e}^{\max}

且

P_{b}^{\max} \leq P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{sidch \arg e}^{\max}];

若

P_{b}^{\min} > - P_{ch \arg e}^{\min}

且

P_{b}^{\max} \leq P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{b}^{\max}];

若

P_{b}^{\max} < - P_{ch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = Φ;

其中，

为储能系统用于平滑风电的出力区间的上限值，为储能系统用于平滑风电的出力区间的下限值，

为实际储能系统出力给定区间的下限值，

实际储能系统出力给定区间的上限值，

为储能标称出力区间的下限值，

为储能标称出力区间的上限值。

进一步的，所述步骤IV中确定最佳储能出力设定值的方法包括判断实际储能系统出力给定区间是否为空；若不为空，则根据储能系统当前SOC状态，在实际储能系统出力给定区间

内确定最佳的储能出力设定值；若为空，则判断造成空集的原因，确定最佳的储能出力设定值。

进一步的，所述根据储能系统当前SOC状态在实际储能出力给定区间

内确定最佳的储能出力设定值包括以下情况：

若储能系统当前SOC达到电池标称的安全工作区间的上限，储能出力设定值选择储能实际出力区间

的最大正值；若

无正值，储能出力设定值为零，下一个控制周期储能退出平滑；

若储能系统当前SOC超过的理想工作区间的设定上限，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间

的上限值；

若储能系统当前SOC在设定的理想工作区间范围内，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间

内接近零出力的定值；

若储能系统当前SOC超过设定的理想工作区间的下限，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间

的下限值；

若储能系统当前SOC达到电池标称的安全工作区间的下限，储能出力设定值选择储能实际储能出力给定

的最小负值，使SOC尽快回归设定范围；若

无负值，储能出力设定值为零，下个控制周期储能退出平滑；

进一步的，所述判断造成空集的原因，确定最佳的储能出力设定值包括以下情况：

若空集是由于步骤III中

造成，则当储能SOC在设定的理想工作区间范围内或超过设定上限，储能出力设定值为当储能系统当前SOC超过设定下限，为避免电池过放，储能出力设定值为零，下个控制周期退出平滑。

如果空集是由于步骤III中

造成，则当储能SOC在设定的理想工作区间范围内或超过设定下限，储能出力设定值为

当储能系统当前SOC超过设定上限，为避免电池过充，储能出力设定值为零，下个控制周期退出平滑。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的方法直接以风电输出功率波动的变化率或幅值作为控制目标，快速的实现电池储能系统出力目标的安排。

（2）本发明的方法合理地控制储能电池的电量，保持储能电池有足够的功率平滑备用，最大限度地发挥储能平滑风电功率的能力。

（3）本发明的方法解决了储能系统基于低通滤波的功率给定方法固有的滞后问题，提高了储能平抑风电功率波动的效率，同时保证了功率给定值的准确度。

（4）本发明的方法根据风电出力波动要求，直接求取风储在未来时段周期的出力目标，结合储能系统当前的SOC荷电状态，超前给出储能出力给定，不存在低通滤波器惯性时间常数带来的给定值滞后的问题。

（5）本发明的方法的储能平滑风电的响应时间快，可快速减小风电输出功率波动的变化，同时使得储能SOC尽可能在设定范围，最大限度地延长储能发挥平滑功能的时间，又极力避免储能电池出现过充与过放的现象。

附图说明

图1为平抑风电并网功率波动的电池储能控制系统的功率给定方法的结构框图；

图2为平抑风电并网功率波动的电池储能控制系统的功率给定方法的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1平抑风电并网功率波动的电池储能控制系统的功率给定方法的结构框图所示，一种平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法，该方法包括：根据风电场允许的最大波动范围，获得下个控制时段的风储并网功率的出力边界(出力上限值和出力下限值)；根据风储出力边界与当前风电出力，获得储能系统平滑风电的出力边界(出力上限值和出力下限值)；比对储能系统平滑风电的出力边界与储能标称出力边界，得到实际储能出力给定区间；根据储能系统当前的SOC状态，在实际储能出力给定区间内确定最佳的储能出力设定值。本发明中，涉及的风电功率数据从风电场监控系统中获得，储能功率数据从储能电池监控系统获得，风储功率为两者功率总加。

如图2平抑风电并网功率波动的电池储能控制系统的功率给定方法的实现流程图所示，本发明提供的一种平抑风电并网功率波动的电池储能系统功率确定方法具体包括下述步骤：

步骤一、确定采样控制周期，根据风电场允许的最大波动范围±P_lim，在线滚动计算获得控制时段内风储并网系统功率的出力边界风储并网系统为风力发电系统和电池储能系统。

在每个控制周期内，获得过去一段时间尺度（如1min、10min，根据实际需求设定）的风储出力采样值序列中的最大值P_max与最小值P_min。

在每个控制周期内，以采样值序列中的最大值P_max为基点值，获得满足不超过波动限值的风储出力区间，区间为[P_max-P_lim,P_max+P_lim]。

在每个控制周期内，以采样值序列中的最小值P_min为基点值，获得满足不超过波动限值的风储出力区间，区间为[P_min-P_lim,P_min+P_lim]。

在每个控制周期内，根据分别以风储出力采样值序列中的最大值P_max与最小值P_min为基点的风储出力区间[P_max-P_lim,P_max+P_lim]和[P_min-P_lim,P_min+P_lim]的交集，计算获得下一个控制周期的风储并网功率的出力区间

区间

分两种情况，为空或不为空；判断风储并网功率的出力区间

是否为空：

A、当交集不为空，则下一个控制周期的风储并网功率的出力区间

[P_{wb}^{\min}, P_{wb}^{\max}] = [P_{\max} - P_{\lim}, P_{\max} + P_{\lim}];

B、当交集为空，则表明风储功率波动已达到波动限值的两倍，下个控制周期的风储并网功率的出力区间

[P_{wb}^{\min}, P_{wb}^{\max}] = [p_{\min} + P_{\lim}, P_{\max} - P_{\lim}] .

步骤二、根据风储出力下边界

上边界和当前风电出力P_W，计算储能系统平滑出力边界(出力上限值和出力下限值),获得储能系统用于平滑风电波动的理想出力区间

[P_{b}^{\min}, P_{b}^{\max}] .

用于平滑风电波动的出力区间的计算公式为：

其中，

为储能系统用于平滑风电波动的出力区间的下限值，

为储能系统用于平滑风电波动的出力区间的上限值，

为风储出力区间的下边界，为风储出力区间的上边界，P_w为实时获得的当前风电出力值。

步骤三、获得储能系统用于平滑风电波动的出力区间

与储能标称出力边界（负号表示充电，正好表示放电）的交集，从而计算得到实际储能出力给定区间

其中，储能系统平滑出力表示用于平滑风电波动的充放电功率，储能标称出力表示储能系统最大充放电功率。有如下情况：

1）、若

P_{b}^{\min} > P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, p_{b}^{\max}] \cap [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{disch \arg e}^{\max}] = Φ

2）、若

- P_{ch \arg e}^{\max} \leq P_{b}^{\min} \leq P_{disch \arg e}^{\max}

且

P_{b}^{\max} > P_{disch \arg e}^{\max};

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{b}^{\max}] \cap [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{disch \arg e}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{disxh \arg e}^{\max}];

3）、若

P_{b}^{\min} \leq - P_{ch \arg e}^{\max}

且

P_{b}^{\max} \leq P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{b}^{\max}] \cap [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{disch \arg e}^{\max}] = [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{disch \arg e}^{\max}];

4）、若

P_{b}^{\min} > - P_{ch \arg e}^{\min}

且

P_{b}^{\max} \leq P_{disch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}] \cap [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{disch \arg e}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{b}^{\max}];

5）、若

P_{b}^{\max} < - P_{ch \arg e}^{\max},

则

[P_{br}^{\min}, P_{br}^{\max}] = [P_{b}^{\min}, P_{b}^{\max}] \cap [- P_{ch \arg e}^{\max}, + P_{disch \arg e}^{\max}] = Φ .

步骤四、根据储能系统当前的SOC状态，在实际储能出力给定区间

内确定最佳的储能出力设定值。

在实际储能出力给定区间

内确定最佳储能出力设定需要判断实际储能出力给定区间是否为空，分以下两种情况，步骤分别如下：

情况一、

1）、若储能系统当前SOC已达到电池安全工作区间的上限，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间

的最大正值，使SOC尽快回归设定范围；若无正值，储能出力设定值给定为零，下个控制周期储能退出平滑；

2）、若储能系统当前SOC超过设定的电池理想工作区间的上限，表明储能即将满电，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间的上限值；

3）、若储能系统当前SOC在设定的电池理想工作区间范围内，储能出力设定值选择在实际储能出力给定区间

内的接近零出力的定值；

4）、若储能系统当前SOC超过设定的电池理想工作区间的下限，表明储能即将亏电，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间

的下限值；

5）、若储能系统当前SOC已达到电池安全工作区间的下限，储能出力设定值选择实际储能出力给定区间

的最小负值，使SOC尽快回归设定范围；若

无负值，储能出力设定值给定为零，下个控制周期储能退出平滑。

上述电池安全工作区间为电池标称SOC安全工作范围，一般为[01]为电池属性值，所述设定的电池理想工作区间是根据电池不同工作寿命与SOC之间的关系人工设定，如[0.30.8]。电池理想工作指根据电池不同工作寿命与SOC之间的关系人工设定的最优理想工作值。

情况二、

当实际储能出力给定区间为空，则判断造成空集的原因：

1）、若

为空集是由于上述步骤三中计算

的情况1（即

）造成，当储能SOC在设定理想工作区间范围内或超过设定上限，储能出力设定值选择为

当储能系统当前SOC超过设定下限，为避免电池过放，储能出力设定值给定为零，下个控制周期退出平滑。

2）、若

为空集是由于上述步骤三中计算

的情况5（即）造成，当储能SOC在设定理想工作区间范围内或超过设定下限，储能出力设定值选择为

当储能系统当前SOC超过设定上限，为避免电池过充，储能出力设定值给定为零，下个控制周期退出平滑。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。