CN103595068B - 混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法，其特点是：采用超级电容和蓄电池互补对风光输出功率进行两级平抑，两级平抑均采用同一算法，对所需平滑的风光输出功率及储能元件自身剩余容量等数据进行采集、分析，计算风光输出功率期望值，同时考虑风光功率波动大小及储能元件的荷电状态对移动步长进行优化控制；最终以风光输出功率实际值对期望值的偏差作为储能元件的平抑目标，控制储能单元充放电，实现对风光输出功率的平滑。能够在维持风电、光伏最大功率输出的基础上，通过对蓄电池和超级电容的灵活、快速控制，实现了风光输出功率波动的平抑，有效的改善了电能质量，提高了能源利用率和电网对可再生能源的接纳能力。

Description

混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法

技术领域

本发明涉及混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法，属于电能质量领域。

背景技术

出于一次能源枯竭和环境保护的考虑，世界范围内都把发展可再生能源作为重要战略。近年来，我国风电、光伏装机容量大幅度增加，而并网发电增长缓慢，其原因在于风能和太阳能所具有的随机性和波动性对风电并网消纳提出了巨大的挑战。调节分布式电源本身可以在一定程度上减小分布式电源的出力波动，但同时也降低了可再生能源的有效利用率；储能技术的快速发展为平抑风电、光伏输出功率波动提供了新思路，可在不影响风能和太阳能最大功率跟踪的基础上，对风光出力进行“跨越时间”的调整，减小风光出力波动，提高电网稳定性和对可再生能源的接纳能力。

目前国内外学者已对储能平抑可再生能源输出功率波动的方法进行了大量研究，应用较为普遍的是基于一阶低通滤波原理的平抑方法。本发明从较为简单的移动平均算法出发，采用超级电容和蓄电池两种互补元件对风光输出功率进行两级平抑，减小风电、光伏并网对电网的影响，从而改善电能质量，提高电网对可再生能源的接纳能力。

发明内容

本发明的目的是在维持风电、光伏最大功率输出的基础上，通过对蓄电池和超级电容的灵活、快速控制，实现风光输出功率波动的平抑，从而减小分布式电源对并网系统的影响。

混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法，主要包括如下步骤：

（1）采用超级电容和蓄电池两种互补元件对风光输出功率进行两级平抑，由容量较小、响应快速，能短时提供较大功率输出特性的功率型储能元件（超级电容）对原始风光输出功率中的高频、尖峰波动进行第一级平抑；而容量较大，响应速度相对较慢的能量型元件（蓄电池）在超级电容平抑的基础上进行第二级平抑，使得两级平抑后的风光储一体化发电系统输出有功功率满足并网需求。

（2）风光输出功率期望值的制定

系统采样间隔为Δt，初始时刻为t₁。当前时刻t_i=(i-1)Δt，采集风电、光伏出力P_wt、P_pv。利用简单移动平均算法制定平抑功率期望值：

$P_{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\mathrm{wt}}\left(t_i\right)+P_{\mathrm{pv}}\left(t_i\right)+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{staf}}\left(t_j\right)}{i}& 1\≤i\≤n\\ \frac{P_{\mathrm{wt}}\left(t_i\right)+P_{\mathrm{pv}}\left(t_i\right)+\underset{j=i-n+1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{staf}}\left(t_j\right)}{n}& i\≥n\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中P_staf为前一时刻经储能元件平抑后的风光功率，n为移动步长。

风光输出功率实际值对期望值的偏差由储能元件来补偿，则可得超级电容充放功率目标：

P_stref(t_i)=P_ref(t_i)-(P_wt(t_i)+P_pv(t_i))（2）

（3）对移动步长进行优化

当前时刻功率波动量ΔP=P_wt(t_i)+P_pv(t_i)-P_staf(t_i-1)，根据|ΔP|的大小确定权重系数ɑ(|ΔP|)，ɑ(|ΔP|)表征功率波动量大小对移动步长n的贡献，移动步长n与|ΔP|成正比，当功率波动量|ΔP|较大时，所需储能装置对功率波动进行的补偿也较大，需增大移动步长后再进行控制，从而ɑ(|ΔP|)随之增大。ɑ(|ΔP|)设计为:ɑ(|ΔP|)=a·|ΔP|，（a>0)，a为控制参数；

根据ΔP的符号来对储能单元的充放电模式进行预估计，并依据相应模式选取权重系数β(SOC)，β(SOC)为定义的权重系数，用以表征储能单元荷电状态对移动步长n的贡献，β(SOC)的取值包含两种状态，储能装置处于放电模式时，如此时荷电状态充足，增大移动步长可以充分利用储能装置，因此β(SOC)设计如下：β₁(SOC)=k₁·SOC+b₁，（k₁>0，且SOC≥SOC_min)；而当储能装置处于充电模式下，荷电状态越充足，储能元件所能进行的补偿作用越小，应减小移动步长，防止储能装置过充电，此时β(SOC)设计为：β₂(SOC)=k₂·SOC+b₂，（k₂<0，且SOC≤SOC_max)，其中SOC_min为储能元件荷电状态下限SOC_max为荷电状态上限，k₁、k₂、b₁、b₂均为控制参数；

由此可获得当前移动步长：

n=α(|ΔP|)+β(SOC)（3）

ɑ和β依据系统实际情况来制定，由于移动步长n为整数，因此所取的ɑ和β应满足和为整数的条件，储能系统的荷电状态非常关键，决定了储能系统的充放电能力，因此β(SOC)>ɑ(|ΔP|)。

本发明在维持风电、光伏最大功率输出的基础上，利用互补储能元件平抑风光输出功率波动，由超级电容首先进行对高频、尖峰波动进行一级平抑，待波动大幅度减小后，再由蓄电池进行第二级平抑。与此同时考虑风光出力波动量和储能单元荷电状态对平抑过程进行调节，使得调度具有灵活性，能够有效平滑分布式电源出力，改善电能质量，对提高电网对可再生能源的接纳能力及稳定性具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法流程图。

图2是示例风光储一体化发电系统结构图。

图3是移动步长n与|ΔP|和SOC的关系图。

图4是平抑效果图。

图5是平抑前后波动量统计图。

图6是储能元件充放电功率和荷电状态图。

具体实施方式

参见附图1，本发明的混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法，具体步骤如下：

（1）系统采样间隔为Δt，初始时刻为t₁。t_i时刻，采集当前风电、光伏出力P_wt、P_pv以及超级电容自身荷电状态SOC_uc；

（2）超级电容以平抑原始风光输出功率波动为目标，进行第一级平抑，计算当前时刻功率波动量ΔP=P_wt(t_i)+P_pv(t_i)-P_ucaf(t_i-1)，其中P_ucaf（t_i-1）为前一时刻经超级电容器平抑后的风光输出功率；

（3）根据|ΔP|的大小确定ɑ(|ΔP|)，ɑ(|ΔP|)为定义的权重系数，用以表征功率波动量大小对移动步长n的贡献；

（4）参照ΔP的符号初步判断储能单元充放电模式，依据充放电模式选择系数β(SOC)，β(SOC)为权重系数，用以表征储能元件荷电状态对移动步长的贡献；

（5）确定移动步长n：

n=α(|ΔP|)+β(SOC)(1)

ɑ和β的取值根据系统实际情况来制定，由于时间常数系数n为整数，因此所取的ɑ和β应满足和为整数的条件，储能系统的荷电状态非常关键，决定了储能系统充放电的能力，因此β(SOC)>ɑ(|ΔP|),且在储能装置荷电状态低于下限时，禁止放电，n=0；荷电状态高于上限时，禁止充电，n=0。

（6）根据简单移动平均算法制定平抑功率期望值，当前时刻t_i=(i-1)Δt(i≥1)，则平抑功率期望值：

$P_{\mathrm{ref}}\left(t_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{\mathrm{wt}}\left(t_i\right)+P_{\mathrm{pv}}\left(t_i\right)+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ucaf}}\left(t_j\right)}{i}& 1\&le;i\&le;n\\ \frac{P_{\mathrm{wt}}\left(t_i\right)+P_{\mathrm{pv}}\left(t_i\right)+\underset{j=i-n+1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ucaf}}\left(t_j\right)}{n}& i\&GreaterEqual;n\end{array}\right.---\left(2\right)$

（7）确定当前时刻超级电容平抑目标：

P_ucref(ti)=P_ref(t_i)-(P_wt(t_i)+P_pv(t_i))(3)

超级电容按所制定的目标值进行充放电；

(8）将超级电容平抑后的风光输出功率P_ucaf作为蓄电池的平抑目标，参照步骤（2）-（7），制定蓄电池平抑目标，控制蓄电池充放电，对风光输出功率进行第二级平抑；

（9）保存蓄电池和超级电容实际充放电功率及平抑后的风光输出功率数据，进入下一时刻的平抑。

为了验证此方法的可行性，搭建了如图2所示的风光储一体化发电系统，由于超级电容具有容量较小、响应快速、能短时提供较大功率输出的特点，将其安装于风机和光伏出口母线处，用于平抑原始风光输出功率中的高频、尖峰波动超级电容安装于风机和光伏出口母线处；而将容量较大，响应速度相对较慢的蓄电池接于风光互补发电系统并网母线处，在超级电容一级平抑的基础上进行第二级平抑。两种互补储能元件配合使用，可有效平滑风光输出功率曲线，同时可以减小蓄电池的压力，延长其使用寿命。系统有功功率满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{wt}}+P_{\mathrm{pv}}+P_{\mathrm{ucact}}=P_{\mathrm{ucaf}}\\ P_{\mathrm{ucaf}}+P_{\mathrm{batact}}=P_{\mathrm{grid}}\end{array}\right.$

其中:P_wt，P_pv分别为风机和光伏输出功率；P_ucact为超级电容实际充放电功率（以放电为正）；P_ucaf为超级电容平抑后的风光输出功率；P_batact为蓄电池实际充放电功率（放电为正）；P_grid为风光储一体化发电系统并网功率。

超级电容功率控制器及蓄电池功率控制器采用图（1）所示算法计算各储能元件充放电功率目标值，并控制各储能元件按目标值指令进行充放电，实现对风光输出功率波动的平抑。风机额定功率为1.5MW，光伏额定功率为400kW，仿真时间的基本单位Δt（采样间隔）为4min。超级电容200F，初始电压0.6kV，采用传统限值管理，其荷电状态用端电压近似表示，上下限为0.1、0.6kV。蓄电池额定功率为500kW。

图3为移动步长n与波动量绝对值|ΔP|和储能元件荷电状态SOC的关系图。移动步长n与风光出力波动量的绝对值|ΔP|成正比，|ΔP|增大，移动步长也相应增大，则权重系数ɑ(|ΔP|)与|ΔP|的对应关系满足ɑ(|ΔP|)=a·|ΔP|，（a>0)，a为控制参数；移动步长与储能元件荷电状态SOC的关系包括充电和放电两种状态，x轴正半轴表示储能装置放电，此时荷电状态越充足，移动步长应越大，权重系数β(SOC)取值为为β₁(SOC)=k₁·SOC+b₁，（k₁>0，且SOC≥SOC_min)；B点为SOC下限，为了防止过放电，荷电状态低于B点时，禁止放电；负半轴表示储能充电，如果荷电状态充足，应适当地减小移动步长，有对应关系β₂(SOC)=k₂·SOC+b₂，（k₂<0，且SOC≤SOC_max)，A点为SOC上限，荷电状态高于A点时，禁止充电。

原始风光输出功率和经储能系统平抑后的出力如图4所示。由仿真波形可知，经过超级电容和蓄电池平抑后，风光出力波动有了大幅度减小。图5显示波动范围基本限制在5%以内，证明本发明的方法是有效的。

图6显示了超级电容和蓄电池的充放电功率及其荷电状态。由于将功率型元件超级电容安装在可再生能源出口母线处，首先对风光输出功率进行一级平滑，待功率波动减小后由安装在并网母线处的能量型元件蓄电池再次进行平滑，因此可以看到超级电容进行频繁的充放电，而蓄电池往复充放电次数减少，有效减轻了蓄电池的压力，从而延长其使用寿命，两种储能元件的优势得以发挥。超级电容和蓄电池荷电状态均在合理范围内，表明所制定的控制方法能够在兼顾储能元件荷电状态的同时，合理调节其充放电功率，充分发挥储能系统的作用，以期获得更好的平抑效果。

Claims (2)

1.一种混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)利用简单移动平均算法制定风光输出功率期望值

系统采样间隔为Δt，初始时刻为t₁，当前时刻t_i＝(i-1)Δt，采集风电、光伏出力P_wt、P_pv，则平抑功率期望值为：

$P_{ref}\left(t_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{P_{wt}\left(t_i\right)+P_{pv}\left(t_i\right)+\underset{j=1}{\overset{i-1}{\&Sigma;}}{P}_{staf}\left(t_j\right)}{i}& 1\&le;i\&le;n\\ \frac{P_{wt}\left(t_i\right)+P_{pv}\left(t_i\right)+\underset{j=i-n+1}{\overset{i-1}{\&Sigma;}}{P}_{staf}\left(t_j\right)}{n}& i\&GreaterEqual;n\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中P_staf为前一时刻经储能元件平抑后的风光功率，n为移动步长，

风光输出功率实际值对期望值的偏差由储能元件来补偿，则可得超级电容充放功率目标：

P_stref(t_i)＝P_ref(t_i)-(P_wt(t_i)+P_pv(t_i))(2)

(2)对移动步长进行优化

考虑风光输出功率波动量大小及储能元件荷电状态对移动步长进行实时优化，当前时刻功率波动量ΔP＝P_wt(t_i)+P_pv(t_i)-P_staf(t_i-1)，根据|ΔP|的大小确定权重系数ɑ(|ΔP|)，并以ΔP的正负来对储能单元的充放电模式进行预估计，依据相应模式选取权重系数β(SOC)，由此可获得当前移动步长：

n＝α(|ΔP|)+β(SOC)(3)

(3)式中：ɑ(|ΔP|)为定义的权重系数，用以表征功率波动量大小对移动步长n的贡献，移动步长n与|ΔP|成正比，当功率波动量|ΔP|较大时，所需储能装置对功率波动进行的补偿也较大，需增大移动步长后再进行控制，从而ɑ(|ΔP|)随之增大；ɑ(|ΔP|)设计为：ɑ(|ΔP|)＝a·|ΔP|，(a>0)，其中a为控制参数；β(SOC)为定义的权重系数，用以表征储能单元荷电状态对移动步长n的贡献，β(SOC)的取值包含两种模式：储能装置处于放电模式时，如此时荷电状态充足，增大移动步长可以充分利用储能装置，因此β(SOC)设计为：β₁(SOC)＝k₁·SOC+b₁，k₁>0，且SOC≥SOC_min；而当储能装置处于充电模式下，荷电状态越充足，储能元件所能进行的补偿作用越小，应减小移动步长n，防止储能装置过充电，此时β(SOC)设计为：β₂(SOC)＝k₂·SOC+b₂，k₂<0，且SOC≤SOC_max，其中SOC_min为储能元件荷电状态下限，SOC_max为荷电状态上限，k₁、k₂、b₁、b₂均为控制参数；ɑ和β依据系统实际情况来制定，由于移动步长n为整数，因此所取的ɑ和β应满足和为整数的条件，储能系统荷电状态十分关键，决定了储能装置补偿功率波动的能力，因此有β(SOC)>ɑ(|ΔP|)，且在储能装置荷电状态低于下限时，禁止放电，n＝0；荷电状态高于上限时，禁止充电，n＝0。

2.根据权利要求1所述的混合储能系统平抑风光输出功率波动的控制方法，其特征在于：采用超级电容和蓄电池两种互补元件对风光输出功率进行两级平抑，根据两种元件自身特点，由容量较小、响应快速，能短时提供较大功率输出特性的功率型储能元件一超级电容对原始风光输出功率中的高频、尖峰波动进行第一级平抑；而容量较大，响应速度相对较慢的能量型元件一蓄电池在超级电容平抑的基础上进行第二级平抑。