CN104037792A - 一种用水电和储能平抑风光功率波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用水电和储能平抑风光功率波动的控制方法，属于新能源发电中的控制技术领域。该方法待控制的分布式发电系统包括风电、水电、光伏发电、储能四个子系统,该方法包括：采集系统需要输入电网的功率指令值、风电出力和光伏发电出力。然后，将采集到的信息依次进行功率分配、限幅配合、功率修正处理，得到水电和储能的出力指令。最后，将得到的水电和储能的实际输出功率与风电和光伏发电的输出功率加和，即可得到整个发电系统输入到大电网的功率。本发明提出的控制方法，可以实现用低成本的水电和储能平抑新能源电源的功率波动，而且能够维持系统安全稳定运行。

Description

一种用水电和储能平抑风光功率波动的控制方法

技术领域

本发明属于新能源发电中的控制技术领域，特别涉及一种适用于分布式发电系统功率波动平抑的控制方法。

背景技术

当今社会，能源、环境越来越受到关注，与此同时，新能源分布式发电技术也得到了迅猛发展。新能源分布式发电主要有风力发电、光伏发电等发电形式。然而，这些分布式电源受到自然环境变化的影响，其输出的有功功率往往具有波动性、间歇性的特点，当它们大规模接入电网时，会对电网的稳定性产生极大的负面影响。因此，研究平抑风电和光伏发电输出功率波动的控制方法势在必行。

传统的功率波动平抑方法多用储能系统完成，即调节储能系统的输出功率与新能源电源的输出功率互补，以此来使整个发电系统与电网的交互功率维持恒定。然而，目前储能系统的功率成本平均约2000$/kW，能量成本约400$/kW，投资费用相当高；另外，一些像铅酸电池、锂离子电池这样的储能对环境也有很大的污染，大规模的配置这些储能来进行功率波动平抑事实上违背了开发新能源清洁发电、保护环境的初衷。因此，通过建设大容量的储能电站来满足大规模的风、光发电并网需求既不经济也不环保。

水电是一种能量密度大、发电成本较低的清洁电源，利用水电实现风电功率波动平抑具有很大的研究价值。然而由于水电系统出力调节响应较慢，无法准确地跟踪高频信号；同时水电只能发出功率而不能吸收功率，这也限制了水电在平抑功率波动上的作用。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用水电和储能平抑风电和光伏发电输出功率波动的控制方法，以减少功率波动平抑成本，提高发电系统运行的安全性和稳定性。

本发明提出的一种水电和储能平抑风光功率波动的控制方法，该方法待控制的分布式发电系统包括风电、水电、光伏发电、储能四个子系统,各子系统均通过开关和变压器与电网相连；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)采集该分布式发电系统输入电网有功功率的指令值P_plan，风电子系统输出的有功功率值P_W，光伏发电子系统输出的有功功率值P_S，然后计算风电子系统、光伏发电子系统输出的功率总和P_WS及水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp如式(1)所示：

P_WS＝P_W+P_S (1)

P_comp＝P_plan-P_WS

2)功率分配：将需要补偿的功率P_comp，进行一阶低通滤波，得到的低频信号作为水电子系统出力的参考指令P_Href，和得到的高频信号作为储能子系统出力的参考指令P_Bref，如式(2)所示：

$P_{\mathrm{Href}}=P_{\mathrm{comp}}\frac{1}{1+T_{s}s}$

P_Bref＝P_comp-P_Href (2)

式(2)中T_s是低通滤波的时间常数，取值范围为5-20；s是拉普拉斯算子；

3)限幅配合：先将水电子系统的参考出力指令进行限幅，限幅区间为0到水电子系统的额定功率，再用水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp减去经限幅后的水电子系统的参考出力指令得到储能子系统的参考出力指令；对储能子系统的参考出力指令经过一次限幅，限幅区间为储能子系统充电的最大值到放电的最大值之间；再将水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp减去储能子系统限幅后的参考出力指令，然后送到水电子系统中进行限幅，得到限幅配合后的水电子系统和储能子系统的参考出力指令分别为P_H和P_B；

4)功率修正：将经过限幅配合的水电子系统和储能子系统的出力指令P_H和P_B进行功率修正，根据储能子系统的剩余电量情况及储能子系统的参考出力指令P_B调节水电子系统和储能子系统的出力；定义t时刻储能子系统的荷电状态(SOC)为：

$S\left(t\right)=\frac{Q\left(t\right)}{Q}\×100\%---\left(3\right)$

式(3)中Q(t)是储能子系统在t时刻的剩余电量，Q为储能子系统可储存的总电量。设定储能子系统的SOC上限为S_max，下限为S_min，上限警戒值为S_high，下限警戒值S_low，储能子系统最大充放电功率为P_Be；当储能子系统SOC超出上下限警戒值时进行储能子系统和水电子系统的功率修正，而当储能子系统SOC在上下限警戒值之间时不进行功率修正；功率修正包括以下两种情况:

4-1)当S_min≤S(t)≤S_low时，功率修正情况如式(4)所示：

$P_{\mathrm{Border}}\left(t\right)=P_B\left(t\right)-\frac{S_{\mathrm{low}}-S\left(t\right)}{S_{\mathrm{low}}-S_{\min }}{P}_{\mathrm{Be}}$

$P_{\mathrm{Horder}}\left(t\right)=P_H\left(t\right)+\frac{S_{\mathrm{low}}-S\left(t\right)}{S_{\mathrm{low}}-S_{\min }}{P}_{\mathrm{Be}}---\left(4\right)$

式中P_Border(t)和P_Horder(t)分别为t时刻经过功率修正后输入实际储能子系统和水电子系统的出力指令；P_B(t)和P_H(t)分别为t时刻经过限幅配合输入到功率修正的环节中的储能子系统和水电子系统的出力指令；S(t)为t时刻储能子系统的SOC；

4-2)当S_high≤S(t)≤S_max时，功率修正情况如式(5)所示：

$P_{\mathrm{Border}}\left(t\right)=P_B\left(t\right)-\frac{S_{\mathrm{high}}-S\left(t\right)}{S_{\max }-S_{\mathrm{high}}}{P}_{\mathrm{Be}}$

$P_{\mathrm{Horder}}\left(t\right)=P_H\left(t\right)+\frac{S_{\mathrm{high}}-S\left(t\right)}{S_{\max }-S_{\mathrm{high}}}{P}_{\mathrm{Be}}---\left(5\right)$

式(5)中的符号含义与式(4)中符号含义相同；

5)将水电子系统和储能子系统的出力指令值P_Border(t)和P_Horder(t)分别输入到实际的水电子系统和储能子系统中，实际的水电子系统和储能子系统将依据输入步骤4)得到的指令值进行出力，从而得到水电子系统和储能子系统的实际输出功率；

6)将每一时刻水电子系统和储能子系统的实际输出功率与风电子系统和光伏发电子系统的输出功率相加，即可达到整个系统的并网功率波动平抑后的效果。

本发明提出的用水电和储能平抑风光功率波动的控制方法，其优点是：

1、用水电和储能进行功率波动平抑，减小了投资的成本。

2、用低通滤波方法将低频信号分配给水电，高频信号分配给储能，合理利用了水电和储能各自的响应特性，提高系统的波动平抑效果。

3、用限幅配合环节对水电和储能的出力指令限幅，使水电和储能的出力功率满足各自系统的运行要求，同时最小化出力参考指令与需要补偿的功率P_comp之间的差。

4、功率修正环节可根据储能电量的剩余情况调整储能和水电的出力，使得储能的SOC不超过上下限，可以安全稳定的运行，同时将储能的修正功率分配给水电，保证了波动平抑效果。

综上所述，本发明提出的用水电和储能平抑风光功率波动的控制方法，可以实现新能源电源的功率波动平抑，而且能够维持系统安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明控制方法的待控制的分布式发电系统拓扑结构示意图。

图2为本发明提出的控制方法的整体控制方法流程框图。

图3为本发明方法实施例的平抑效果示意图。

具体实施方式

本发明提出的水电和储能平抑风光功率波动的控制方法结合附图及实施例详细说明如下：

本实施例待控制的分布式发电系统包括风电、水电、光伏发电、储能四个子系统,该系统的拓扑结构如图1所示，其中风电子系统由20台1.5MW风机组成，光伏发电子系统由20个500kW光伏阵列组成，水电子系统由2台9MW水轮发电机组成，储能子系统由50个100kW电池组组成，它们均通过开关和10KV/0.4KV变压器与电网相连。

本实施例控制方法，如图2所示，包括如下步骤：

1)采集该分布式发电系统输入电网有功功率的指令值P_plan(一般由调度部门下发，本实施例中为30MW)，风电子系统输出的有功功率值P_W，光伏发电子系统输出的有功功率值P_S，然后计算风电子系统、光伏发电子系统输出的功率总和P_WS及水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp如式(1)所示：

P_WS＝P_W+P_S (1)

P_comp＝P_plan-P_WS

2)功率分配：将需要补偿的功率P_comp，进行一阶低通滤波，得到的低频信号作为水电子系统出力的参考指令P_Href，和得到的高频信号作为储能子系统出力的参考指令P_Bref，如式(2)所示：

$P_{\mathrm{Href}}=P_{\mathrm{comp}}\frac{1}{1+T_{s}s}$

P_Bref＝P_comp-P_Href (2)

式(2)中T_s是低通滤波的时间常数(一般的取值范围为5-20，本实施例中取10)；s是拉普拉斯算子；

3)限幅配合：先将水电子系统的参考出力指令进行限幅，限幅区间为0到水电子系统的额定功率(目的是限制水电子系统出力的参考指令的负功率部分，本实施例中取为18MW)，再用水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp减去经限幅后的水电子系统的参考出力指令得到储能子系统的参考出力指令；对储能子系统的参考出力指令经过一次限幅(限幅区间为储能子系统充电的最大值到放电的最大值之间，本实施例中取-5MW到5MW)；再将水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp减去储能子系统限幅后的参考出力指令，然后送到水电子系统中进行限幅(本实施例中取为0到18MW)，得到限幅配合后的水电子系统和储能子系统的参考出力指令分别为P_H和P_B；

4)功率修正：将经过限幅配合的水电子系统和储能子系统的出力指令P_H和P_B进行功率修正，根据储能子系统的剩余电量情况及储能子系统的参考出力指令P_B调节水电子系统和储能子系统的出力；定义t时刻储能子系统的荷电状态(State of Charge,SOC)为：

$S\left(t\right)=\frac{Q\left(t\right)}{Q}\×100\%---\left(3\right)$

式(3)中Q(t)是储能子系统在t时刻的剩余电量，Q为储能子系统可储存的总电量。设定储能子系统的SOC上限为S_max，下限为S_min，上限警戒值为S_high，下限警戒值S_low(可根据储能子系统的实际性能要求进行设定，本实施例中取储能子系统的SOC上限为0.9，下限为0.1，上限警戒值为0.8，下限警戒值为0.2)，储能子系统最大充放电功率为P_Be(本实施例取5MW)。当储能子系统SOC超出上下限警戒值时进行储能子系统和水电子系统的功率修正，而当储能子系统SOC在上下限警戒值之间时不进行功率修正；功率修正包括以下两种情况：

4-1)当S_min≤S(t)≤S_low时，功率修正情况如式(4)所示：

$P_{\mathrm{Border}}\left(t\right)=P_B\left(t\right)-\frac{S_{\mathrm{low}}-S\left(t\right)}{S_{\mathrm{low}}-S_{\min }}{P}_{\mathrm{Be}}$

$P_{\mathrm{Horder}}\left(t\right)=P_H\left(t\right)+\frac{S_{\mathrm{low}}-S\left(t\right)}{S_{\mathrm{low}}-S_{\min }}{P}_{\mathrm{Be}}---\left(4\right)$

式中P_Border(t)和P_Horder(t)分别为t时刻经过功率修正后输入实际储能子系统和水电子系统的出力指令；P_B(t)和P_H(t)分别为t时刻经过限幅配合输入到功率修正的环节中的储能子系统和水电子系统的出力指令；S(t)为t时刻储能子系统的SOC；

4-2)当S_high≤S(t)≤S_max时，功率修正情况如式(5)所示：

$P_{\mathrm{Border}}\left(t\right)=P_B\left(t\right)-\frac{S_{\mathrm{high}}-S\left(t\right)}{S_{\max }-S_{\mathrm{high}}}{P}_{\mathrm{Be}}$

$P_{\mathrm{Horder}}\left(t\right)=P_H\left(t\right)+\frac{S_{\mathrm{high}}-S\left(t\right)}{S_{\max }-S_{\mathrm{high}}}{P}_{\mathrm{Be}}---\left(5\right)$

式(5)中的符号含义与式(4)中符号含义相同；

5)将水电子系统和储能子系统的出力指令值P_Border(t)和P_Horder(t)分别输入到实际的水电子系统和储能子系统中，实际的水电子系统和储能子系统将依据输入步骤4)得到的指令值进行出力，从而得到水电子系统和储能子系统的实际输出功率；

6)将每一时刻水电子系统和储能子系统的实际输出功率与风电子系统和光伏发电子系统的输出功率相加，即可达到整个系统的并网功率波动平抑后的效果。

附图3为使用本发明所述控制方法的平抑效果示意图，其中横坐标为时间，单位是秒，纵坐标为功率，单位是兆瓦，虚线1是未平抑之前的风电子系统、光伏发电子系统输出的功率总和，实线2是平抑之后的整个系统并网功率。可以看到，经过平抑后的功率波动明显减小。

Claims (1)

1.一种用水电和储能平抑风光功率波动的控制方法，该方法待控制的分布式发电系统包括风电、水电、光伏发电、储能四个子系统,各子系统均通过开关和变压器与电网相连；

其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)采集该分布式发电系统输入电网有功功率的指令值P_plan，风电子系统输出的有功功率值P_W，光伏发电子系统输出的有功功率值P_S，然后计算风电子系统、光伏发电子系统输出的功率总和P_WS及水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp如式(1)所示：

P_WS＝P_W+P_S (1)

P_comp＝P_plan-P_WS

2)功率分配：将需要补偿的功率P_comp，进行一阶低通滤波，得到的低频信号作为水电子系统出力的参考指令P_Href，和得到的高频信号作为储能子系统出力的参考指令P_Bref，如式(2)所示：

$P_{\mathrm{Href}}=P_{\mathrm{comp}}\frac{1}{1+T_{s}s}$

P_Bref＝P_comp-P_Href (2)

式(2)中T_s是低通滤波的时间常数，取值范围为5-20；s是拉普拉斯算子；

3)限幅配合：先将水电子系统的参考出力指令进行限幅，限幅区间为0到水电子系统的额定功率，再用水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp减去经限幅后的水电子系统的参考出力指令得到储能子系统的参考出力指令；对储能子系统的参考出力指令经过一次限幅，限幅区间为储能子系统充电的最大值到放电的最大值之间；再将水电子系统和储能子系统需要补偿的功率P_comp减去储能子系统限幅后的参考出力指令，然后送到水电子系统中进行限幅，得到限幅配合后的水电子系统和储能子系统的参考出力指令分别为P_H和P_B；

4)功率修正：将经过限幅配合的水电子系统和储能子系统的出力指令P_H和P_B进行功率修正，根据储能子系统的剩余电量情况及储能子系统的参考出力指令P_B调节水电子系统和储能子系统的出力；定义t时刻储能子系统的荷电状态(SOC)为：

$S\left(t\right)=\frac{Q\left(t\right)}{Q}\×100\%---\left(3\right)$

式(3)中Q(t)是储能子系统在t时刻的剩余电量，Q为储能子系统可储存的总电量。设定储能子系统的SOC上限为S_max，下限为S_min，上限警戒值为S_high，下限警戒值S_low，储能子系统最大充放电功率为P_Be；当储能子系统SOC超出上下限警戒值时进行储能子系统和水电子系统的功率修正，而当储能子系统SOC在上下限警戒值之间时不进行功率修正；功率修正包括以下两种情况:

4-1)当S_min≤S(t)≤S_low时，功率修正情况如式(4)所示：

$P_{\mathrm{Border}}\left(t\right)=P_B\left(t\right)-\frac{S_{\mathrm{low}}-S\left(t\right)}{S_{\mathrm{low}}-S_{\min }}{P}_{\mathrm{Be}}$

$P_{\mathrm{Horder}}\left(t\right)=P_H\left(t\right)+\frac{S_{\mathrm{low}}-S\left(t\right)}{S_{\mathrm{low}}-S_{\min }}{P}_{\mathrm{Be}}---\left(4\right)$

式中P_Border(t)和P_Horder(t)分别为t时刻经过功率修正后输入实际储能子系统和水电子系统的出力指令；P_B(t)和P_H(t)分别为t时刻经过限幅配合输入到功率修正的环节中的储能子系统和水电子系统的出力指令；S(t)为t时刻储能子系统的SOC；

4-2)当S_high≤S(t)≤S_max时，功率修正情况如式(5)所示：

$P_{\mathrm{Border}}\left(t\right)=P_B\left(t\right)-\frac{S_{\mathrm{high}}-S\left(t\right)}{S_{\max }-S_{\mathrm{high}}}{P}_{\mathrm{Be}}$

$P_{\mathrm{Horder}}\left(t\right)=P_H\left(t\right)+\frac{S_{\mathrm{high}}-S\left(t\right)}{S_{\max }-S_{\mathrm{high}}}{P}_{\mathrm{Be}}---\left(5\right)$

式(5)中的符号含义与式(4)中符号含义相同；

5)将水电子系统和储能子系统的出力指令值P_Border(t)和P_Horder(t)分别输入到实际的水电子系统和储能子系统中，实际的水电子系统和储能子系统将依据输入步骤4)得到的指令值进行出力，从而得到水电子系统和储能子系统的实际输出功率；

6)将每一时刻水电子系统和储能子系统的实际输出功率与风电子系统和光伏发电子系统的输出功率相加，即可达到整个系统的并网功率波动平抑后的效果。