CN104158202B - 一种混合储能平抑风电功率波动系统及其协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合储能平抑风电功率波动系统及其协调控制方法，采集风机输出功率P _g ，对风机输出功率采用移动平均值算法处理，获得风电输出期望功率P _desire ，其二者差值作为储能补偿功率∆P。将∆P与超级电容器工作电压U _ess 作为风储协调控制器的输入，分析判断启动风机调控系统或启动储能协调控制层进行功率平抑。在利用储能协调控制层进行功率平抑时，低通滤波器、模糊控制器将优化补偿功率分配，实现储能协调控制层内部协调控制。本发明在确保储能系统使用安全、高效、稳定的前提下，降低风电输出的波动率，提高平滑度。

Description

一种混合储能平抑风电功率波动系统及其协调控制方法

技术领域

本发明属于风电场利用混合储能平抑功率波动领域，特别涉及一种混合储能平抑风电功率波动系统及其协调控制方法。

背景技术

目前风力发电机组的控制技术相对较为成熟，能够实时有效地利用风能资源，但风能的随机性无法依靠控制技术解决，这会影响电网的电压质量，且对调度部门的工作也有不利影响。另外随着风电装机容量的不断增大，这种随机性对电网的影响会更加严重，成为制约风电发展的主要因素。清洁能源作为智能电网的一部分，利用储能设备进行输出功率的平抑是一种有效削弱风能随机性的手段。

一般的功率平抑方法是采用定时间常数的低通或者高通滤波器，滤波器不能随着储能系统工况主动调节滤波能力，此种情况下的功率补偿效果较为一般，且无法保证储能设备工作稳定、安全。同时，储能设备在风力发电原动机功率不足的情况下进行功率补偿有重大意义，但当原动机功率过大而储能系统处于满充状态，此时储能系统不再能将多余的能量储存起来。在此情况下，需研究新能源发电与储能装置的协调控制策略。

发明内容

为了确保储能系统使用安全、可靠，同时降低风电输出的波动率、提高平滑度，本发明提供了一种混合储能平抑风电功率波动的协调控制方法。

本发明所采用的技术方案具体是这样实现的：

一种混合储能平抑风电功率波动系统，包括协调控制器，及由其控制的风机和储能协调控制层；

所述协调控制器控制风机和储能协调控制层的启动或切断；

所述风机通过对风机桨距角的调控调整风机输出功率；

所述储能协调控制层通过补偿功率对风电功率进行平抑，其包括低通滤波器、模糊控制器A和模糊控制器B、蓄电池以及超级电容器；

所述低通滤波器对补偿功率ΔP进行滤波，获得蓄电池初始补偿功率；

所述模糊控制器A和模糊控制器B分别对低通滤波器滤波时间常数T和蓄电池补偿功率修订参数α进行修正；

所述蓄电池和所述超级电容器构成储能系统，所述储能系统实现补偿功率在其内部的优化分配。

一种混合储能平抑风电功率波动系统协调控制方法，包括以下步骤：

(1)采集风电功率P_g，计算风电期望功率P_desire，将P_g与P_desire做差获得补偿功率ΔP＝P_g-P_desire；

(2)将超级电容器的工作电压U_ess与ΔP作为协调控制器的输入信号，判断启动风机调控或启动储能协调控制层进行功率平抑；ΔP＞0代表储能系统充电，ΔP＜0表示储能系统放电；

(3)若U_min≤U_ess≤U_max或若U_ess≥U_max且ΔP<0或若U_ess≤U_min且ΔP＞0，启动储能系统进行功率平抑，将补偿功率ΔP经低通滤波器滤波，获得蓄电池初始补偿功率P_Binitial，将P_Binitial与蓄电池荷电状态SOC作为模糊控制器A与模糊控制器B的输入信号，分别修正滤波时间常数T与功率修订常数α，调整蓄电池补偿功率，对蓄电池进行SOC越限保护；

(4)若U_ess≥U_max且ΔP＞0，风储协调控制器则发出切除储能协调控制信号，同时启动风机进行桨距角调控，调低风机桨距角角度，主动弃风降低风电功率；

(5)若U_ess≤U_min且ΔP＜0，风储协调控制器则发出切除储能协调控制信号，调整风机桨距角β＝0°，以最大功率点跟踪状态运行。

进一步地，所述的风电输出期望功率P_desire具体计算步骤为：设任一时刻t的平滑功率值为P_h(t)，(t-Δt，t)时间段内的风电输出功率离散值记作P_g(i)，P_g(i+1)，……P_g(i+N-1)，则

$P_h\left(t\right)=\frac{1}{N}\&CenterDot;\{P_g\left(i\right)+P_g(i+1)+......+P_g(i+N-1)\}$

其中Δt为所取移动平均值的时间尺度；N为Δt时间内所取功率离散值的个数。再对平滑功率作变化率限制处理，从而得到最终的风电期望功率P_desire，即令

$\left|\frac{P_h\left(t_1\right)-P_h\left(t_0\right)}{P_h\left(t_0\right)}\right|\&le;m$

其中，P_h(t₀)、P_h(t₁)为相邻采样时刻的平滑功率值，m为变化率幅值，m＝10％。

进一步地，通过风机调控进行功率平抑时，将风电期望功率P_desire作为功率指令，通过PI调节器进行控制，通过反馈控制从风机引出风电输出功率P_g，与期望功率P_desire做比较，使风电输出功率P_g紧随指令功率P_desire；同时，ΔP_i＝P_xu-P_desire，P_xu为此种工作状态下假设β＝0°时风电输出功率，据此可以判断何时重新进入储能平抑工作状态，也即恢复β＝0°的风电最大功率输出状态；判据如下：

若U_ess≥U_max且ΔP_i＜0，则暂停桨距角调控，逐渐恢复β＝0°时最大功率点跟踪状态工况，同时发出启动储能协调控制层控制信号，进入储能平抑功率波动工况；

若U_ess≤U_min且ΔP_i＞0，则发出启动储能协调控制层控制信号，进入储能平抑功率波动工况；

若U_ess≥U_max且ΔP_i＞0或若U_ess≤U_min且ΔP_i＜0，则维持桨距角调控工况不变。

本发明通过风储协调控制层使储能协调控制层在满充或过放时脱离风电系统，同时启动风机调控系统；通过储能协调控制层优化补偿功率分配，使储能协调控制层平抑风电功率波动的同时对蓄电池完成越限保护，直接修改蓄电池和超级电容器补偿功率，确保蓄电池使用安全，延长其使用寿命，保护整个储能系统的安全。

附图说明

图1为混合储能平抑风电功率波动的协调控制框图

图2为风机桨距角控制框图

图3为模糊控制器A隶属度函数

图4为模糊控制器B隶属度函数

具体实施方式

以下结合图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为混合储能平抑风电功率波动的协调控制框图，如图所示：本发明的混合储能平抑风电功率波动系统，包括协调控制器，及由其控制的风机和储能协调控制层，所述协调控制器控制风机和储能协调控制层的启动或切断，所述风机通过对风机桨距角的调控调整风机输出功率，所述储能协调控制层通过补偿功率ΔP对风电功率进行平抑，其包括低通滤波器、模糊控制器A和模糊控制器B、蓄电池以及超级电容器；所述低通滤波器对补偿功率ΔP进行滤波，将补偿功率ΔP分为低频和高频两部分，其中，低频部分作为蓄电池初始补偿功率P_Binitial，则超级电容器的补偿功率为ΔP-P_Binitial，所述模糊控制器A和模糊控制器B分别对低通滤波器滤波时间常数T和功率修订常数α进行修正；所述蓄电池和所述超级电容器构成储能系统，所述储能系统实现补偿功率在其内部的优化分配。

本发明的混合储能平抑风电功率波动系统协调控制方法包括以下步骤：采集风电功率P_g，经移动平均值算法处理，获得风电输出期望功率P_desire。具体步骤如下所示：设任一时刻t的平滑功率值为P_h(t)，(t-Δt，t)时间段内的风电输出功率离散值记作P_g(i)，P_g(i+1)，……P_g(i+N-1)，则

$P_h\left(t\right)=\frac{1}{N}\&CenterDot;\{P_g\left(i\right)+P_g(i+1)+......+P_g(i+N-1)\}$

其中Δt为所取移动平均值的时间尺度；N为Δt时间内所取功率离散值的个数。再对平滑功率作变化率限制处理，从而得到最终的风电期望功率P_desire，即令

$\left|\frac{P_h\left(t_1\right)-P_h\left(t_0\right)}{P_h\left(t_0\right)}\right|\&le;m$

其中，P_h(t₀)、P_h(t₁)为相邻采样时刻的平滑功率值，m为变化率幅值，m＝10％。在本具体实施例中，m＝10％，但m的值并不唯一，可以限定其他限定值作为变化率幅值。

将风电功率与期望功率做差获得补偿功率ΔP＝P_g-P_desire，ΔP＞0代表储能系统充电，ΔP＜0表示储能系统放电。储能系统协调控制层以蓄电池SOC作为反馈信号，即协调控制的目的是对蓄电池进行SOC越限保护，超级电容用于高频功率补偿，正常工作时处于频繁充放电的状态，其工作电压U_ess总处在正常范围内，只有当蓄电池因越限而暂停补偿工作，完全由超级电容进行功率补偿，U_ess才会越限。

采集超级电容器的工作电压U_ess，将U_ess与ΔP作为风储协调控制层协调控制器的输入信号，按如下规则判据判断：

(1)若U_min≤U_ess≤U_max或U_ess≥U_max且ΔP<0或U_ess≤U_min且ΔP＞0，启动储能协调控制层进行功率平抑，将补偿功率ΔP经低通滤波器滤波，，将补偿功率分为低频和高频两部分；其中低频部分功率作为蓄电池初始补偿功率P_Binitial，超级电容器补偿功率为ΔP-P_Binitial；将P_Binitial与蓄电池荷电状态SOC作为模糊控制器A与B的输入信号，分别修正滤波时间常数T与功率修订常数α，通过调整滤波时间常数T对蓄电池初始补偿功率P_Binitial进行调整，或者通过功率修订常数α调整蓄电池补偿功率，得到蓄电池补偿功率P_bess＝P_Binitial×α，ΔP与P_bess做差得到超级电容器的补偿功率P_ess，优化了补偿功率在蓄电池与超级电容器之间的分配，对蓄电池进行SOC越限保护；

(2)若U_ess≥U_max且ΔP＞0，则储能系统已处于满充状态，且此时风机原动机功率过大，仍需向储能系统存储能量，为了保证储能系统安全，需要风储协调控制器发出切除储能系统信号，同时启动风机桨距角调控，调低风机桨距角角度，主动弃风降低风电功率；

(3)若U_ess≤U_min且ΔP＜0，则储能系统已处于过放状态，需要风储协调控制器发出切除储能系统信号，同时保持风机桨距角β＝0°，以最大功率点跟踪状态运行。

风机桨距角调控系统框图如图2所示，参考功率为P_desire，通过PI调节器进行控制、限幅环节、β变化率限制环节的作用下，通过反馈控制使风机输出功率P_g紧随参考功率P_desire变化。同时，ΔP_i＝P_xu-P_desire，P_xu为此种工作状态下仍按β＝0°计算出的风电输出功率，据此可以判断何时重新进入储能平抑工作状态，也即恢复β＝0°的风电最大功率输出状态。具体判据为：

(1)若U_ess≥U_max且ΔP_i<0，则暂停桨距角调控，逐渐恢复β＝0°时最大功率点跟踪状态工况，同时发出启动储能系统控制信号，进入储能平抑功率波动工况；

(2)若U_ess≤U_min且ΔP_i＞0，则发出启动储能系统控制信号，进入储能平抑功率波动工况；

(3)若U_ess≥U_max且ΔP_i＞0或若U_ess≤U_min且ΔP_i＜0，维持桨距角调控工况不变。

如图1所示，储能协调控制层包括低通滤波器、模糊控制器A与B以及蓄电池。补偿功率ΔP经低通滤波器滤波，得到低频补偿功率即蓄电池的初始补偿功率P_Binitial。为了优化补偿功率在蓄电池与超级电容器之间的分配，实现对蓄电池的越限保护，延长其使用寿命，将P_Binitial及蓄电池SOC作模糊控制器A的输入信号，输出为滤波器时间常数T，完成可变滤波算法。模糊控制器A选用Mamdani型，P_Binitial、SOC及T的隶属度函数如图3所示，控制规则表如下所示：

将P_Binitial分为4个模糊子集(NB,NS,PS,PB)，分别表示当前的补偿功率为(负值较大，负值较小，正值较小，正值较大)；SOC的模糊子集为(S,SN,N,BN,B)，分别表示当前的SOC为(小，正常值偏小，正常值，正常值偏大，大)；输出T的模糊子集为(S,SN,N,BN,B)，分别表示T为(小，正常值偏小，正常值，正常值偏大，大)。

以表中的两条规则举例说明：

规则1：If P is NS and SOC is BN then T is SN.

规则2：If P is PB and SOC is SN then T is SN.

规则1解释为：当反馈到模糊控制A的SOC是正常值偏大状态，此时补偿功率P是负值较小，负值代表放电，则此时调整T为正常值小，让蓄电池的补偿功率增大，SOC向正常值趋近，此时超级电容分担的补偿功率值则变小。

规则2解释为：当反馈到模糊控制A的SOC是正常值偏小状态，此时补偿功率P是正值较大，正值代表充电，则此时调整T为正常值小，让蓄电池的补偿功率增大，SOC向正常值趋近，此时超级电容分担的补偿功率值则变小。

对滤波器时间常数的修改，因滤波器本身延迟效应，会导致即使修改了滤波器时间常数，但蓄电池SOC仍会继续朝越限的方向发展，不是说修改了滤波器时间常数SOC立刻就会朝正常方向发展，因此本发明增加第二层蓄电池保护机制。在改变滤波器时间常数的同时也启动蓄电池补偿功率直接修改工作。这一任务的完成由模糊控制器B的输出——功率修订参数α进行，用初始蓄电池补偿功率P_Binitial与之相乘，得到蓄电池补偿功率P_bess＝P_Binitial×α。模糊控制器B选用Takagi-Sugeno型，输入与模糊控制器A相同，隶属度函数不同，如图4所示，输出隶属度函数如下表所示：

输出α的模糊子集为(Z,PS,PM,PB)，分别表示α为(0,0.1,0.5,1)。在正常情况下，α的值始终为1，即不改变P_Binitial；当SOC将达到极大或极小值，根据此时P_Binitial大小情况选择α，调小蓄电池补偿功率，增大超级电容补偿功率值。具体控制规则表如下所示：

根据实时P_Binitial及蓄电池SOC值，经模糊控制器A、B协调控制，对滤波时间常数T进行调整，或者在对滤波时间常数T调整同时进行功率补偿，补偿功率分别分成低频补偿功率由蓄电池进行补偿以及高频补偿功率由超级电容器进行补偿，使蓄电池SOC始终处于合理范围内，同时完成平抑风电功率波动任务。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种混合储能平抑风电功率波动系统，其特征在于：包括协调控制器，及由其控制的风机和储能协调控制层；

所述协调控制器控制风机和储能协调控制层的启动或切断；

所述风机通过对风机桨距角的调控调整风机输出功率；

所述储能协调控制层通过补偿功率对风电功率进行平抑，其包括低通滤波器、模糊控制器A和模糊控制器B、蓄电池以及超级电容器；

所述低通滤波器对补偿功率进行滤波，将补偿功率分为低频和高频两部分；其中，获得的低频部分功率作为蓄电池初始补偿功率；计算得到超级电容器的补偿功率；

所述模糊控制器A和模糊控制器B分别对低通滤波器滤波时间常数T和蓄电池补偿功率修订参数α进行修正；

所述蓄电池和所述超级电容器构成储能系统，所述储能系统实现补偿功率在其内部的优化分配。

2.一种权利要求1所述的系统协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)采集风电功率P_g，计算风电期望功率P_desire，将P_g与P_desire做差获得补偿功率ΔP＝P_g-P_desire；

(2)采集超级电容器的工作电压U_ess，将U_ess与ΔP作为协调控制器的输入信号，判断启动风机调控或启动储能协调控制层进行功率平抑；ΔP＞0代表储能系统充电，ΔP＜0表示储能系统放电；

(3)若U_min≤U_ess≤U_max或若U_ess≥U_max且ΔP<0或若U_ess≤U_min且ΔP＞0，启动储能系统进行功率平抑，将补偿功率ΔP经低通滤波器滤波，获得蓄电池初始补偿功率P_Binitial，将P_Binitial与蓄电池荷电状态SOC作为模糊控制器A与模糊控制器B的输入信号，分别修正滤波时间常数T与功率修订常数α，调整蓄电池补偿功率，对蓄电池进行SOC越限保护；

(4)若U_ess≥U_max且ΔP＞0，风储协调控制器则发出切除储能协调控制信号，同时启动风机进行桨距角调控，调低风机桨距角角度，主动弃风降低风电功率；

(5)若U_ess≤U_min且ΔP＜0，风储协调控制器则发出切除储能协调控制信号，调整风机桨距角β＝0°，以最大功率点跟踪状态运行。

3.根据权利要求2所述的系统协调控制方法，其特征在于：所述的风电输出期望功率P_desire具体计算步骤为：设任一时刻t的平滑功率值为P_h(t)，(t-Δt，t)时间段内的风电输出功率离散值记作P_g(i)，P_g(i+1)，……P_g(i+N-1)，则

$P_h\left(t\right)=\frac{1}{N}\&CenterDot;\{P_g\left(i\right)+P_g(i+1)+......+P_g(i+N-1)\}$

其中Δt为所取移动平均值的时间尺度；N为Δt时间内所取功率离散值的个数；再对平滑功率作变化率限制处理，从而得到最终的风电期望功率P_desire，即令

$\left|\frac{P_h\left(t_1\right)-P_h\left(t_0\right)}{P_h\left(t_0\right)}\right|\&le;m$

其中，P_h(t₀)、P_h(t₁)为相邻采样时刻的平滑功率值，m为变化率幅值，m＝10％。

4.根据权利要求2所述的系统协调控制方法，其特征在于：通过风机调控进行功率平抑时，将风电期望功率P_desire作为参考功率，通过PI调节器进行控制，通过反馈控制不断调整风机桨距角使风电输出功率P_g紧随参考功率P_desire变化；同时，ΔP_i＝P_xu-P_desire，P_xu为此种工作状态下假设β＝0°时风电输出功率，据此可以判断何时重新进入储能平抑工作状态，也即恢复β＝0°的风电最大功率输出状态；

判据如下：

若U_ess≥U_max且ΔP_i＜0，则暂停桨距角调控，逐渐恢复β＝0°时最大功率点跟踪状态工况，同时发出启动储能协调控制层控制信号，进入储能平抑功率波动工况；

若U_ess≤U_min且ΔP_i＞0，则发出启动储能协调控制层控制信号，进入储能平抑功率波动工况；

若U_ess≥U_max且ΔP_i＞0或若U_ess≤U_min且ΔP_i＜0，则维持桨距角调控工况不变。