CN104377717B - 一种用于平抑风电功率的储能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平抑风电功率的储能控制系统，主要包括滤波装置、数据采集处理装置、蓄电池储能装置、换流装置和控制装置。滤波装置将风电场发出的有功功率进行一阶滤波后连接数据采集处理装置和换流装置，换流装置输出储能控制系统的期望输出功率作为控制装置的控制信号，控制装置结合蓄电池储能装置的电荷状态、剩余容量以及期望输出功率参考量的反馈容量及时调节蓄电池组的输出。本发明可以对风电场的功率作补偿或者吸收风电场多余的功率，以较低的代价有效地平滑风电场的有功功率输出，减少风电场对电网的冲击，提高系统运行的经济性。且在调节风电功率波动的同时，保证蓄电池的剩余容量在一定范围内，延长了电池的使用寿命。

Description

一种用于平抑风电功率的储能控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于平抑风电功率的储能控制系统，属于风电场储能技术和风电功率的平抑技术领域。

背景技术

风能作为一种可再生能源，其具有的无污染、容易获得、分布广等特性，使得风力发电技术在世界范围内得到飞速发展，我国电网中风力发电的规模也在不断增加。由于风能具有随机性和间歇性的特点，风电场输出功率很不稳定，为了保证大规模风力发电接入电网后的整个大电网能够稳定安全运行，最有效的方法就是用储能系统联合风电给电网输出功率。将储能系统与风力发电相结合，就可以有效地平滑风电场的有功功率输出，减少风电场对电网的冲击。

储能装置的种类有很多，从技术的成熟度和成本来考虑的话，铅酸蓄电池比较有竞争力，应用时间长，制造技术成熟，容量较大，能够很好的实现能量的双向流动和及时的对电网功率进行补偿，成本相对比较低。由Massimo Creole提出的铅酸蓄电池三阶动态模型结构简单，内部参数相对较少，但是能够较为准确的反映了铅酸蓄电池内部的基本特性，应用最广泛。

给风电场配置储能系统可以平滑风力发电系统的输出功率波动，储能系统接入风电场的方式主要有两种：分布式和集中式。

目前，现有风电场出力大多数情况下可以满足国家标准要求，但是在不断增加电网调频、调峰能力的情况下，要推进风电规模化应用，必须对风电输出功率的波动值进行严格的限制。当风电出力与风储合成出力的差值的绝对值大于限制值时，风电波动判为较大，需要应用电池储能系统平抑风电输出功率，当差值大于零时，控制蓄电池组充电；当差值小于零时，控制储能放电，降低风电功率波动，提高风电质量。中国专利201010258529.5“一种平滑风电场功率波动的蓄电池充放电控制方法”，通过在风电有功功率大于电网允许上限时，控制蓄电池充电，有功功率小于电网允许下限时控制蓄电池放电的控制方法平滑风电功率波动，其不足在于其控制目标与现行风电并网标准及并网应用需求现状不符，实用性不强。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服上述现有技术难点，针对风电场输出功率波动较大、并网后对电网安全稳定运行产生较大影响的问题，提供一种用于平抑风电功率的储能控制系统，用以解决平抑风电功率的大幅波动，及时吸收风电场多余的有功功率或者补充风电缺少的有功功率，减小风力发电系统对电网的影响。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于平抑风电功率的储能控制系统，分别与风电场和电网连接，包括：滤波装置、数据采集处理装置、蓄电池储能装置、换流装置和控制装置；

所述滤波装置与风电场连接，用于将风电场发出的有功功率P_WO进行一阶滤波并输出风电场期望有功功率P_Wf；

所述数据采集处理装置，用于采集风电场、电网和蓄电池的信息，进行处理后得到储能系统的期望输出功率参考量P_ref＝ΔP₁+ΔP_B，其中ΔP₁为P_WO与P_Wf的差值，为储能控制系统的期望输出功率，ΔP_B为储能控制系统考虑蓄电池剩余容量和自身损耗以及期望输出功率参考量的反馈信号后输出功率的附加量；

所述换流装置接收数据采集处理装置输出的ΔP₁换流后输出至控制装置，所述控制装置以期望输出功率ΔP₁为控制信号，结合蓄电池储能装置的电荷状态、剩余容量以及期望输出功率参考量P_ref的反馈实时控制蓄电池组充放电量。

如上所述的储能控制系统，所述滤波装置的一阶滤波公式为：

其中，T_f是滤波装置时间常数。

如上所述的储能控制系统，储能控制系统输出功率的附加量ΔP_B的计算公式为：

其中，SOC_A是蓄电池组的实际充放电容量，SOC_i是蓄电池组不考虑边界条件的理想充放电容量，SOC_G是期望输出功率参考量反馈所需的蓄电池组充放电容量，C_E是蓄电池组的额定容量，m是蓄电池组的边界裕度百分比，l＜m＜h，h、l分别为蓄电池组的上、下边界裕度百分比。

如上所述的储能控制系统，储能控制系统两端的传输线路通过断路器连接，当检测到风电场输出的功率波动超出设定的阈值时断路器断开。

如上所述的储能控制系统，所述蓄电池储能装置采用基于三阶动态模型的铅酸蓄电池。

有益效果：与现有技术相比，本发明的储能控制系统能够快速补偿或者吸收风电场缺少或者多余的功率，所以当风电场加入储能系统后，起到了很好的平滑效果，风电系统和储能系统互补，联合给电力系统输出功率，此输出功率曲线对电网的影响也会比较小。在调节风电功率波动的同时，保证蓄电池的剩余容量在一定范围内，延长电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明储能系统与风电系统结合运行的示意图；

图2为本发明理想条件下储能控制系统与风电结合的控制系统框图；

图3为本发明实际运行中储能控制系统与风电结合的控制系统框图；

图4为本发明不同时间T_f的风电场额定输出功率对时间的变化曲线；

图5为本发明结合附加控制的蓄电池容量。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例公开了一种用于平抑风电功率的储能控制系统，主要包括滤波装置、数据采集处理装置、蓄电池储能装置、换流装置、控制装置和断路器；其中滤波装置与风电场连接，数据采集处理装置分别与风电场、滤波装置、换流装置、控制装置和蓄电池储能装置连接，控制装置分别与换流装置和蓄电池储能装置连接。

风电场发出的功率P_WO输入到该储能控制系统经滤波装置的一阶滤波后以功率P_Wf输入到数据采集处理装置，将储能控制系统的期望输出功率ΔP₁输出到换流装置，通过控制装置与蓄电池储能装置相连，控制装置通过蓄电池组的电荷状态和剩余容量来控制其充放电量SOC_A；将蓄电池储能装置的充放电量SOC_A输入到与之相连的数据采集处理装置，经折算，将需要补充或吸收的有功功率的附加量ΔP_B添加到该储能控制系统的期望输出中，得到该储能控制系统的输出的参考功率P_ref；参考功率P_ref作为反馈信号再经数据采集处理装置返回控制装置，以反馈容量SOC_G实时调整蓄电池组的输出功率的附加量ΔP_B。通过该储能控制系统作用后的风电功率P_Wref经过显示装置、变压器输出到电网中。其中储能控制装置两端的传输线路通过断路器连接，当该储能控制系统发生故障，风电场一侧的功率出现大幅波动时断路器断开，保护电网一侧不受影响。经储能控制系统作用后的功率P_Wref传入显示装置，通过显示装置可以观察到处理过后的风电功率的变化曲线。

储能控制系统中，蓄电池储能装置可采用基于三阶动态模型的铅酸蓄电池，其主要包括两个部分：主电路部分，这部分主要考虑的是蓄电池内部本身的欧姆效应、电极反应和蓄电池的能量发散等电路模型；辅助电路，这部分主要考虑了蓄电池的自放电现象和它的水解反应现象。

铅酸蓄电池的容量C是通过对蓄电池做放电电流实验得到的，由实验可以得出，蓄电池的容量主要与放电电流I和电解液的温度θ有关。

当蓄电池容量确定时，通过剩余容量与发电初始条件可以得到荷电状态(Stateof Charge，SOC)，充电深度(Depth of Charge，DOC)和放电深度(Depth of Discharge，DOD)。SOC、DOC、DOD的表达式如下：

式中C(0,θ)是铅酸蓄电池在温度θ时的额定容量；C(I_avg,θ)是铅酸蓄电池在温度θ，平均放电电流I_avg时的蓄电池容量；Q_e是蓄电池从零时刻起充放电的总电荷量。

在以上模型构建成功的基础上，对该风电功率的储能控制原理阐述如下，首先对图1-5及下述公式中涉及的基本术语进行介绍：

P_WO——风电场发出的有功功率；

P_Wf——风电场经一阶滤波后的期望输出有功功率；

ΔP₁——储能系统的期望输出功率也即上述两者的差值；

ΔP_B——该储能控制系统输出功率的附加量；

P_ref——该储能控制系统输出功率的参考量；

P_Wref——经过储能控制系统平抑后的风电功率；

P_WG——经过储能控制系统、变压器和输电线路后注入电网的功率；

SOC_A——蓄电池组的实际充放电容量；

SOC_i——蓄电池组不考虑边界条件的理想充放电容量；

SOC_G——期望输出功率参考量反馈所需的蓄电池组充放电容量；

SOC_B——蓄电池组的剩余容量；

C_E——蓄电池组的额定容量；

h,l——蓄电池的上、下边界裕度量百分比；

m——蓄电池的实际边界裕度百分比，l＜m＜h；

m×C_E——蓄电池的实际边界裕度；

h×C_E,l×C_E——蓄电池容量的上、下边界裕度；

C_Wf——风电场额定有功功率；

T_f——滤波装置时间常数；

F——反馈系数。

设该储能控制系统的有功功率参考值是基于一阶低通滤波器的原理得到，则风电场经一阶低通滤波器的期望输出功率为：

则储能控制系统的期望输出功率应为两者之差：

在蓄电池组容量足够大的理想条件下，储能控制系统的输出容量为其输出功率对时间的积分：

当蓄电池组容量足够大的情况下，不管风电场的输出功率作如何波动，储能系统都能及时进行动态调整，即将蓄电池的充电效率视为100％，这是一种理想情况，只有基本模块，如图2所示。

实际运行中，蓄电池容量不可能无限大，且蓄电池也会有自身损耗，所以要同时考虑蓄电池荷电状态和剩余容量裕度，图3即是考虑了电池组的荷电状态，保证了电池组的剩余容量在一定的范围内。

蓄电池组的剩余容量即为蓄电池组的额定容量与储能控制系统实际充放电容量之差(设蓄电池组放电时SOC_A为正，充电时SOC_A为负)，则有：

SOC_B＝C_E-SOC_A

为防止蓄电池组的过放电，要求剩余容量大于零，即有：

SOC_A＜C_E

考虑不同的时间常数T_f，可将蓄电池的剩余容量SOC_B(转换为考虑储能控制系统的实际充放电容量SOC_A)分为以下三种情况：

(A)当T_f＜C_E/C_Wf时，储能控制系统的实际充放电容量SOC_A小于蓄电池组的额定容量；

(B)当T_f＝C_E/C_Wf时，储能控制系统的实际充放电容量SOC_A等于蓄电池组的额定容量；

(C)当T_f＞C_E/C_Wf时，储能控制系统的实际充放电容量SOC_A大于蓄电池组的额定容量；

以时间t轴为横坐标，以风电场额定输出有功C_Wf为纵坐标可以绘制如图4(a)～(d)的四条曲线，其中(a)为目标输出曲线，(b)～(d)分别表示T_f＜C_E/C_Wf，T_f＝C_E/C_Wf，T_f＞C_E/C_Wf时风电场额定输出有功随时间变化的曲线。

当在情形(C)下时，储能控制系统的实际充放电容量SOC_A超出了蓄电池组的额定容量，且实际情况下，蓄电池内部也存在损耗，这时可以引入滤波装置的时间常数T_f的放缩系数k(或蓄电池组的定容量的放缩系数)，0＜k＜1，可以将对不同的风电输出额定功率C_Wf的补偿作用限定在蓄电池组能够承受的范围内，防止其过放电。此时有kT_f＝C_E/C_Wf，可以将T_f＞C_E/C_Wf这种情况下的蓄电池剩余容量控制成情形(B)。

蓄电池在实际运行中会有损耗，所以取一定的边界裕度来防止蓄电池过放电，可以将蓄电池剩余容量曲线通过加上附加控制量A(t)得到能到得到情形(A)。

所以，在实际运行中，我们可以将上述三种情况统一为含放缩系数k和附加控制量A(t)的情形(A)，并用统一的函数加以表达。

相关参量的理论推导如下所述。

考虑边界裕度，假设上下限裕度h,l(裕度可以根据用户自己设定，一般可取5％～10％)，这里设定h＝l，这样可以求得k值。

这时考虑边界裕度的kT_f倍的输出曲线函数为：

SOC_A＝kT_fP_Wf+l

附加量A(t)为

A(t)＝a(I(t)-kT_fP_Wf(t)-h)

其中，a为调整系数，I(t)为t时刻蓄电池充放电容量。

此时，储能控制系统考虑蓄电池剩余容量和损耗后输出功率的附加量为：

若同时考虑期望输出功率参考量的反馈信号，则储能控制系统输出功率的附加量为：

上述两式中的理想充放电容量SOC_i也需乘以放缩系数k，即：

该储能控制系统输出功率的参考信号P_ref对时间T_f的积分乘上反馈系数F(0＜F＜1)即为反馈容量：

综上所述，该储能控制系统输出功率的参考量为：

P_ref＝ΔP₁+ΔP_B

在上述储能控制系统的作用下，当储能控制系统输出功率的参考信号P_ref数值为正时，蓄电池呈放电状态；当功率P_ref数值为负时，储能系统吸收功率，蓄电池呈充电状态。由于储能系统能够快速补偿或者吸收风电场缺少或者多余的功率，所以当风电场加入储能系统后，起到了很好的平滑效果，风电系统和储能系统互补，联合给电力系统输出功率，此输出功率曲线对电网的影响也会比较小。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于平抑风电功率的储能控制系统，分别与风电场和电网连接，其特征在于，包括：滤波装置、数据采集处理装置、蓄电池储能装置、换流装置和控制装置；

所述滤波装置与风电场连接，用于将风电场发出的有功功率P_WO进行一阶滤波并输出风电场期望有功功率P_Wf；

所述数据采集处理装置，用于采集风电场、电网和蓄电池的信息，进行处理后得到储能控制系统的期望输出功率参考量P_ref＝ΔP₁+ΔP_B，其中ΔP₁为P_WO与P_Wf的差值，为储能控制系统的期望输出功率，ΔP_B为储能控制系统考虑蓄电池剩余容量和自身损耗以及期望输出功率参考量的反馈信号后输出功率的附加量；

所述换流装置接收数据采集处理装置输出的ΔP₁换流后输出至控制装置，所述控制装置以期望输出功率ΔP₁为控制信号，结合蓄电池储能装置的电荷状态、剩余容量以及期望输出功率参考量P_ref的反馈实时控制蓄电池组充放电量；

所述滤波装置的一阶滤波公式为：

$P_{Wf}=\frac{1}{1+{\mathrm{sT}}_f}{P}_{WO}$

其中，T_f是滤波装置时间常数；

储能控制系统输出功率的附加量ΔP_B的计算公式为：

${\mathrm{\ΔP}}_B=\frac{1}{T_f}\×({\mathrm{SOC}}_A-{\mathrm{SOC}}_i-{\mathrm{SOC}}_G-m\×C_E)$

其中，SOC_A是蓄电池组的实际充放电容量，SOC_i是蓄电池组不考虑边界条件的理想充放电容量，SOC_G是期望输出功率参考量反馈所需的蓄电池组充放电容量，C_E是蓄电池组的额定容量，m是蓄电池组的边界裕度百分比，l＜m＜h，h、l分别为蓄电池组的上、下边界裕度百分比。

2.根据权利要求1所述的用于平抑风电功率的储能控制系统，其特征在于，蓄电池组的实际充放电容量SOC_A和理想充放电容量SOC_i的计算公式为：SOC_A＝kT_fP_Wf+l，SOC_i＝kT_fP_WO，其中k是滤波装置的时间常数T_f的放缩系数；k的计算公式为：其中C_Wf是风电场额定有功功率。

3.根据权利要求1所述的用于平抑风电功率的储能控制系统，其特征在于，储能控制系统两端的传输线路通过断路器连接，当检测到风电场输出的功率波动超出设定的阈值时断路器断开。

4.根据权利要求1所述的用于平抑风电功率的储能控制系统，其特征在于，所述蓄电池储能装置采用基于三阶动态模型的铅酸蓄电池。