CN104600742B - 一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法；该方法采用大约5％风电场额定装机容量的储能装置可以使得风电场产生与等容量同步发电机差不多的虚拟惯量效果。本发明通过测量风电场出口母线处的频率偏差、频率变化率，经过模糊逻辑处理后产生储能装置需要输出的有功指令。储能装置按照该指令输出功率补偿风电场的虚拟惯量。本发明有效评估了储能装置容量需求，可以用于指导风电场的储能容量配置；而且其控制器结构简单可靠、易于实现，为“友好型”风电场开发提供了基础，利于电网对大规模风电的消纳，提高风电并网电力系统的安全稳定运行水平。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法。
背景技术
随着并网风电容量的增加，风电渗透率不断提高，给包括频率稳定性在内的电力系统安全稳定运行带来了一系列的挑战。一般而言，常规同步发电机转子转速和系统频率之间直接耦合，能够直接响应系统频率变化，具有阻尼系统频率突变的作用，对系统呈现一定的惯量。然而利用变频器控制的风电机组通常与系统频率完全解耦，其转子动能被变频器控制“隐藏”。从系统的角度看，风电机组的转动惯量为零，大规模风电的接入将会明显减弱系统频率稳定能力。因此，国内最新发布的电网导则明确提出并网风电场需要提供和常规发电厂一样的惯量响应以及一次调频等附属功能。
李和明等人的“基于功率跟踪优化的双馈风力发电机组虚拟惯性控制技术”(中国电机工程学报，2012，32(07)，32～39)基于双馈机组的虚拟转动惯量与转速调节及电网频率变化之间的关系进行风电机组的功率动态跟踪，利用风电机组转子动能实现了风电机组的惯量补偿。不过该方案主要是针对风电机组实现惯量补偿，对于由数十台乃至上百台风电机组构成的风电场而言，在数量众多的风电机组之间协调分配风电场虚拟惯量补偿需要释放的功率、合理安排风电机组转速恢复时间以及保证机组安全稳定工作需要通过复杂的信息系统和机组间通讯来实现，这会导致该方案比较复杂，可靠性较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法，目的在于如何补偿风电场虚拟惯量，提高风电系统频率稳定性。
本发明提供了一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法，包括下述步骤：
(1)获得风电场惯量补偿需要的储能功率容量PESS，
(2)在距离风电场最近的风电场出口低压侧35kV母线上安装容量为PESS的储能装置；并实时采集该母线处的频率，并根据所述频率获得频率偏差和频率变化率；
(3)对所述频率偏差和频率变化率进行模糊逻辑处理，获得储能功率控制信号，用于控制所述储能装置的有功输出，实现风电场虚拟惯量补偿。
更进一步地，所述储能功率容量PESS大于3.92％倍的风电场额定装机容量。
更进一步地，所述储能装置的容量为所述风电场额定装机容量的5％。
更进一步地，步骤(3)具体为：
(3.1)设计频率偏差隶属度函数，对于输入变量频率偏差Δf，其隶属于不同模糊逻辑集{NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)}的隶属度如下：
通过该频率偏差隶属度函数可以得到所述频率偏差在不同模糊子集类上的隶属度，这样就可以用模糊子集类以及其隶属度来表示该频率偏差。
设计频率变化率隶属度函数，对于输入变量频率变化率其隶属于不同模糊逻辑集{NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)}的隶属度如下：
通过该频率变化率隶属度函数可以得到所述频率变化率在不同模糊子集类上的隶属度，这样就用模糊子集类以及其隶属度表示了该频率变化率。
(3.2)设计模糊逻辑推理规则下：
如果频率偏差是NL频率变化率是NL，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NL频率变化率是NM，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NL频率变化率是NS，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NL频率变化率是Z，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NL频率变化率是PS，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NL频率变化率是PM，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是NL频率变化率是PL，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是NM频率变化率是NL，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NM频率变化率是NM，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NM频率变化率是NS，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NM频率变化率是Z，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NM频率变化率是PS，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是NM频率变化率是PM，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是NM频率变化率是PL，则储能功率指令是PS；
如果频率偏差是NS频率变化率是NL，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NS频率变化率是NM，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是NS频率变化率是NS，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是NS频率变化率是Z，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是NS频率变化率是PS，则储能功率指令是PS；
如果频率偏差是NS频率变化率是PM，则储能功率指令是Z；
如果频率偏差是NS频率变化率是PL，则储能功率指令是NS；
如果频率偏差是Z频率变化率是NL，则储能功率指令是PL；
如果频率偏差是Z频率变化率是NM，则储能功率指令是PM；
如果频率偏差是Z频率变化率是NS，则储能功率指令是PS；
如果频率偏差是Z频率变化率是Z，则储能功率指令是Z；
如果频率偏差是Z频率变化率是PS，则储能功率指令是NS；
如果频率偏差是Z频率变化率是PM，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是Z频率变化率是PL，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PS频率变化率是NL，则储能功率指令是PS；
如果频率偏差是PS频率变化率是NM，则储能功率指令是Z；
如果频率偏差是PS频率变化率是NS，则储能功率指令是NS；
如果频率偏差是PS频率变化率是Z，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PS频率变化率是PS，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PS频率变化率是PM，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PS频率变化率是PL，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PM频率变化率是NL，则储能功率指令是NS；
如果频率偏差是PM频率变化率是NM，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PM频率变化率是NS，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PM频率变化率是Z，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PM频率变化率是PS，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PM频率变化率是PM，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PM频率变化率是PL，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PL频率变化率是NL，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PL频率变化率是NM，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PL频率变化率是NS，则储能功率指令是NM；
如果频率偏差是PL频率变化率是Z，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PL频率变化率是PS，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PL频率变化率是PM，则储能功率指令是NL；
如果频率偏差是PL频率变化率是PL，则储能功率指令是NL；
通过该规则得到不同频率偏差和频率变化率模糊子集类组合情况下的储能功率指令模糊子集类，同时根据最大-最小原则选择每个组合中较小的隶属度为储能功率指令的隶属度，这样就得到49个储能功率的模糊子集类和相应的隶属度；
(3.3)定义输出变量储能功率隶属度函数，对于输出变量储能功率P，其隶属于不同模糊逻辑集{NL(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PL(正大)}的隶属度如下：
根据上一步骤中的储能功率模糊子集类选择该模糊子集类隶属度函数中小于其隶属度的部分为储能功率可能存在的区域，这样就可以得到49个储能功率可能存在的区域；
(3.4)依据重心法对这49个储能功率可能存在的区域进行去模糊化处理，获得所述储能功率控制信号。
更进一步地，上述模糊逻辑推理规则的原则是频率偏差较大，或者是频率偏差变化率较大时，尽可能增大储能装置和系统交换能量；而系统频率偏差较小并且频率变化率接近零时，尽可能减小储能装置和系统交换能量，使得频率恢复稳定，这样使得上述储能装置按照“类梯形”方式输出有功功率，能够减小所需要的最大储能容量。
本发明得到了风电场惯量补偿所需要的储能装置容量，为电力系统风电场储能容量装置配置提供了基础；利用风电场出口低压侧母线处的频率偏差和频率变化率作为储能控制器的输入，能够有效的阻尼系统频率的突变和大幅度偏离标准值，利于电力系统频率稳定性的提高；直接对风电场进行惯量补偿，避免了对风电场内机组进行惯量控制带来的一系列通讯与协调问题，控制系统具有良好的可靠性和易实现性，具有一定的工程应用前景。
附图说明
图1本发明实施例提供的利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法的实现流程图；
图2本发明实施例提供的储能补偿风电场虚拟惯量示意图；
图3本发明实施例提供的模糊逻辑处理流程图；
图4本发明实施例提供的输入信号隶属度函数；其中(a)为频率偏差的隶属度函数，(b)为频率变化率的隶属度函数；
图5本发明实施例提供的输出信号隶属度函数；
图6本发明实施例提供的不同惯量补偿控制方式下响应曲线
图7本发明实施例提供的不同运行情况下系统频率响应；
图8本发明实施例提供的风电厂出口母线处以及储能装置的有功响应；其中(a)为风电场1出口低压侧母线有功，(b)为风电场2出口低压侧母线有功，(c)为风电场1和2储能装置的有功功率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明以风电场模拟等容量同步发电机惯量特性为目的，得到二者惯量响应过程中需要释放的能量相等，进而得出采用风电场装机容量约5％的储能装置能够使得风电场产生和等容量同步发电机相似的惯量效果，可提高大规模风电并网系统的频率稳定性。其具体的实现方法是测量风电场出口低压侧母线处的频率偏差和频率变化率，对其进行模糊逻辑处理产生储能装置功率控制信号，使得储能装置按照补偿风电场虚拟惯量的方式输出有功功率。可应用于“友好型”(友好型是指对常规电网冲击比较小，具体而言：具有低电压穿越能力；有功出力可以限定在一定的范围内；对电网呈现一定惯量)风电开发，可提高电网对风电的接纳能力，利于大规模风电接入电网的安全稳定运行。
本发明提出了一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法，该方法包括以下步骤：
步骤A：以风电场模拟等容量同步发电机惯量特性为目的，得到二者惯量响应过程中释放的能量相等。根据能量相等原则获得风电场惯量补偿需要的储能功率容量PESS大于3.92％倍的风电场装机容量。考虑到储能装置运行双向调节情况，对所计算得到的储能容量进行适量放宽，选择用于风电场虚拟惯量补偿的储能装置容量为5％的风电场装机容量；
步骤B：为了实现对整个风电场的惯量补偿(储能装置不能在风电场内)，同时对风电场惯量补偿具有最直接的控制效果(储能装置不能远离风电场)。因此，在距离风电场最近的风电场出口低压侧35kV母线安装容量为风电场装机容量5％的储能装置。同时监测该母线处频率情况，计算得到该处的频率偏差和频率变化率；
步骤C：对所述频率偏差和频率变化率进行模糊逻辑处理，获得储能功率控制信号，用于控制所述储能装置的有功输出，实现风电场虚拟惯量补偿。
如图3所示，对上述频率偏差和频率变化率进行的模糊处理过程如下：频率隶属度函数和频率变化率隶属度函数将输入的频率和频率变化率信号进行模糊化处理，得到输入信号的模糊子集类以及其隶属度，然后这些模糊子集类以及隶属度经过模糊逻辑推理表得到输出变量的模糊子集类，根据最大-最小原则确定其隶属度。最后输出变量的模糊子集类以及其隶属度经过储能功率隶属度函数转化成为对应的储能功率可能在的区域。最后依据重心法对这些储能功率可能存在的区域进行去模糊化处理，得到储能功率指令。
例如，频率是-1，其变化率是-0.15；根据如图4可以得到频率在7个子集中的隶属度分别为(0 1 0 0 0 0 0)，频率变化率的隶属度为(0 0 1 0 0 0 0)，接着频率的7个子集和频率变化率的7个子集两两组合得到49个组合，每一个组合(例如，NM和NS)根据模糊逻辑推理表中的结果得到该组合所对应的输出变量的模糊子集(PL)，将这取两个隶属度中较小的值作为该组合的隶属度(min(1，1)＝1)。根据该隶属度(1)和其所在的逻辑类(PL)，可以在储能功率所在区域为(储能隶属度函数中PL类中小于隶属度1的所有区域)。对所有49组数据均这样处理，得到49个储能功率可能存在的区域。最后采用重心法则对这些数据进行去模糊化处理。
其中重心法则如下，对于上述横坐标是储能功率p，纵坐标是其隶属度函数的u(P)的49个功率区域块，其储能功率输出为：
其中步骤A中理论推导得到风电场惯量补偿需要的储能功率容量的具体方法为：
步骤A1：类比与同步发电机惯量表达式，定义储能装置安装在风电场出口低压侧35kV母线的风-储联合运行系统的虚拟惯量为：(1)；式中ΔTe *表示风-储联合运行系统的电磁转矩增量的标幺值，表示风-储联合运行系统等效发电机转子转速变化率的标幺值。
步骤A2：系统频率变化率和等效同步发电机转子转速变化率之间满足Δω＝2πΔf，二者的标幺值相同，可以将式(1)改写为：
步骤A3：某系统频率变化率未改变符号的一小段时间Δt内，式(5)两边同时对时间求取积分得到风-储联合运行系统虚拟惯量的平均值为：
式(2)-(3)中：f*(t)表示系统t时刻的频率标幺值，f*(t+Δt)表示系统t+Δt时刻的频率标幺值，ΔPe *表示风-储联合运行系统的有功增量标幺值，ΔE*表示风-储联合运行系统在Δt时间内释放的能量标幺值。
步骤A4：根据式(3)的定义可以推断：在系统频率发生变化的时间内，只需风-储联合运行系统释放的能量和同步发电机释放的能量相同，二者对系统的惯量作用效果就是一致的。
步骤A5：一般电力系统频率安全运行范围为48Hz-51.5Hz，由于同步发电机转速和系统频率二者相互耦合。在正常惯量响应过程中同步发电机的转速变化范围通常为0.96pu～1pu或者1pu～1.03pu。这样，同步发电机在惯量响应过程中能够释放的最大转子动能为：
步骤A6：发电机额定转速运行时，存储的转子动能为式(4)可以改写为：ΔEkmax＝0.0392PNTJ (5)
步骤A7：设定风-储联合系统在惯量响应的ΔT时间内释放的能量与同步发电机能够释放的最大转子动能相等，可以得到：
ΔEESS＝ΔEkmax＝PESS*ΔT＝0.0392PNTJ (6)
步骤A8：电力系统惯量响应时间约为10秒，与同步发电的惯量时间常数差不多。可以假定ΔT＝TJ，则储能装置的功率容量为：
PESS＝0.0392PN (7)
式(4)-(7)中，ΔEESS为储能释放的能量；TJ为发电机惯性时间常数；PN为同步发电机的额定功率，其值和风电场的装机容量一致；PESS为储能的功率容量。
步骤A9：考虑到储能装置上下双向调节的情况，相比于计算情况储能的功率容量需要进行适当的放宽。因此，风电场需要配置的储能功率容量可以考虑取为风电场额定容量的5％。
其中步骤C中储能控制器的模糊逻辑推理原则可以使得储能装置按照“类梯形”方式输出有功功率。如图6所示，各控制方式下风-储联合运行系统参与系统惯量控制的能量相同，即其进行惯量控制的时间0～t1中，其功率输出曲线与横坐标围住的面积相等。只有采用本发明所提的模糊逻辑推理控制方式输出的最大储能功率最小，可以减少风电场虚拟惯量补偿对所需储能装置的容量需求。
本发明包括以下优点和技术效果：
(1)机理明确：通过合理的假设，得到了风电场惯量补偿所需要的储能装置容量，为电力系统风电场储能容量装置配置提供了基础；
(2)效果明确：利用风电场出口低压侧母线处的频率偏差和频率变化率作为储能控制器的输入，能够有效的阻尼系统频率的突变和大幅度偏离标准值，利于电力系统频率稳定性的提高；
(3)实用性强：直接对风电场进行惯量补偿，避免了对风电场内机组进行惯量控制带来的一系列通讯与协调问题，控制系统具有良好的可靠性和易实现性，具有一定的工程应用前景。
表1
以某含有大规模风电并网的电力系统为例，采用PSCAD/EMTDC仿真软件来验证本发明对风电场的惯量补偿效果，进而验证本发明的合理性。
第一步：根据风电场的装机容量求取需要配置的储能功率容量，其中风电场1装机容量为2000MW，其需要配置的储能功率容量为2000*5％＝100MVA；风电场2的额定装机容量为400MW，其需要配置的储能功率容量为400*5％＝20MVA。
第二步：分别在风电场1和风电场2出口35kV母线处安装第一步所计算出来的储能装置。测量风电场1和2的出口低压侧母线频率，计算得到该处的频率偏差和频率变化率。
第三步：风电场出口母线处的频率偏差变化范围为-2～1Hz，频率变化率范围为-0.6～0.6Hz/s，输出为储能装置的功率指令值变化范围为-1～1pu(其中放电为正，充电为负)。根据前文的隶属度函数的定义情况，可以画出频率偏差和频率变化率的隶属度函数分别如图4(a)和(b)所示，利用该隶属度函数对频率偏差和频率变化率进行模糊化处理，得到输它们在各个模糊子集上的隶属度。依据上述提供的模糊逻辑推理规则可以得到如表1所示模糊逻辑推理原表。根据表1所示的模糊推理原则以及如图5所示的储能功率隶属度函数根据中心法则进行去模糊化处理得到如图6所示的“类梯形”储能功率控制信号，控制储能装置依据该指令输出有功功率，阻尼系统频率的变化率，减小系统的频率最大频率偏差，这样就实现了风电场虚拟惯量补偿，使得其具有和同步发电机类似的频率响应能力。
第四步：控制方法有效性验证。在PSCAD/EMTDC仿真软件下搭建上述风电电力系统、储能装置、以及相应的控制器。5.0s时，系统的有功负荷突增450MW情况下，风电场无惯量控制、有本发明所提惯量控制以及采用等容量等惯量常数的同步发电机取代风电场(常规发电)情况下的系统频率如图7所示，风电场1和2低压侧出口母线处有功分别如图8(a)、(b)所示，风电场1和2处的储能装置有功功率如图8(c)所示。图7表明本发明所提的控制策略可以有效提高风电场的虚拟惯量，阻尼了系统的频率变化率，减小了系统频率的最大偏差。图8表明所使用的模糊逻辑控制策略使得储能装置按照“类梯形”方式输出了有功功率。图7和8共同表明采用风电场额定装机容量约5％的储能装置能够有效的提高风电场的虚拟惯量，使得风电场产生与等容量同步发电机差不多的虚拟惯量效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种利用储能装置补偿风电场虚拟惯量的方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)获得风电场惯量补偿需要的储能功率容量PESS，
(2)在距离风电场最近的风电场出口低压侧35kV母线上安装容量为PESS的储能装置；并实时采集该母线处的频率，并根据所述频率获得频率偏差和频率变化率；
(3)对所述频率偏差和频率变化率进行模糊逻辑处理，获得储能功率控制信号，用于控制所述储能装置的有功输出，实现风电场虚拟惯量补偿；
所述储能功率容量PESS大于3.92％倍的风电场额定装机容量；
所述储能装置的容量为所述风电场额定装机容量的5％。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述模糊逻辑处理根据以下原则：频率偏差较大，或者是频率变化率较大时，尽可能增大储能装置和系统交换能量；而系统频率偏差较小并且频率变化率接近零时，尽可能减小储能装置和系统交换能量，使得频率恢复稳定。
Priority Applications (1)
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