CN104682412A - 一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法 - Google Patents

一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法 Download PDF

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张元敏
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Abstract

一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法，本发明涉及风电技术领域，特别是涉及带有蓄电池和超级电容器混合储能装置的永磁直驱式风电系统，混合储能装置采用能量管理和控制策略。该系统由风力机、永磁直驱式同步发电机、机侧变流器、网侧变流器、超级电容器、蓄电池组、双向DC/DC变换器、控制器和电网接口组成。超级电容器和蓄电池在技术性能上进行优势互补，构建起基于蓄电池和超级电容器的新型混合储能系统，通过制定能量管理策略，实现储能元件充放电全过程的精确管理，延长储能装置的使用寿命，保持直流输出电压稳定，提高低电压穿越能力，将其应用于永磁直驱式风电系统，以提高储能系统和风电装备的整体性能。

Description

一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，具体涉一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法。
背景技术
风力发电已成为实现我国能源、电力可持续发展，保障生态环保的有效技术。然而风电系统输出功率具有很强的波动性、随机性特点，尤其是随着风电穿透功率不断提高，风电与电网之间的影响也越来越大，大规模风电并网给电力系统带来一系列技术难题。通过储能技术可以对风电机组输出功率进行调控，储能系统能将负荷低谷时段的电力存储起来并在负荷高峰时段释放，与风电联合应用可以平滑风电出力的波动性，完全能与风电功率互补。而在平滑风电的功率波动方面，储能系统既需要具备一定的快速大功率充放电能力，还需配置较大的储能容量，以满足对风电波动功率的快速持续补偿。
蓄电池的能量密度大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强；而超级电容器功率密度大，响应时间短、释放能力快，充放电效率高，循环寿命长，非常适合大功率充放电和循环充放电场合。超级电容器和蓄电池在技术性能上具有较强的互补性。有鉴于此，本发明提出一种永磁同步风电系统功率平抑的混合储能系统能量管理及控制方法，将蓄电池与超级电容器混合使用，建立起一种基于蓄电池和超级电容器的新型混合储能系统，通过制定能量管理策略，实现储能元件充放电全过程的精确管理，延长储能装置的使用寿命，保持直流输出电压稳定，提高低电压穿越能力，将其应用于永磁直驱式风电系统，以提高储能系统和风电装备的整体性能。
发明内容
  本发明的目的在于提供一一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法，可以应用于带有储能装置的风电系统中，通过构建基于蓄电池和超级电容器的混合储能系统结构，应用能量管理策略，设计适宜的储能系统控制策略，使混合储能系统进行快速、高效的功率吞吐，平抑风电功率波动，减少风电场输出功率波动对并网电力系统的冲击，同时提高系统的低电压故障穿越能力，保持电网不脱网运行。
 本发明将蓄电池与超级电容器混合使用，构成混合储能系统结构，将其应用于永磁直驱式风电系统中，该系统有机侧变流器、网侧变流器、超级电容器和蓄电池混合储能系统、两套双向DC/DC变换器、永磁直驱式风力发电机和电网接口组成，其中机侧变流器由三相不可控整流器、滤波电容和Boost变换器构成，用以实现对风力发电机的有功功率控制；网侧变流器用以控制直流侧电压和流入电网的无功，实现有功、无功的解耦控制；超级电容器和蓄电池储能系统复合使用，构成混合储能系统，通过各自的DC/DC变换器并入网侧变流器的直流侧，其中DC/DC Converter A用以控制蓄电池充放电过程，避免蓄电池在风电功率平抑过程中超倍率充放电，延长蓄电池的使用寿命；DC/DC Converter B负责超级电容器储能系统的充放电控制，以保持直流侧电压稳定。通过应用混合储能系统，实现直驱式风电系统的有功控制，通过采用控制策略，有效平抑风电功率波动， 保持风电系统不脱网运行。
为了充分发挥蓄电池和超级电容器的优势，使得在风电功率平抑中优势互补，应用如下能量管理策略。对于出现尖峰及往复性的风电功率波动，以及频率较高的风电功率波动，采用超级电容器储能系统进行风电功率平抑，对于长期稳态的风电功率波动或较为低频的风电功率波动，采用蓄电池储能系统进行功率平抑。
在能量管理策略中，以超级电容器作为优先响应，以其端电压为主控制变量，进行储能状态和释能状态的模式选择，具体模式如下：
设超级电容器端电压为                                                ，系统的总吞吐功率为，蓄电池充放电功率为，超级电容器充放电功率为，超级电容器上限电压为，超级电容器下限电压为，当风电输出功率大于实时调度目标值，储能系统进行蓄能，其具体策略为：
（1）当，通过DC/DC Converter B，以恒功率方式对超级电容器充电，通过DC/DC Converter A直接切除蓄电池储能装置，以延长蓄电池的使用寿命；
（2）当，通过DC/DC Converter B，超级电容器以恒功率方式吸收功率，同时通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置充电，；
（3）当，通过DC/DC Converter B，储能装置以恒功率吸收功率，同时通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置充电，超级电容器放电。
当风电功率小于调度目标值时，系统进入释能状态，具体策略为：
（1）当，通过DC/DC Converter A切除蓄电池储能装置，以延长蓄电池的使用寿命，通过DC/DC Converter B，超级电容器输出功率；
（2）当，通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置放电，通过DC/DC Converter B，超级电容器进行功率补偿，；
（3）当，通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置放电，通过DC/DC Converter B，超级电容器恒功率放电。
本发明的应用效果分析：
       通过构建超级电容器和蓄电池混合储能系统，实施能量管理策略，发挥了超级电容器和蓄电池储能的各自优势，实现了优势互补。减小了蓄电池的配置容量，节约了因采用蓄电池储能造成的功率超额配置成本，避免了蓄电池进行小循环、超倍率充放电，提高了使用寿命；充分发挥了超级电容器功率密度大的优势，有效控制储能系统快速、准确的功率吞吐，比单一储能系统的平抑效果好很多。
附图说明
图1为基于混合储能的直驱式风电系统结构图；
图2混合储能装置的能量管理策略图。
具体实施方式
  为了使从事风电技术相关领域人员能更好地理解本发明方案，下面参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
   参见图1，本系统提供了一个永磁直驱式同步风电系统，该系统包含风力机，直接和永磁同步发电机相连接，将风能转换为机械能，带动永磁同步发电机旋转；永磁同步发电机和机侧变流器连接，将机械能转化为电能输出；机侧变流器采用不可控整流电路和Boost变换器构成；网侧变换器采用全控型器件IGBT,通过逆变，将直流电转化为交流电，通过电网接口进行并网，图中变流器直流侧采用电容器作为电压支撑；超级电容器和蓄电池组构成混合储能装置，通过各自的双向DC/DC变换器并联于网侧变流器直流侧，构成了混合储能控制系统。
参见图2，为混合储能装置的能量管理策略，用以控制蓄电池组的双向DC/DC变换器（Converter A）控制蓄电池充放电过程，避免蓄电池在风电功率平抑过程中超倍率充放电，延长蓄电池使用寿命；用以控制超级电容器组的双向DC/DC变换器（Converter B）负责超级电容器充放电控制，以保持直流侧电压稳定。
能量管理策略通过具体的控制算法实现，通过具体的检测装置和系统设置，得到算法运行的相关参量，如超级电容器端电压，系统的总吞吐功率，蓄电池充放电功率，超级电容器充放电功率，超级电容器上限电压，超级电容器下限电压等，在具体在能量管理策略中，以超级电容器作为优先响应，以其端电压为主控制变量，进行储能状态和释能状态的模式选择，具体模式如下：
当风电输出功率大于实时调度目标值，储能系统进行蓄能，其具体策略为：
（1）当，通过DC/DC Converter B，以恒功率方式对超级电容器充电，通过DC/DC Converter A直接切除蓄电池储能装置，以延长蓄电池的使用寿命；
（2）当，通过DC/DC Converter B，超级电容器以恒功率方式吸收功率，同时通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置充电，；
（3）当，通过DC/DC Converter B，储能装置以恒功率吸收功率，同时通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置充电，超级电容器放电。
当风电功率小于调度目标值时，系统进入释能状态，具体策略为：
（1）当，通过DC/DC Converter A切除蓄电池储能装置，以延长蓄电池的使用寿命，通过DC/DC Converter B，超级电容器输出功率；
（2）当，通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置放电，通过DC/DC Converter B，超级电容器进行功率补偿，；
（3）当，通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置放电，通过DC/DC Converter B，超级电容器恒功率放电。
其中系统中参数的配置、有关检测仪表的选择，结合风电系统实际状况选取，系统中用到的算法编制，控制器设计等，可根据系统配置要求和功能自行设计。通过构建超级电容器和蓄电池混合储能系统，实施能量管理策略，发挥了超级电容器和蓄电池储能的各自优势，实现了优势互补。减小了蓄电池的配置容量，节约了因采用蓄电池储能造成的功率超额配置成本，避免了蓄电池进行小循环、超倍率充放电，提高了使用寿命；充分发挥了超级电容器功率密度大的优势，有效控制储能系统快速、准确的功率吞吐，比单一储能系统的平抑效果好很多。
     以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种永磁同步风电系统的储能系统的能量控制方法，其特征在于：系统由风力机——将风能转化为机械能、永磁直驱式同步发电机——将机械能转化为电能输出；机侧变流器——由不可控整流电路和Boost电路构成，将交流电转换为直流电；网侧变流器——由IGBT构成三相全控逆变桥，把直流电转化为交流电，进行风电并网；蓄电池组、超级电容器和两套双向DC/DC变换器——构成系统的混合储能装置；该系统的储能装置由蓄电池组和超级电容器混合构造，具有优势互补作用，通过两套双向DC/DC变换器和变流器进行功率交互，其中DC/DC Converter A用以控制蓄电池充放电过程，避免蓄电池在风电功率平抑过程中超倍率充放电，延长蓄电池的使用寿命；DC/DC Converter B负责超级电容器储能系统的充放电控制，以保持直流侧电压稳定；
对于出现尖峰及往复性的风电功率波动，以及频率较高的风电功率波动，采用超级电容器储能系统进行风电功率平抑，对于长期稳态的风电功率波动或较为低频的风电功率波动，采用蓄电池储能系统进行功率平抑；在能量管理策略中，以超级电容器作为优先响应，以其端电压为主控制变量，进行储能状态和释能状态的模式选择，具体模式如下：
设超级电容器端电压为                                                ，系统的总吞吐功率为，蓄电池充放电功率为，超级电容器充放电功率为，超级电容器上限电压为，超级电容器下限电压为，当风电输出功率大于实时调度目标值，储能系统进行蓄能，其具体策略为：
（1）当，通过DC/DC Converter B，以恒功率方式对超级电容器充电，通过DC/DC Converter A直接切除蓄电池储能装置，以延长蓄电池的使用寿命；
（2）当，通过DC/DC Converter B，超级电容器以恒功率方式吸收功率，同时通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置充电，；
（3）当，通过DC/DC Converter B，储能装置以恒功率吸收功率，同时通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置充电，超级电容器放电；
当风电功率小于调度目标值时，系统进入释能状态，具体策略为：
（1）当，通过DC/DC Converter A切除蓄电池储能装置，以延长蓄电池的使用寿命，通过DC/DC Converter B，超级电容器输出功率；
（2）当，通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置放电，通过DC/DC Converter B，超级电容器进行功率补偿，；
（3）当，通过DC/DC Converter A控制蓄电池储能装置放电，通过DC/DC Converter B，超级电容器恒功率放电。
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