CN104836248A - 适用于风电机组的混合储能系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

适用于风电机组的混合储能系统及控制方法，该系统包括混合储能装置、储能双向变流器、电网接入模块和能量管理系统；混合储能装置通过储能双向变流器连接至电网接入模块，能量管理系统连接储能双向变流器。混合储能系统中的储能双向变流器可以基于锂电池在没有外围供电的情况下实现自启动，建立交流母线电压并启动钒液流电池而扩大储能系统容量，从而使得风电机组能够和混合储能系统在孤岛模式下联合运行，满足电网黑启动的要求。

Description

适用于风电机组的混合储能系统及控制方法

技术领域：本发明涉及一种适用于风电机组单机的混合储能系统，包括多种不同类型的储能装置、用于储能系统并网和功率控制的双向变流器及其控制方法、以及满足不同应用模式要求的储能系统功率动态调节策略。

背景技术：由于风电机组的输出功率受风速变化影响，风速的随机性、波动性等特点给风电机组并网带来了一些困难。风电机组并入电网主要影响包括以下几个方面：

(1)由于风速的变化导致风机输出功率出现大幅度变化，直接影响电力系统运行的稳定性；

(2)当电网运行发生故障时，受低压穿越能力限制将使风场处于离网状态，这就导致电网运行状况恶化；

(3)风电机组的功率受风速变化的限制，输出功率的预测有一定的难度，风电机组功率可调度性差；

(4)当并网后的风电场受到大幅度的扰动时，电网无法承受其扰动带来的影响；风电接入电网后严重影响原有电力系统的运行方式，这就对电网的容量提出更大的需求。

而且目前大功率风电机组属于并网型机组，在电网故障时即便有充足的风能，风电机组无法实现自启动和孤岛运行，无法作为电网黑启动电源。

发明内容

发明目的：本发明提供一种适用于风电机组的混合储能系统，其目的是解决以往的方式所存在的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种适用于风电机组的混合储能系统，其特征在于：该系统包括混合储能装置、储能双向变流器、电网接入模块和能量管理系统；混合储能装置通过储能双向变流器连接至电网接入模块，能量管理系统连接储能双向变流器。

混合储能装置包括全钒液流电池和锂电池两种，钒液流电池和锂电池采用DC/DC变换装置通过直流母线链接，并一起接入储能双向变流器，DC/DC变换装置与能量管理系统连接。

储能双向变流器采用双环控制器，内环为储能系统电流环，外环为混合储能直流电压环，混合储能系统电流环采用模糊PID控制器，电压环控制器输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入；

前馈模糊自适应PID控制方法为：引入d轴、q轴电压耦合项，使状态方程解耦，采用开环控制方式补偿可测量的扰动信号，然后把规则的条件用模糊集来表示，并将模糊控制规则作为知识存入计算机的数据库中，根据不同的偏差、偏差变化率通过模糊推理在线调整PID参数K_P、K_I、K_D，实现对系统的灵活控制；

模糊控制器的输入变量是电流d-q轴分量及其变化率的模糊变量E和EC，本模糊控制器为双输入单输出，选取7个模糊语言变量为控制器的输入变量，也就是负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB。选取模糊变量E的论域为[-6,6]，实际范围为[-24,24]。在实现模糊控制的过程中，选用三角隶属度函数表征模糊变量的隶属关系；

当E较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的K_P，但为了避免由于初始时的误差瞬间变大可能出现的微分饱和而使控制作用溢出许可的范围，应取较小的K_D，同时避免出现积分饱和现象，一般取K_I为0；

当偏差E处于中等大小时，K_P应取值小些，从而使系统的响应具有较小的超调量，同时K_I的取值要恰当。在这种情况下，为保证系统的响应速度，此时K_D的取值要适中；

当偏差E较小即接近设定值时，此时要增大K_P、K_I的取值而使系统具有良好的稳定性，同时应增加系统的抗干扰性能以避免在系统的设定值附近出现大幅度的震荡。当EC较小时，K_D取值增加，当EC较大时，K_D取值减小；

混合储能系统的实时有功和无功功率由能量管理模块进行动态调节，根据工作模式的不同决定混合储能系统总的功率，并通过DC/DC调节电池侧直流电压实现功率的分配，功率分配的过程实现钒液流电池SOC(荷电状态)调节。

保证混合储能系统总功率满足应用要求的前提下通过两种电池功率分配采用滑模变结构控制器调节钒液流电池的SOC；

为了避免钒液流电池系统的电池饱和和放电能力不足，滑模变结构SOC调节控制器在设计滑动面时，让SOC处在0.2-0.8之间，这样就把电池的实际状况直接考虑在控制器的设计中，这样可以在基本不影响补偿风电机组出口的功率的基础上，延长电池的实用寿命，直接带来经济价值；

滑模控制器的输入为注入电网功率实际值及其参考值之差为：

e_P＝P-P^*

系统的滑动面方程为：

$s_p=e_p+c{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^t{e}_p\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}.$

混合储能系统中的储能双向变流器可以基于锂电池在没有外围供电的情况下实现自启动，建立交流母线电压并启动钒液流电池而扩大储能系统容量，从而使得风电机组能够和混合储能系统在孤岛模式下联合运行，满足电网黑启动的要求。

该方法的详细步骤如下：

本发明所用变流器模型为四象限运行变流器模型，四象限变流器交流侧在三相静止abc坐标系下的电压、电流关系方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+R{i}_a=E_{sa}-E_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+R{i}_b=E_{sb}-E_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+R{i}_c=E_{sc}-E_c\end{array}\right.$

其中：i_a，i_b，i_c为交流部分的三相电流；E_sa，E_sb，E_sc为交流部分三相电压；E_a，E_b，E_c为四象限变流器交流部分三相电压；

采用三相桥壁开关信号为：关断

与交流部分频率同步旋转的dq坐标系下的变流器模型：

$\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R}{L}& \mathrm{\ω}\\ -{\mathrm{\ω}}_l& -\frac{R}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{U}_{dc}{m}_d-E_{sd}\\ \frac{U_{dc}{m}_q}{L}\end{array}\right]$

其中，四象限运行变流器直流部分电压、电流关系方程为：

$\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=\frac{m_d{i}_d+m_q{i}_q-i_0}{C}$

其中上面两式：ω为交流部分相电压的角频率；E_sd为交流部分矢量的d轴分量；U_dc为直流部分电压；i_d、i_q分别为交流部分电流矢量的d轴分量、q轴分量；m_d、m_q为变流器开关函数的dq轴分量；

四象限运行变流器输出的有功功率和无功功率的数学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}P=E_{sd}{i}_d\\ Q=-E_{sd}{i}_q\end{array}\right.$

dq轴的电流不仅受U_d、U_q的影响，而且还受电网电压和的影响，而且还受电网电压和ωLi_d、ωLi_q的影响，所以本发明采用电压前馈补偿来实现d-q电流的解耦。

本发明把电网电压定向于d轴，此时q轴的电压分量为0；

当有功功率大于零时，表示从电网吸收能量，此时变流器工作于整流状态；当有功功率小于零时，表示从直流侧向电网馈入能量，此时变流器工作于逆变状态；当无功功率大于零时，表示从电网吸收超前的无功功率；当无功功率小于零时，表示从电网吸收滞后的无功功率。通过控制电流的dq轴分量即可实现对变流器吸收的有功功率和无功功率的控制；

通过控制电流在dq轴上的分量，直接控制有功功率和无功功率的输出，实现有功功率和无功功率的单独控制；

网侧变流器的控制采用内环为电流环，外环为电压环的形式，电压环以直流电压U_dc以及差值作为输入，经过模糊PID调节器的作用，输出电流i^* _d，输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入，输出电网电压的d轴分量U_d，电压的dq轴分量经过Park逆变换后，通过空间矢量脉宽调制控制逆变器的工作状态。

储能系统变流器的模糊PID控制方法如下：

引入d轴、q轴电压耦合项，使状态方程解耦，通过对电网扰动电压采取前馈补偿，也就是采用开环控制方式补偿可测量的扰动信号，然后把规则的条件用模糊集来表示，并将模糊控制规则作为知识存入计算机的数据库中，根据不同的偏差、偏差变化率通过模糊推理在线调整PID参数K_P、K_I、K_D，实现对系统的灵活控制；

d轴与q轴的电流控制方式基本相同，下面仅以d轴电流分量进行模糊PID控制器设计；

模糊控制器的输入变量是电流d-q轴分量及其变化率的模糊变量E和EC，本模糊控制器为双输入单输出，选取7个模糊语言变量为控制器的输入变量，也就是负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB，选取模糊变量E的论域为[-6,6]，实际范围为[-24,24]，在实现模糊控制的过程中，选用三角隶属度函数表征模糊变量的隶属关系；

在以上控制过程中：

1)当E较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的K_P，但为了避免由于初始时的误差瞬间变大可能出现的微分饱和而使控制作用溢出许可的范围，应取较小的K_D，同时避免出现积分饱和现象，一般取K_I为0；

2)当偏差E处于中等大小时，K_P应取值小些，从而使系统的响应具有较小的超调量，同时K_I的取值要恰当。在这种情况下，为保证系统的响应速度，此时K_D的取值要适中；

3)当偏差E较小即接近设定值时，此时要增大K_P、K_I的取值而使系统具有良好的稳定性，同时应增加系统的抗干扰性能以避免在系统的设定值附近出现大幅度的震荡。当EC较小时，K_D取值增加，当EC较大时，K_D取值减小；

(3)混合储能系统功率的控制：

混合储能系统可根据电网调度指令控制充放电功率，或根据风电机组出力进行功率平滑，功率平滑模式中，风电机组输出功率参考值采用基于一阶低通滤波器的方法确定，将实际的风电场输出功率曲线通过滤波器，将曲线中快速波动的部分滤掉，得到一条较为平滑的曲线，作为风电场期望输出功率曲线；

基于一阶低通滤波器的控制策略是将注入电网的功率设计为式中f_c为滤波器的截止频率；则储能系统充放电参考功率为 $P_{ref}=\frac{Ts}{1+Ts}{P}_w,$

此时，经过功率平抑后注入电网的功率的变化率和功率的平滑度都与时间常数T有关；T的值越大，注入电网的功率变化率越小，输出的功率也就越平滑。

优点及效果：本发明提供一种适用于风电机组的混合储能系统及控制方法，储能系统能够从电网吸收多余能量并可以在必要时作为补充向电网回馈能量的特点，可作为风电机组和电网之间的有效缓冲，能有效抑制由于风速的随机性和波动性而导致的风电机组输出功率的波动性问题，提高风力发电机组的电能质量和对电网的支撑能力。混合储能系统可以根据不同工况需求发挥各自在功率、容量及转换效率等方面的优势，实现不同储能装置的特性互补。

发挥不同储能装置在功率、容量及转换效率等方面的优势，实现不同储能装置的特性互补，达到提高风电机组电能质量、平滑输出功率，实现大功率风电机组孤岛运行，并使风电机组满足电网调频、黑启动电源要求。

本发明提出的适用于风电机组的混合储能系统，面向电力系统应用，由钒液流电池和锂电池为储能元件，利用储能双向DC/AC变流器连接到风电机组的交流母线。风电机组功率输出点作为混合储能系统数据采集点，利用钒液流电池的充放电补偿风电机组出口的功率，使机组的输出功率贴近参考值，达到进行消峰填谷、功率平滑和稳定出口电压的目的，利用锂电池在孤岛运行和黑启动时作为电源启动混合储能系统，并进一步启动风电机组。

钒液流电池、锂电池采用DC/DC变换装置通过直流母线链接，并通过储能双向变流器实现充放电及功率控制。储能双向变流器采用双环控制器，内环为储能系统电流环，外环为混合储能直流电压环。混合储能系统电流环采用模糊PID控制器，电压环控制器输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入。

能量管理模块负责调节混合储能系统的实时有功和无功功率进行动态调节，根据工作模式的不同决定混合储能系统总的功率，并通过DC/DC调节电池侧直流电压实现功率的分配，功率分配的过程通过滑模变结构控制器在保证混合储能系统总功率满足应用要求的前提下通过两种电池功率分配采用滑模变结构控制器调节钒液流电池的SOC，达到延长电池寿命，提高设备利用效率的目的。

混合储能系统中的储能双向变流器可以基于锂电池在没有外围供电的情况下实现自启动，建立交流母线电压并启动钒液流电池而扩大储能系统容量，从而使得风电机组能够和混合储能系统在孤岛模式下联合运行，满足电网黑启动的要求。

附图说明：

图1为适用于风电机组的混合储能系统组成与结构；

图2为储能双向变流器双环结构控制框图；

图3为储能变流器电流内环模糊PID控制图。

具体实施方式：下面对本发明做进一步的描述：

(1)系统的组成结构：

适用于风电机组的混合储能系统主要由混合储能装置、储能双向变流器、电网接入模块、能量管理系统组成。混合储能装置通过储能双向变流器连接至电网接入模块，能量管理系统连接储能双向变流器。储能混合装置由钒液流电池、锂电池两种(或两种以上)不同类型储能装置组成。钒液流电池满足风电机组对储能系统的功率和容量要求，锂电池实现对钒液流电池本身伺服系统供电，并缓解钒液流电池不同电池组启停过程的冲击。两种不同类型的储能容量可根据风电机组类型进行差异化配置，减小不同工况下储能自耗电。钒液流电池、锂电池采用DC/DC变换装置通过直流母线链接。

由于钒液流电池充放电过程是可逆的。在钒液流电池处于充电状态时，电池将电能转换为化学能储存起来，当钒液流电池处于放电状态下时，电池将钒离子溶液的化学能转换为电能释放出来。在充放电的过程中，随着不同价态的钒离子溶液浓度的变化，从而实现电能和化学能相互转换。

单个钒液流电池的开路电压为：

$V_{cell}=1.259-\frac{RT}{F}\ln \frac{\[{\mathrm{VO}}^{2+}\]\[V^{3+}\]}{\[{\mathrm{VO}}_2^{+}\]{\[H^{+}\]}^2\[V^{2+}\]}$

其中，R为气体常数，数值为8.3143J/K·mol，T为开氏温度，F为法拉第常数，数值上等于1mol电子所带电量，VO³⁺等为电池反应离子。

钒液流电池的荷电状态SOC的表达式为：

$SOC=\frac{E_{st}}{E_{cap}}$

其中，E_st为某一时刻钒液流电池的剩余容量，E_cap为钒液流电池处于充电饱和时电池的容量。

钒液流电池的荷电状态方程为：

SOC＝SOC_t-1+ΔSOC

$\mathrm{\Δ}SOC=\frac{V_0{I}_s\mathrm{\Δ}t}{P_{rated}{T}_{rated}}$

以前一时间t的SOC值作为后一时间的输入基值，经过△t后，计算出下一时刻的SOC值。

(2)变流器控制方法：

钒液流电池、锂电池采用DC/DC变换装置通过直流母线链接，并通过储能双向变流器实现充放电及功率控制。储能双向变流器采用双环控制器，内环为储能系统电流环，外环为混合储能直流电压环。混合储能系统电流环采用模糊PID控制器，电压环控制器输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入。

为了实现交流部分和直流部分的钒液流电池组之间的能量的相互交换，本发明所用变流器模型为四象限运行变流器模型。四象限变流器交流侧在三相静止abc坐标系下的电压、电流关系方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+R{i}_a=E_{sa}-E_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+R{i}_b=E_{sb}-E_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+R{i}_c=E_{sc}-E_c\end{array}\right.$

其中：i_a，i_b，i_c为交流部分的三相电流；E_sa，E_sb，E_sc为交流部分三相电压；E_a，E_b，E_c为四象限变流器交流部分三相电压。

采用三相桥壁开关信号为：关断

与交流部分频率同步旋转的dq坐标系下的变流器模型：

$\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R}{L}& \mathrm{\ω}\\ -{\mathrm{\ω}}_l& -\frac{R}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{U}_{dc}{m}_d-E_{sd}\\ \frac{U_{dc}{m}_q}{L}\end{array}\right]$

其中，四象限运行变流器直流部分电压、电流关系方程为：

$\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=\frac{m_d{i}_d+m_q{i}_q-i_0}{C}$

其中上面两式：ω为交流部分相电压的角频率；E_sd为交流部分矢量的d轴分量；U_dc为直流部分电压；i_d、i_q分别为交流部分电流矢量的d轴分量、q轴分量；m_d、m_q为变流器开关函数的dq轴分量。

四象限运行变流器输出的有功功率和无功功率的数学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}P=E_{sd}{i}_d\\ Q=-E_{sd}{i}_q\end{array}\right.$

dq轴的电流不仅受U_d、U_q的影响，而且还受电网电压和的影响，而且还受电网电压和ωLi_d、ωLi_q的影响，所以本发明采用电压前馈补偿来实现d-q电流的解耦。

本发明把电网电压定向于d轴，此时q轴的电压分量为0。

当有功功率大于零时，表示从电网吸收能量，此时变流器工作于整流状态；当有功功率小于零时，表示从直流侧向电网馈入能量，此时变流器工作于逆变状态；当无功功率大于零时，表示从电网吸收超前的无功功率；当无功功率小于零时，表示从电网吸收滞后的无功功率。通过控制电流的dq轴分量即可实现对变流器吸收的有功功率和无功功率的控制。

通过控制电流在dq轴上的分量，直接控制有功功率和无功功率的输出，实现有功功率和无功功率的单独控制。

网侧变流器的控制采用内环为电流环，外环为电压环的形式。电压环以直流电压U_dc以及差值作为输入，经过模糊PID调节器的作用，输出电流i^* _d，输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入，输出电网电压的d轴分量U_d。电压的dq轴分量经过Park逆变换后，通过空间矢量脉宽调制控制逆变器的工作状态。

储能系统变流器的模糊PID控制方法如下：

引入d轴、q轴电压耦合项，使状态方程解耦，通过对电网扰动电压采取前馈补偿，也就是采用开环控制方式补偿可测量的扰动信号。然后把规则的条件用模糊集来表示，并将模糊控制规则作为知识存入计算机的数据库中，根据不同的偏差、偏差变化率通过模糊推理在线调整PID参数K_P、K_I、K_D，实现对系统的灵活控制。

d轴与q轴的电流控制方式基本相同，下面仅以d轴电流分量进行模糊PID控制器设计。

模糊控制器的输入变量是电流d-q轴分量及其变化率的模糊变量E和EC，本模糊控制器为双输入单输出。选取7个模糊语言变量为控制器的输入变量，也就是负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB。选取模糊变量E的论域为[-6,6]，实际范围为[-24,24]。在实现模糊控制的过程中，选用三角隶属度函数表征模糊变量的隶属关系。

表1 K_P的模糊规则表

表2 K_I的模糊规则表

表3 K_D的模糊规则表

在以上控制过程中：

1)当E较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的K_P，但为了避免由于初始时的误差瞬间变大可能出现的微分饱和而使控制作用溢出许可的范围，应取较小的K_D，同时避免出现积分饱和现象，一般取K_I为0。

2)当偏差E处于中等大小时，K_P应取值小些，从而使系统的响应具有较小的超调量，同时K_I的取值要恰当。在这种情况下，为保证系统的响应速度，此时K_D的取值要适中。

3)当偏差E较小即接近设定值时，此时要增大K_P、K_I的取值而使系统具有良好的稳定性，同时应增加系统的抗干扰性能以避免在系统的设定值附近出现大幅度的震荡。当EC较小时，K_D取值增加，当EC较大时，K_D取值减小。

(3)混合储能系统功率的控制：

混合储能系统可根据电网调度指令控制充放电功率，或根据风电机组出力进行功率平滑。功率平滑模式中，风电机组输出功率参考值采用基于一阶低通滤波器的方法确定，将实际的风电场输出功率曲线通过滤波器，将曲线中快速波动的部分滤掉，得到一条较为平滑的曲线，作为风电场期望输出功率曲线；

基于一阶低通滤波器的控制策略是将注入电网的功率设计为式中f_c为滤波器的截止频率；则储能系统充放电参考功率为 $P_{ref}=\frac{Ts}{1+Ts}{P}_w.$

此时，经过功率平抑后注入电网的功率的变化率和功率的平滑度都与时间常数T有关；T的值越大，注入电网的功率变化率越小，输出的功率也就越平滑。

本发明是在传统低通滤波器的基础上，考虑钒液流电池的实际情况，即当所需的功率超过钒液流电池储能系统可以充电和放电的最大能量时，在考虑以上因素的基础上设计了滑模变结构控制器控制钒液流电池的过载和变流器直流电压的稳定，使钒液流电池一直工作在合理范围，延长了储能系统的寿命。

(4)混合储能系统功率分配及SOC调节方法：

能量管理系统根据所采集的数据，并且结合相关运行标准和系统的运行状况通过直流母线对混合储能系统进行并行功率分配。

为了避免钒液流电池系统的电池饱和和放电能力不足，在设计滑动面时，让SOC处在0.2-0.8之间，锂电池实现对钒液流电池本身伺服系统供电，并缓解钒液流电池不同电池组启停过程的冲击,这样就把电池的实际状况直接考虑在控制器的设计中，这样可以在基本不影响补偿风电机组出口的功率的基础上，延长电池的实用寿命，直接带来经济价值。

根据总的储能系统参考功率P_ref、钒液流电池和锂电池的容量，将总的储能系统参考功率分成P_ref1和P_ref2，分别为钒液流电池和锂电池的参考功率。

钒液流电池和锂电池的滑动面设计类似，这里以钒液流电池滑动面设计为例。

定义滑模控制器的输入为注入电网功率实际值及其参考值之差，

e_P＝P-P^*

定义系统的滑动面方程为：

$s_p=e_p+c{\∫}_{-\mathrm{\∞}}^t{e}_p\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

式中c为常数。

要保证系统状态在开始时刻就处于滑动面上，消除到达的阶段，给定适当的积分器初始状态：

$I_p={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^0{e}_p\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}=-\frac{e_p}{c}$

系统初始状态就处在滑动面上，在ds_p/dt＝0的条件下，系统沿着滑动面运动。

当钒液流电池系统脱离设计的滑动面时，将会通过开关控制将系统拉回到滑动面上，在回到滑动面的过程中采用指数趋近律来降低滑模变结构的抖振和回复时间。指数趋近律如下：

ds_p/dt＝-k_p1s_p-k_p2sgn(s_p)

其中K_p1>0，K_p2>0。

以上过程中，低通滤波器的时间常数选取由我们所要平抑的效果决定，时间常数T越大，平滑效果越好，需要的钒液流电池系统容量也就越大。

由于在设计滑动面时，已经将钒液流电池的荷电状态限制在0.2-0.8，并且锂电池会承担部分负荷所以整个过程中不会出现电池饱和和放电能力不足。

总体而言，混合储能系统中的储能双向变流器可以基于锂电池在没有外围供电的情况下实现自启动，建立交流母线电压并启动钒液流电池而扩大储能系统容量，从而使得风电机组能够和混合储能系统在孤岛模式下联合运行，满足电网黑启动的要求。

Claims (9)

1.一种适用于风电机组的混合储能系统，其特征在于：该系统包括混合储能装置、储能双向变流器、电网接入模块和能量管理系统；混合储能装置通过储能双向变流器连接至电网接入模块，能量管理系统连接储能双向变流器。

2.根据权利要求1所述的适用于风电机组的混合储能系统，其特征在于：混合储能装置包括全钒液流电池和锂电池两种，钒液流电池和锂电池采用DC/DC变换装置通过直流母线链接，并一起接入储能双向变流器，DC/DC变换装置与能量管理系统连接。

3.根据权利要求1所述的于风电机组的混合储能系统的控制方法，其特征在于：储能双向变流器采用双环控制器，内环为储能系统电流环，外环为混合储能直流电压环，混合储能系统电流环采用模糊PID控制器，电压环控制器输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入；

前馈模糊自适应PID控制方法为：引入d轴、q轴电压耦合项，使状态方程解耦，采用开环控制方式补偿可测量的扰动信号，然后把规则的条件用模糊集来表示，并将模糊控制规则作为知识存入计算机的数据库中，根据不同的偏差、偏差变化率通过模糊推理在线调整PID参数K_P、K_I、K_D，实现对系统的灵活控制；

模糊控制器的输入变量是电流d-q轴分量及其变化率的模糊变量E和EC，本模糊控制器为双输入单输出，选取7个模糊语言变量为控制器的输入变量，也就是负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB；选取模糊变量E的论域为[-6,6]，实际范围为[-24,24]；在实现模糊控制的过程中，选用三角隶属度函数表征模糊变量的隶属关系；

当E较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的K_P，但为了避免由于初始时的误差瞬间变大可能出现的微分饱和而使控制作用溢出许可的范围，应取较小的K_D，同时避免出现积分饱和现象，一般取K_I为0；

当偏差E处于中等大小时，K_P应取值小些，从而使系统的响应具有较小的超调量，同时K_I的取值要恰当；在这种情况下，为保证系统的响应速度，此时K_D的取值要适中；

当偏差E较小即接近设定值时，此时要增大K_P、K_I的取值而使系统具有良好的稳定性，同时应增加系统的抗干扰性能以避免在系统的设定值附近出现大幅度的震荡；当EC较小时，K_D取值增加，当EC较大时，K_D取值减小。

4.根据权利要求3所述的混合储能系统的控制方法，其特征在于：混合储能系统的实时有功和无功功率由能量管理模块进行动态调节，根据工作模式的不同决定混合储能系统总的功率，并通过DC/DC调节电池侧直流电压实现功率的分配，功率分配的过程实现钒液流电池SOC(荷电状态)调节。

5.根据权利要求3所述的混合储能系统的控制方法，其特征在于：保证混合储能系统总功率满足应用要求的前提下通过两种电池功率分配采用滑模变结构控制器调节钒液流电池的SOC；

为了避免钒液流电池系统的电池饱和和放电能力不足，滑模变结构SOC调节控制器在设计滑动面时，让SOC处在0.2-0.8之间，这样就把电池的实际状况直接考虑在控制器的设计中，这样可以在基本不影响补偿风电机组出口的功率的基础上，延长电池的实用寿命，直接带来经济价值；

滑模控制器的输入为注入电网功率实际值及其参考值之差为：

e_P＝P-P^*

系统的滑动面方程为：

$s_p=e_p+c{\∫}_{-\∞}^t{e}_p\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}.$

6.根据权利要求3所述的混合储能系统的控制方法，其特征在于：混合储能系统中的储能双向变流器可以基于锂电池在没有外围供电的情况下实现自启动，建立交流母线电压并启动钒液流电池而扩大储能系统容量，从而使得风电机组能够和混合储能系统在孤岛模式下联合运行，满足电网黑启动的要求。

7.根据权利要求3所述的混合储能系统的控制方法，其特征在于：该方法的详细步骤如下：

本发明所用变流器模型为四象限运行变流器模型，四象限变流器交流侧在三相静止abc坐标系下的电压、电流关系方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_a=E_{\mathrm{sa}}-E_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_b=E_{\mathrm{sb}}-E_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{Ri}}_c=E_{\mathrm{sc}}-E_c\end{array}\right.$

其中：i_a，i_b，i_c为交流部分的三相电流；E_sa，E_sb，E_sc为交流部分三相电压；E_a，E_b，E_c为四象限变流器交流部分三相电压；

采用三相桥壁开关信号为：关断

与交流部分频率同步旋转的dq坐标系下的变流器模型：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\frac{R}{L}& \mathrm{\ω}\\ -{\mathrm{\ω}}_1& -\frac{R}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{dc}}{m}_d-E_{\mathrm{sd}}\\ \frac{U_{\mathrm{dc}}{m}_q}{L}\end{array}\right]$

其中，四象限运行变流器直流部分电压、电流关系方程为：

$\frac{{\mathrm{dU}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}=\frac{m_d{i}_d+m_q{i}_q-i_0}{C}$

其中上面两式：ω为交流部分相电压的角频率；E_sd为交流部分矢量的d轴分量；U_dc为直流部分电压；i_d、i_q分别为交流部分电流矢量的d轴分量、q轴分量；m_d、m_q为变流器开关函数的dq轴分量；

四象限运行变流器输出的有功功率和无功功率的数学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}P=E_{\mathrm{sd}}{i}_d\\ Q=-E_{\mathrm{sd}}{i}_q\end{array}\right.$

dq轴的电流不仅受U_d、U_q的影响，而且还受电网电压和的影响，而且还受电网电压和ωLi_d、ωLi_q的影响，所以本发明采用电压前馈补偿来实现d-q电流的解耦。

8.根据权利要求7所述的混合储能系统的控制方法，其特征在于：本发明把电网电压定向于d轴，此时q轴的电压分量为0；

当有功功率大于零时，表示从电网吸收能量，此时变流器工作于整流状态；当有功功率小于零时，表示从直流侧向电网馈入能量，此时变流器工作于逆变状态；当无功功率大于零时，表示从电网吸收超前的无功功率；当无功功率小于零时，表示从电网吸收滞后的无功功率；通过控制电流的dq轴分量即可实现对变流器吸收的有功功率和无功功率的控制；

通过控制电流在dq轴上的分量，直接控制有功功率和无功功率的输出，实现有功功率和无功功率的单独控制；

网侧变流器的控制采用内环为电流环，外环为电压环的形式，电压环以直流电压U_dc以及差值作为输入，经过模糊PID调节器的作用，输出电流i^* _d，输出电流i^* _d与反馈值i_d做比较作为模糊PID控制器的输入，输出电网电压的d轴分量U_d，电压的dq轴分量经过Park逆变换后，通过空间矢量脉宽调制控制逆变器的工作状态。

9.根据权利要求8所述的混合储能系统的控制方法，其特征在于：

储能系统变流器的模糊PID控制方法如下：

引入d轴、q轴电压耦合项，使状态方程解耦，通过对电网扰动电压采取前馈补偿，也就是采用开环控制方式补偿可测量的扰动信号，然后把规则的条件用模糊集来表示，并将模糊控制规则作为知识存入计算机的数据库中，根据不同的偏差、偏差变化率通过模糊推理在线调整PID参数K_P、K_I、K_D，实现对系统的灵活控制；

d轴与q轴的电流控制方式基本相同，下面仅以d轴电流分量进行模糊PID控制器设计；

模糊控制器的输入变量是电流d-q轴分量及其变化率的模糊变量E和EC，本模糊控制器为双输入单输出，选取7个模糊语言变量为控制器的输入变量，也就是负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PB，选取模糊变量E的论域为[-6,6]，实际范围为[-24,24]，在实现模糊控制的过程中，选用三角隶属度函数表征模糊变量的隶属关系；

在以上控制过程中：

1)当E较大时，为了加快系统的响应速度，应取较大的K_P，但为了避免由于初始时的误差瞬间变大可能出现的微分饱和而使控制作用溢出许可的范围，应取较小的K_D，同时避免出现积分饱和现象，一般取K_I为0；

2)当偏差E处于中等大小时，K_P应取值小些，从而使系统的响应具有较小的超调量，同时K_I的取值要恰当；在这种情况下，为保证系统的响应速度，此时K_D的取值要适中；

3)当偏差E较小即接近设定值时，此时要增大K_P、K_I的取值而使系统具有良好的稳定性，同时应增加系统的抗干扰性能以避免在系统的设定值附近出现大幅度的震荡；当EC较小时，K_D取值增加，当EC较大时，K_D取值减小；

(3)混合储能系统功率的控制：

混合储能系统可根据电网调度指令控制充放电功率，或根据风电机组出力进行功率平滑，功率平滑模式中，风电机组输出功率参考值采用基于一阶低通滤波器的方法确定，将实际的风电场输出功率曲线通过滤波器，将曲线中快速波动的部分滤掉，得到一条较为平滑的曲线，作为风电场期望输出功率曲线；

基于一阶低通滤波器的控制策略是将注入电网的功率设计为式中f_c为滤波器的截止频率；则储能系统充放电参考功率为 $P_{\mathrm{ref}}=\frac{\mathrm{Ts}}{1+\mathrm{Ts}}{P}_w,$

此时，经过功率平抑后注入电网的功率的变化率和功率的平滑度都与时间常数T有关；T的值越大，注入电网的功率变化率越小，输出的功率也就越平滑。