CN104995813B - 在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及用于在风力发电系统中确定用于储能系统(ESS)的功率参考值的方法和设备。在本公开的一个实施例中，该方法包括：对实际风电功率输出进行滤波以获得输送到电网的期望功率输出；根据所述实际风电功率输出和输送到所述电网的所述期望功率输出来确定用于所述储能系统的输出功率参考值；以及基于下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值。利用本公开的实施例，可以提供用于平滑风电场输出波动并将功率变化率限制在期望范围内的直接控制策略，其比现有策略更加切实可行，并且可以得到更好的控制性能。

Description

在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的方 法和设备
技术领域
本公开的实施例总体涉及风力发电控制的技术领域，并且更特别地涉及一种在风力发电系统中确定用于储能系统(ESS)的功率参考值的方法和设备。
背景技术
现在，风能已经由于是清洁的不可耗尽能源而吸引了越来越多的注意力，并且风电功率渗透率在全世界不断地增加。然而，由于风电功率具有诸如随机波动、间歇性等特性，大规模风电功率的集成可能使电网稳定性和功率质量恶化。为了改善电能输出的可控性，通常以与风力发电组合的方式使用储能技术。例如，在许多应用中，使用储能系统(ESS)来促进风电功率满足电网规范要求。
同时，已经开发了用于ESS的许多控制策略。一个已知策略是基于基于模糊逻辑的自适应调节器(FLAR)，但是其归属函数难以选择。基于滤波器的方法可以平滑风电功率输出变化，但是其始终需要相对高的能量容量。将俯仰角控制与ESS两者组合的方法能够提供整个系统的较高灵活性，但是其将由于不能再使用最大功率点跟踪策略而降低风力涡轮机的效率。使用两个并行电池储能系统的双电池储能系统(BESS)策略可以将电池的充电和放电过程解耦；然而，转换时间的控制是要求非常苛刻的。此外，某些其它优化方法还已在调度水平上提出建议。
另外，在第CN102664422A号中国专利申请中，公开了一种用于平滑风电场输出的方法，其通过使用风电功率预测来修改风电场输出，并且使用改善的自适应滤波方法来对经修改的风电场输出进行滤波。
发明内容
在本公开中，提供了一种用于在风力发电系统中确定用于储能系统(ESS)的功率参考值的新解决方案，从而解决或至少部分地缓解现有技术中的问题的至少一部分。
根据本公开的第一方面，提供了一种在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的方法。所述方法包括：对实际风电功率输出进行滤波以获得输送到电网的期望功率输出；根据实际风电功率输出和输送到电网的期望功率输出来确定用于储能系统的输出功率参考值；以及基于下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于储能系统的输出功率参考值。
在本公开的实施例中，基于在下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于储能系统的输出功率参考值可以包括以下各项中的任意一项：如果预测风电功率输出的增加大于预定增加阈值，则增加用于储能系统的输出功率参考值；以及如果预测风电功率输出的减小大于预定减小阈值，则减小用于储能系统的输出功率参考值。
在本公开的另一实施例中，增加用于储能系统的输出功率参考值还可以包括将用于储能系统的输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与实际风电功率输出之间的差。
在本公开的另一实施例中，减小用于储能系统的输出功率参考值还可以包括将用于储能系统的输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与实际风电功率输出之间的差。
在本公开的另一实施例中，该方法还可以包括基于变化率限制来调整用于储能系统的输出功率参考值。
在本公开的另一实施例中，基于变化率限制来调整用于储能系统的输出功率参考值还可以包括：如果检测到负变化率越限，则将用于储能系统的输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出、在十分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与实际风电功率输出之间的差。
在本公开的另一实施例中，基于变化率限制来调整用于储能系统的输出功率参考值还可以包括：如果检测到正变化率越限，则将用于储能系统的输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出、在十分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与实际风电功率输出之间的差。
在本公开的另一实施例中，在调整用于储能系统的输出功率参考值之前，用下式所表示的功率值h(t)来修改用于储能系统的输出功率参考值
其中，T表示用于对实际风电功率输出进行滤波的滤波器时间常数，E(t)表示在时间t处保留在储能系统中的能量，EBN表示储能系统的额定容量，m1表示最小能量百分比限制，α表示电池能量限制因数，并且Pset(t)表示输送到电网的所获得的期望功率输出。
在本公开的另一实施例中，该方法还可以包括将用于储能系统的输出功率参考值限制在储能系统的输出功率幅度限制内。
根据本公开的第二方面，还提供了一种用于在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的设备。该系统包括：功率输出滤波单元，其被配置成对实际风电功率输出进行滤波以获得输送到电网的期望功率输出；功率参考值确定单元，其被配置成根据实际风电功率输出和输送到电网的期望功率输出来确定用于储能系统的输出功率参考值；以及功率预测调整单元，其被配置成基于下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于储能系统的输出功率参考值。
根据本公开的第三方面，还提供了一种具有在其上面体现的计算机程序代码的计算机可读存储介质，该计算机程序代码被配置成在被执行时使得设备执行根据本公开的第一方面的任何实施例所述的方法中的动作。
根据本公开的第四方面，提供了包括根据本公开的第三方面的计算机可读存储介质的计算机程序产品。
在本公开的实施例中，在执行任何调整之前，首先对实际风电功率输出进行滤波以获得输送到电网的期望功率输出；基于实际风电功率输出和期望功率参考值输出，确定用于储能系统的输出功率参考值；以及然后基于在下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于储能系统的输出功率参考值。在某些实施例中，还可以基于其它因素来调整用于储能系统的输出功率参考值。这样，其可以提供用于平滑风电场输出波动并将功率变化率限制在期望范围内的直接控制策略，其比现有策略更加切实可行，并且可以得到更好的控制性能。
附图说明
通过参考附图对如在描述中举例说明的实施例的详细说明，本公开的上述及其他特征将变得更加显而易见，遍及所述附图，相同的附图标记标示相同或类似的部件，并且在所述附图中：
图1示意性地图示出根据本公开的实施例的用于在风力发电系统中确定用于ESS的输出功率参考值的方法的流程图；
图2示意性地图示出根据本公开的实施例的输出功率滤波器单元的框图；
图3示意性地图示出根据本公开的实施例的SOC反馈控制的框图；
图4示意性地图示出根据本公开的实施例的风电功率预测调整的流程图；
图5示意性地图示出根据本公开的另一实施例的用于在风力发电系统中确定用于ESS的输出功率参考值的方法的流程图；
图6示意性地图示出根据本公开的实施例的变化率控制的流程图；
图7示意性地图示出根据本公开的特定实施方式的用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的方法的流程图；
图8示意性地图示出根据本公开的实施例的用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的设备的框图；
图9示意性地图示出根据本公开的特定实施方式的用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的设备的框图；
图10示意性地图示出根据本公开的实施例的用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的系统的框图；
图11A和图11B示意性地图示出在具有和没有本公开的提出解决方案的情况下被输送到电网的功率输出的曲线；
图12示意性地图示出在具有和没有如在本公开中提出的SOC反馈控制的情况下的电池能量的曲线；以及
图13示意性地图示出可编程为专用计算机系统的通用计算机系统，其可表示在本文中参考的任何计算设备。
具体实施方式
下面将参考附图通过实施例来详细地描述在本公开中提供的解决方案。应当认识到的是提出这些实施例仅仅是为了使得本领域的技术人员能够更好地理解和实现本公开，并不意图以任何方式限制本公开的范围。
总体而言，将根据其在技术领域中的普通意义来解释在权利要求中使用的所有术语，除非在本文中另外明确地定义。总体而言，“一/一个/该/所述【元件、设备、部件、装置、步骤等】”将被开放地解释为涉及所述元件、设备、部件、装置、单元、步骤等的至少一个实例，不排除多个此类元件、部件、装置、单元、步骤等，除非另外明确地说明。此外，如在本文中所使用的不定冠词“一/一个”不排除多个此类步骤、单元、模块、设备以及对象等。
接下来，将对图1进行参考以描述根据本公开的实施例的一种用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的方法。
如图1中所示，首先在步骤S101处，对实际风电功率输出进行滤波以获得被输送到电网的期望功率输出。在此操作中，使用滤波器来平滑实际风电输出功率Pw(t)中的分钟级风电功率波动，从而获得经平滑的输出功率，即Pset(t)，用于从风电场和ESS输送到电网的功率的期望值。滤波器可以是本领域中的任何已知滤波器，但是在本公开的实施例中，使用一阶低通滤波器，其图仅仅出于举例说明的目的在图2中图示出。通过拉普拉斯变换，可用下式来表示来自滤波器的经平滑的功率值
(等式1)
其中，Pset(s)表示在s域中表示的输送到电网的功率参考值输出，并且Pw(s)表示在s域中表示的实际风电输出功率，并且T表示平滑或滤波时间常数。
该平滑效果取决于平滑时间常数T。总体而言，平滑时间常数T越高，输出功率将越平滑，并且需要越多的ESS容量，这意味着将需要更高的成本。平滑时间常数T可以例如由BESS额定容量EBn和风电场额定功率PWn判定。在本公开的实施例中，可以将T计算为
(等式2)
在获得输送到电网的功率参考值输出Pset(t)之后，在步骤S102处，根据实际风电功率输出和输送到电网的功率参考值输出来确定用于储能系统的输出功率参考值。可以将用于储能系统的输出功率参考值PBref1(t)计算为实际风电输出功率Pw(t)与输送到电网的功率参考值输出Pset(t)之间的差，这意味着除由风电场提供的风电功率Pw(t)之外，储能系统还应当提供输出功率参考值PBref1(t)，使得风力发电系统(即，风电场以及BESS)可以向电网输送Pset(t)的组合功率输出。此输出功率参考值PBref1(t)是初始输出功率参考值，随后将进一步对其进行修改。
例如，可首先通过SOC(荷电状态)反馈控制来调整输出功率参考值PBref1(t)。
SOC反馈控制主要用于将SOC变化限制在许可水平内以避免过充电和过放电，并且从滤波器获得期望的‘经平滑的功率’。在下文中，将参考图3对SOC反馈控制进行描述，其示意性地图示出根据本公开的实施例的SOC反馈控制的框图。然而，应当认识到的是本公开不限于此；替代地，还可以采用任何其它SOC反馈控制方案。
如在等式(1)中已经示出了来自滤波器的经平滑的功率，其是通过拉普拉斯变换在s域中表示的。如上所述，用于BESS输出功率的预期参考值是来自滤波器的期望的经平滑的功率与实际风电功率之间的差，并且根据等式1，其可用下式来表示
(等式3)
估计的BESS能量变化是其充电和放电功率的集成，并且因此其可以用下式来表示
(等式4)
其中，负功率意指BESS的充电，并且正功率意指BESS的放电。
如果忽视BESS内损耗并将效率取作100％，则可用下式来表示能态与经平滑的功率之间的关系：
Eest(s)＝TPset(t) (等式5)
根据以上推导，可以看到，如果组合功率输出Pd将与来自滤波器的功率参考值Pset一致，则用于能量变化Eset的曲线应当比Pset(t)的曲线大T倍(T是在输出功率滤波中使用的滤波器的平滑时间常数，如上所述)，如等式4中所示。
因此，如上文所述，将T＝EBn/CWF视为用于额定BESS容量的适当平滑时间常数，其中，EBn表示BESS额定容量，并且PWn表示风电场额定功率。如果T被设定过高，例如，T＞EBn/CWF，则从电池索取的能量可以超过其额定能量容量。因此，可以引入可称为电池输出能量限制因数的参数α(0＜α＜1)，以将所索取的能量限制在额定BESS容量内并将SOC限制在允许范围内。
如果将允许的SOC范围限定在下限m1与上限m2之间，其为BESS的最小能量百分比限制和最大能量百分比限制。可以用下式来获得α的值
(等式6)
因此，其应当用下式所表示的调整量来重新调整用于BESS的参考值
h(t)＝1/T[E(t)-EBnm1-αTPset(t)] (等式7)
考虑BESS的功率流动方向，正h(t)表示BESS的放电，而负h(t)表示BESS的充电。
为了更好地理解本公开，如下提供物理解释。当BESS处于高能态时，这意味着实际可用能量在αTPset(t)以上，则h(t)是正的，指示在这种情况下需要使BESS更多地放电或更少地充电。相反地，当BESS是低能态的时，h(t)是负的，这意味着BESS需要更少地放电或者更多地充电。
在用h(t)进行调整之后，将用于BESS的参考值从初始功率参考值PBref1(t)修改成PBref2(t)，其可用下式来表示
PBref2＝PBref1+h(t) (等式8)
此外，在步骤S103处，可以基于在下一时间点的预测风电功率输出变化的变化来进一步调整用于储能系统的输出功率参考值。
可以理解的是风电功率波动通常具有某些紧急情况，诸如风电功率输出的大幅下降(以下称为“风功率大幅下降”)和风电功率输出的大幅增加(以下称为“风功率大幅增加”)，其可以对电网稳定性造成严重影响。因此，如果BESS能够通过在“风功率大幅下降”的时间更多地放电或者在“风功率大幅增加”的时间更多地充电而在这种情况下提供功率支持，则通常是优选的。然而，由于BESS功率输出幅度限制，在这种严重波动的紧急情况下，可能提供通常不足的BESS功率。用于解决此问题的一个可能解决方案是选择较高额定功率的另一BESS，但是这将大大地增加成本，并且将是浪费，因为在一般情况下仅要求小的BESS功率。
在本公开中，提出了一种先进方法，根据该方法BESS将预先做出反应。不同于上述方案，将根据未来输出风电功率的预测来预先调整BESS的SOC。在提出的方法中，在波动的紧急情况之前，将预先对BESS更多地充电以应对“风功率大幅下降”情况并针对“风功率大幅增加”情况更多地放电。结果，可能缓解并甚至避免输出功率的突然变化，并且可以在这些紧急情况提供功率输出的平滑过渡，并且同时其不要求更高的额定BESS功率，这可以显著地降低BESS成本。
在本公开的实施例中，可以使用许多不同类型的风电功率预测方法，其可以由本领域的技术人员根据应用要求来选择。此外，针对不同的应用，其可以以不同的时间标度和准确度来执行风电功率预测。可以将1小时内的短时间预测的均方根误差减小至小于10％；可以采用1分钟风电功率预测，并且可以忽视该误差。
接下来对图4进行参考，其示意性地图示出根据本公开的实施例的风电功率预测调整的流程图。如图4中所示，首先作为步骤S401，根据风电功率预测的结果，确定预测风电功率的减小是否大于减小阈值Pwa。如果是，则意味着在时间t+1处将存在“风功率大幅下降”，并且因此在步骤S402处，减小用于BESS的输出功率参考值以减小将在时间t输送到电网的输出功率，并且例如，应当以在各种限制下的可能最大充电速率对BESS充电。另一方面，如果预测风电功率的减小不超过减小阈值Pwa，则该方法继续进行步骤S403。在步骤S403处，进一步进行关于预测风电功率的增加是否大于增加阈值Pwa的确定。如果是，则意味着在时间t+1将存在“风功率大幅增加”，并且因此在步骤S404处，增加用于BESS的输出功率参考值以增加将在时间t输送到电网的输出功率。例如，应当以在各种限制下的可能最大放电速率使BESS放电。如果预测风电功率的变化落在增加和减小阈值内，则在步骤S405处，其可以保持用于储能系统的输出功率参考值，如其在没有进行任何调整的情况下一样。
在下文中，仅仅出于举例说明的目的，将做出示例性实施方式以使得本领域的技术人员更好地理解风电功率预测调整的要点。
针对功率参考值输出PBref2，可以用下式来表示由风力发电系统输送到电网的相应输出功率参考值(即，来自风电场和BESS两者的组合功率)。
Pdref(t)＝PBref2(t)+PW(t) (等式9)
输出功率参考值Pdref(t)可能受到各种限制的约束，但是在本公开的实施例中，输出功率参考值Pdref(t)主要受到1分钟变化率限制Pd1minL以及BESS输出功率幅度限制的约束。可用下式来表示该约束：
●1分钟变化率限制：
Pd(t-1)-Pd1minL＜Pdref(t)＜Pd(t-1)+Pd1minL
●BESS输出功率幅度限制：
Pw(t)-PBmax＜Pdref(t)＜Pw(t)+PBmax
因此，当存在输出风电功率的突然下降时，即在“风功率大幅下降”时间，可以根据两个限制下的可能最大充电速率将BESS参考值调整为
PBref3＝max{(Pd(t-1)-Pd1minL)，(Pw(t)-PBmax)}-Pw(t) (等式10)
即，功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出(即，来自风电场和ESS的最小可允许功率输出)的最大值与实际风电功率输出之间的差。同样地，当存在输出风电功率的突然增加时，即在“风功率大幅增加”时间，可以根据两个限制下的可能最大放电速率来调整BESS输出功率参考值，
PBref3＝min{(Pd(t-1)+Pd1minL)，(Pw(t)+PBmax)}-Pw(t) (等式11)
即，功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出(即，来自风电场和ESS的最大可允许功率输出)的最小值与实际风电功率输出之间的差。这样，可以预先补偿由于即将到来的风电功率波动而引起的突然变化，其使得可以提供功率输出的更加平滑的过渡。
在本公开的其它实施例中，可以进一步基于其它因素来调整所确定的BESS输出功率参考值，将参考图5来详细地对其进行描述。
如图5中所示，在步骤S501处，可以进一步基于变化率限制来调整BESS输出功率参考值。变化率控制将确保最终功率输出Pd的变化率在电网规范的限制内。此控制可以通过检测Pdref(t)的1分钟变化率和10分钟变化率(基于诸如PBref3之类的先前确定BESS输出功率参考值所确定的输出功率参考值)、确定是否存在超过规定1分钟和10分钟限制Pd1minL、Pd10minL的任何变化率、并将其限制在该限制内来执行。
仅仅出于说明的目的，图6示意性地图示出根据本公开的实施例的变化率控制的流程图。如所示，首先在步骤S601处，确定是否存在用于组合功率参考值的1分钟或10分钟正越限，即最终功率输出Pdref的增加是否超过电网规范的限制。如果是，则将根据各种限制下的可能最大放电速率来确定BESS输出功率参考值。
在本公开的实施例中，所考虑的限制包括1分钟变化率限制、10分钟变化率限制和BESS输出功率幅度限制，其可如下确定：
●1分钟变化率限制：
Pd(t-1)-Pd1minL＜Pdref(t)＜Pd(t-1)+Pd1minL
●10分钟变化率限制：
Pd10max(t)-Pd10minL＜Pdref(t)＜Pd10min(t)+Pd10minL
其中，Pd10max(t)＝max{Pd(t-1)，Pd(t-2)，...Pd(t-10)}
Pd10min(t)＝min{Pd(t-1)，Pd(t-2)，...Pd(t-10)}
●BESS输出功率幅度限制：
Pw(t)-PBmax＜Pdref(t)＜Pw(t)+PBmax
因此，针对正越限，可以将BESS输出功率参考值确定为
PBref4＝min{(Pd(t-1)+Pd1minL)，(Pd10min(t)+Pd10minL)，(Pw(t)+PBmax)}-Pw(t)
也就是说，在这种情况下，可以将用于储能系统的输出功率参考值调整为在一分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出、十分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出(即，来自风电场和ESS的最大可允许功率输出)的最小值与实际风电功率输出之间的差。
另一方面，如果不存在用于组合功率参考值Pd的1分钟或10分钟正越限，则该方法转到步骤S603。在步骤S603处，进一步确定是否存在用于组合功率参考值Pd的1分钟或10分钟负越限，即最终功率输出Pd的减小是否超过电网规范的限制。如果是，则将根据各种限制下的可能最大充电速率来确定BESS输出功率参考值。例如，针对负越限，可以将BESS输出功率参考值确定为
PBref4＝max{(Pd(t-1)-Pd1minL)，(Pd10max(t)-Pd10minL)，(Pw(t)-PBmax)}-Pw(t)
换言之，在这种情况下，可以将用于储能系统的输出功率参考值调整为在一分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出、十分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出(即，来自风电场和ESS的最小功率输出)的最大值与实际风电功率输出之间的差。
如果1分钟内的变化率和10分钟变化率两者服从电网规范的要求，则在步骤S605处，其可以保持用于储能系统的输出功率参考值，如其在没有进行任何调整的情况下一样。这样，可以确保变化率服从所需的电网规范。
此外，在步骤S502处，可以进一步基于BESS输出功率幅度限制来调整已调整的输出功率参考值，从而将BESS输出功率限制在预定限制内。
例如，可首先确定诸如PBref4(t)之类的先前确定的BESS输出功率参考值是否落在从﹣PBmax至PBmax的功率范围内。如果PBref4(t)高于PBmax，则可以将PBref4(t)限制到PBmax；如果PBref4(t)低于PBmax，则可以将PBref4(t)限制到-PBmax。因此，借助于BESS输出功率幅度限制，可以确保所确定的BESS输出功率参考值不超过BESS输出功率幅度限制。
为了使得本领域的技术人员更好地理解本公开的思想，在下文中将进一步对图7进行参考以描述根据本公开的特定实施方式的用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的方法。
如图7中所示，首先作为步骤S701，向控制系统中输入实际风电功率数据Pw(t)，并且然后在步骤S702处，由例如一阶低通滤波器对实际风电功率数据Pw(t)进行滤波以获得用于输送到电网的功率输出的期望值Pdset(t)。然后，根据实际风电功率数据Pw(t)和期望值Pdset(t)来确定BESS输出功率参考值PBref1(t)，例如作为实际风电功率数据Pw(t)与期望值Pdset(t)之间的差。接下来，可通过SOC反馈调整来调整BESS输出功率参考值PBref1(t)以获得PBref2(t)，其可以例如根据如图3中所示的方案来执行。然后，在步骤S704处，基于预测风电功率来确定是否将存在“风功率大幅增加”或“风功率大幅下降”。如果存在预测风电功率的突然变化，则在步骤S705处，可以例如根据如图4中所示的方案来执行风电功率预测调整以获得已调整的BESS输出功率参考值PBref3(t)，并且该方法继续进行步骤S706；否则，该方法直接地继续进行步骤S706。在步骤S706处，进一步确定是否将存在1分钟或10分钟变化率越限。如果将存在此类越限，则例如根据如参考图6所述的方案在步骤S707处执行1分钟/10分钟变化率控制以获得新调整的BESS PBref4(t)，并且该方法转到步骤S707；否则该方法直接地转到步骤S707。在步骤S707处，进一步限制BESS输出功率参考值，使得其可以确保BESS输出功率参考值服从BESS功率输出功率幅度限制，从而获得最终BESS输出功率参考值。
在本公开的实施例中，在执行任何调整之前，首先对实际风电功率输出进行滤波以获得被输送到电网的功率参考值输出；基于该实际风电功率输出和获得的功率参考值输出，确定用于储能系统的输出功率参考值；并且然后基于在下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于储能系统的输出功率参考值。在某些实施例中，还可以基于其它因素来调整用于储能系统的输出功率参考值。这样，其可以提供用于平滑风电场输出波动并将功率变化率限制在所需范围内的直接控制策略，其比现有策略更加切实可行，并且可以得到更好的控制性能。
除如上所述的方法之外，还提供了一种用于在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的控制系统。然后，将对图8进行参考以描述根据本公开的实施例的一种用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的设备。
在图8中图示出用于在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的设备800。如图8中所示，设备800包括输出功率滤波单元801、功率参考值确定单元802以及风电功率预测调整单元804。输出功率滤波单元801被配置成对实际风电功率输出Pw(t)进行滤波以获得被输送到电网的期望功率输出Pset(t)。功率参考值确定单元802被配置成根据实际风电功率输出Pw(t)和输送到电网的期望功率输出Pset(t)来确定用于储能系统的输出功率参考值PBref1(t)。功率预测调整单元804被配置成基于下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于储能系统的输出功率参考值。
在由风电功率预测调整单元进行调整之前，可首先由SOC反馈调整单元803来调整用于储能系统的输出功率参考值PBref1(t)，如图8中所示。可以将SOC反馈调整单元803配置成在风电功率预测调整单元804之前基于储能系统的荷电状态来修改用于储能系统的输出功率参考值。可由SOC反馈调整单元803将调整功率量h(t)确定为
h(t)＝1/T[E(t)-EBnm1-αTPset(t)]
其中，T表示用于对实际风电功率输出进行滤波的滤波器时间常数，E(t)表示在时间t处保留在储能系统中的能量，EBN表示储能系统的额定容量，m1表示最小能量百分比限制，α表示电池能量限制因数，并且Pset(t)表示输送到电网的所获得的期望功率输出。
在本公开的实施例中，可以将功率预测调整单元804进一步配置成：如果预测风电功率输出的增加大于预定增加阈值，则增加用于储能系统的输出功率参考值；和/或如果预测风电功率输出的减小大于预定减小阈值，则减小用于储能系统的输出功率参考值。
在本公开的另一实施例中，可以将功率预测调整单元804配置成：通过将用于储能系统的输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与实际风电功率输出之间的差，来增加用于储能系统的输出功率参考值。
在本公开的另一实施例中，可以将功率预测调整单元804配置成：通过将用于储能系统的输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与实际风电功率输出之间的差，来减小用于储能系统的输出功率参考值。
在本公开的另一实施例中，其还可以包括变化率控制单元805，其被配置成基于变化率限制来调整用于储能系统的输出功率参考值。优选地，可以将变化率控制单元805配置成：如果检测到负变化率越限，则将用于储能系统的输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制、十分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与实际风电功率输出之间的差。优选地，还可以将变化率控制单元805配置成：如果检测到正变化率越限，则将用于储能系统的输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制、十分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与实际风电功率输出之间的差。
在本公开的另一实施例中，控制系统800还可以包括功率幅度限制单元806，其被配置成将用于储能系统的输出功率参考值限制在储能系统的输出功率幅度限制内。
图9进一步示意性地图示出根据本公开的特定实施方式的用于在风力发电系统中确定用于ESS的功率参考值的装置的框图。如图9中所示，滤波模块910对实际功率数据Pw(t)进行滤波，并且滤波之后的平滑功率Pset(t)被输入到加法器915，在其中计算Pw(t)与Pset(t)之间的差并将该差取作初始BESS输出功率参考值PBref1(t)。SOC反馈模块920将接收BESS的输出功率PBout(t)并计算将在加法器925中与初始BESS输出功率参考值PBref1(t)相加以获得的PBref2(t)的调整功率量。然后，风电功率预测模块930将接收到在下一时间t+1处的预测功率输出并将PBref2(t)调整成PBref3(t)。然后，变化率控制模块940可以进一步基于变化率限制来调整PBref3(t)以确保用于BESS的功率参考值输出满足变化率要求，并且结果获得PBref4(t)。最后，PBref4(t)进一步经历BESS输出功率幅度限制模块950，从而将用于BESS的功率参考值输出的幅度限制在BESS输出功率幅度限制内。因此，获得用于BESS的最终功率参考值输出PBref(t)。
另外，在本公开的实施例中，还提供了一种用于标识功率消耗装置的负荷波动性的系统，将参考图10对其进行描述。如图10中所示，系统1000可以包括至少一个处理器1010和存储计算机可执行指令1030的至少一个存储器1020。所述至少一个存储器1010和计算机可执行指令1030可被配置成利用所述至少一个处理器1020使得系统1000执行参考图1至7所描述的方法的步骤。
在本公开的实施例中，提供了一种有形计算机可读介质，其具有可由处理器执行以管理电力网的负荷的多个指令，该有形计算机可读介质可以包括被配置成执行根据本公开的方法的任何实施例的方法的步骤的指令。
应注意的是包括在设备800、设备900和系统1000中的相应模型或装置的操作，基本上对应于如前所述的相应方法步骤。因此，针对设备800和900及系统100的相应模型或装置的详细操作，请参阅参考图1至7的本公开的方法的先前描述。
此外，进行了多次仿真以确认提出的解决方案的有效性。在仿真中，输入功率数据是来自具有160MW的安装容量的风电场的具有分钟分辨率的初始风电功率输出；BESS的额定能量容量和功率容量分别是50MWh和40MW；并且对于1分钟和10分钟功率变化率的限制是30MW/min和100MW/10min。
图11A和图11B示意性地图示出采用提出的解决方案之前和之后的风电功率输出。从图中显而易见的是在借助于提出的解决方案的平滑之后，已平滑了微小波动，并且已限制用于风电功率的突然变化的变化率。已消除了交叉限制的变化。如果使用用于1分钟和10分钟的标准偏差作为平滑指示符，其可如下计算：
其中，α1min和α10min分别表示原始风电功率波动的1分钟和10分钟均方根；β1min和β10min分别表示输送到电力系统的功率输出Pd的均方根；η1min和η10min分别表示风电功率的1分钟和10分钟平滑效果，较大的值指示较好的平滑效果。结果显示1分钟变化率已改善57％，而10分钟变化率已改善38％。
另外，图12还图示出在具有/没有根据本公开的实施例的SOC反馈控制的情况下的SOC能量变化。从图中显而易见的是在没有SOC反馈控制的情况下，SOC能量变化已超过其上限，并且因此即使用额定容量也不能达到该所述平滑效果，并且同时在25MWh以下的容量尚未被利用。而利用如在本公开中提出的SOC反馈控制，可以将SOC限制在0.2-0.8内以避免过充电和过放电事件并完全使用电池额定容量。
在下文中，列出表1和2以给出风电场、BESS的输出功率和从3093至3095分钟输送到电网的组合功率。
表1没有风电功率预测调整的情况下的效果
时间/分钟 Pwind/MW Pbess-out/MW Pd/MW
3093 139.85 1.5 141.35
3094 93.44 40 133.44
3095 24.57 40 64.57
表2具有风电功率预测调整的情况下的效果
时间/分钟 Pwind/MW Pbess-out/MW Pd/MW
3093 139.85 -28.38 111.47
3094 93.44 -11.97 81.47
3095 24.57 40 81.6447.57
如表1和表2中所示，在时间3094和3095处存在连续的“风功率大幅下降”，期间风电功率从139.85MW下降至93.44MW且然后至24.57MW。在表1中，其对应于没有‘风电功率预测调整’的情况，Pd从141.35MW下降至133.44MW且然后至64.56MW。1分钟变化率大于规定的30MW/min。表2示出了具有如在本公开中提出的风电功率预测调整的情况，其中风功率大幅下降是预先已知的。因此在时间点3094，用于BESS输出的参考值PBref(3094)从40MW变成-11.97MW，其意味着BESS在时间点3094处开始充电。并且因此Pd(3094)从133.44MW变成81.47MW。利用此改变，最终输出Pd将在“风功率大幅下降”的紧急时间期间经历更加平滑的过渡，其具有小于30MW/min的1分钟变化率。
到目前为止，已经参考本公开的实施例和特定实施方式描述了本公开的主要思想，本领域的技术人员应当认识到这些描述仅仅是出于举例说明的目的而提供的，并且本公开不限于此。事实上，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可进行许多修改或变更。例如，根据本公开的教导，可以考虑更多或更少的因素以调整用于储能系统的输出功率参考值，可以采用某些不同的调整方案，可以改变用于调整用于储能系统的输出功率参考值的顺序。然而，所有这些改变、修改以及变更应落在本公开的范围内，同时其不违背本公开的精神。
图13图示出可以表示在本文中参考的任何计算设备的通用计算机系统1300。例如，通用计算机系统3100可以—部分地或整体地—表示控制中心、主控端(head end)、综合网络运营和管理系统(NOMS)、故障、性能以及配置管理(FPCM)模块或在本文中提及的任何其它计算设备，诸如终端设备、仪表、遥测接口单元(TIU)、集电器和/或诸如路由器、交换机或服务器之类的任何联网部件，如在本文中所讨论的。计算机系统1300可以包括一组指令1302的有序列表，其可被执行以使得计算机系统1300执行在本文中公开的方法或基于计算机的功能中的任意一项或多个。计算机系统1300可充当独立设备或者例如使用网络115、125连接到其它计算机系统或外围设备。
在联网部署中，计算机系统1300可在服务器的容量中或者作为服务器-客户端用户网络环境中的客户端用户计算机或者作为端对端(或分布式)网络环境中的对等计算机系统操作。还可以将计算机系统1300实现为各种设备或者结合到各种设备中，诸如个人计算机或移动计算设备，其能够执行一组指令1302，该组指令1302指定将由该机器采取的动作，包括但不限于通过任何形式的浏览器来访问网络115、125。此外，每个所述的系统可以包括子系统的任何集合，子系统单独地或共同地执行一组或多组指令，以执行一个或多个计算机功能。
计算机系统1300可以包括处理器1307，诸如中央处理单元(CPU)和/或图形处理单元(GPU)。处理器1307可以包括一个或多个通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、数字电路、光电路、模拟电路、其组合或用于分析和处理数据的任何其它现在已知或以后开发的设备。处理器1307可实现该组指令1302或其它软件程序，诸如用于实现逻辑功能的手动编程或计算机生成代码。除其它功能之外，所述的逻辑功能或任何系统元件可出于视听目的或其它数字处理目的将诸如模拟电、音频或视频信号或其组合之类的模拟数据源处理和/或转换成数字数据源，诸如以获得与计算机处理或联网通信的兼容性。
计算机系统1300可以包括在总线1320上的存储器1305以用于传送信息。可以将可操作用于使得计算机系统执行本文所述的任何动作或操作的代码存储在存储器1305中。存储器1305可以是随机存取存储器、只读存储器、可编程存储器、硬盘驱动器或任何其它类型的易失性或非易失性存储器或存储设备。
计算机系统1300还可以包括磁盘、固态驱动光驱单元1315。磁盘驱动单元1315可以包括其中可以嵌入例如软件之类的一组或多组指令1302的非瞬态或有形计算机可读介质1340。此外，指令1302可执行如本文所述的操作中的一个或多个。指令1302可在由计算机系统1300执行期间完全地或至少部分地常驻于存储器1305内和/或处理器1307内。可以将该数据库或上述任何其它数据库存储在存储器1305和/或磁盘单元1315中。
存储器1305和处理器1307还可以包括如上文所讨论的计算机可读介质。“计算机可读介质”、“计算机可读存储介质”、“机器可读介质”、“传播信号介质”和/或“信号承载介质”可以包括任何设备，该设备包括、存储、传送、传播或传输软件以供指令可执行系统、装置或设备使用或与之相结合地使用。机器可读介质可选择性地是但不限于电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、设备或传播介质。
另外，计算机系统1300可以包括输入设备1325，诸如键盘或鼠标，被配置成用于用户与系统1300的任何部件相交互，包括用户选择或显示菜单的菜单条目。其还可以包括显示器1330，诸如液晶显示器(LCD)、阴极射线管(CRT)或适合于传送信息的任何其它显示器。显示器1330可充当用于用户看到处理器1307的运行的接口，或者具体地充当与存储在存储器1305或驱动单元1315中的软件的接口。
计算机系统1300可以包括使得能够经由通信网络125实现通信的通信接口1336。网络125可以包括有线网络、无线网络或其组合。通信接口1336网络可使得能够经由任何数目的通信标准实现通信，诸如以太网AVB、802.11、802.13、802.20、WiMax或其它通信标准。
因此，可用硬件、软件或硬件和软件的组合来实现该系统。可以集中式方式在至少一个计算机系统中或者在其中不同元件跨多个互连计算机系统散布的分布式方式实现该系统。适合于执行本文所述的方法的任何种类的计算机系统或其它装置都是适合的。硬件和软件的典型组合可以是具有计算机程序的通用计算机系统，该计算机程序在被加载和执行时控制计算机系统，使得其执行本文所述的方法。可以将此类已编程计算机视为专用计算机。
如本文所述，将任何模块或处理块定义成包括可由处理器执行的软件、硬件或其某种组合。软件模块可以包括存储在存储器1305或其它存储器件中的指令，其可被处理器1307或其它处理器执行。硬件模块可以包括各种器件、部件、电路、门、电路板等，其可被执行、命令或控制以便由处理器1307执行。
还可以将该系统嵌入计算机程序产品中，其包括使得能够实现本文所述操作且在被加载在计算机系统中时能够执行这些操作的所有特征。本文中的计算机程序意指一组指令的采取任何语言、代码或符号的任何表达，该组指令意图使得具有信息处理能力的系统直接地或在以下各项中的一者或两者之后执行特定功能：a)到另一语言、代码或符号的转换；b)以不同材料形式的再现。
到目前为止，已通过特定优选实施例参考附图描述了本公开。然而，应注意的是本公开不限于所示和所提供的特定实施例，而是可在本公开的范围内进行各种修改。
此外，可以用软件、硬件或其组合来实现本公开的实施例。可以用特殊逻辑来实现硬件部分；可以将软件部分存储在存储器中并由适当的指令执行系统执行，诸如微处理器或专用设计硬件。本领域的技术人员可认识到可以利用包含在处理器中的计算机可执行指令和/或控制代码来实现上述方法和系统，例如此类代码是在诸如磁盘、CD或DVD-ROM之类的承载介质或者诸如只读存储器(固件)之类的可编程存储器或者诸如光或电子信号承载之类的数据承载上提供。本实施例中的装置及其部件可用硬件电路来实现，例如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片或晶体管之类的半导体，或者可编程硬件器件，诸如现场可编程门阵列或者可编程逻辑器件，或者用由各种处理器执行的软件来实现，或者用上述硬件电路和软件的组合、例如用固件来实现。
虽然已描述了本公开的各种实施例，但对于本领域的技术人员而言将显而易见的是在本公开的范围内可实现更多的实施例和实施方式。因此，除根据所附权利要求及其等价物之外，本公开将不受限制。

Claims (14)

1.一种在风力发电系统中确定用于储能系统的输出功率参考值的方法，包括：
对实际风电功率输出进行滤波以获得输送到电网的期望功率输出；
根据所述实际风电功率输出和输送到所述电网的所述期望功率输出来确定用于所述储能系统的输出功率参考值；以及
基于下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值；
其中，基于所述下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值包括以下各项中的任意一项：
如果所述预测风电功率输出的增加大于预定增加阈值，则增加用于所述储能系统的所述输出功率参考值；以及
如果所述预测风电功率输出的减小大于预定减小阈值，则减小用于所述储能系统的所述输出功率参考值；
其中，增加用于所述储能系统的所述输出功率参考值还包括：
将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与所述实际风电功率输出之间的差。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，减小用于所述储能系统的所述输出功率参考值还包括：
将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与所述实际风电功率输出之间的差。
3.根据权利要求1或2所述的方法，还包括：
基于变化率限制来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，基于变化率限制来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值还包括：
如果检测到负变化率越限，则将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出、在十分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与所述实际风电功率输出之间的差。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，基于变化率限制来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值还包括：
如果检测到正变化率越限，则将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出、在十分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与所述实际风电功率输出之间的差。
6.根据权利要求1、2、4和5中的任一项所述的方法，还包括：
在调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值之前，用下式所表示的功率值h(t)来修改用于所述储能系统的所述输出功率参考值
h(t)＝1/T[E(t)-EBnm1-αTPset(t)]
其中，T表示用于对所述实际风电功率输出进行滤波的滤波器时间常数，E(t)表示在时间t处保留在所述储能系统中的能量，EBn表示所述储能系统的额定容量，m1表示最小能量百分比限制，α表示电池能量限制因数，并且Pset(t)表示输送到所述电网的所述期望功率输出。
7.根据权利要求1、2、4和5中的任一项所述的方法，还包括：
将用于所述储能系统的所述输出功率参考值限制在所述储能系统的输出功率幅度限制内。
8.一种用于在风力发电系统中确定储能系统的输出功率参考值的设备，包括：
功率输出滤波单元，被配置成对实际风电功率输出进行滤波以获得输送到电网的期望功率输出；
功率参考值确定单元，被配置成根据所述实际风电功率输出和输送到所述电网的所述期望功率输出来确定用于所述储能系统的所述输出功率参考值；以及
功率预测调整单元，被配置成基于下一时间点的预测风电功率输出的变化来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值；
其中，所述功率预测调整单元还被配置成：
如果所述预测风电功率输出的增加大于预定增加阈值，则增加用于所述储能系统的所述输出功率参考值；和/或
如果所述预测风电功率输出的减小大于预定减小阈值，则减小用于所述储能系统的所述输出功率参考值；
其中，所述功率预测调整单元被配置成通过以下步骤来增加用于所述储能系统的所述输出功率参考值：
将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与所述实际风电功率输出之间的差。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述功率预测调整单元被配置成通过以下步骤来减小用于所述储能系统的所述输出功率参考值：
将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与所述实际风电功率输出之间的差。
10.根据权利要求8或9所述的设备，还包括：
变化率控制单元，被配置成基于变化率限制来调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述变化率控制单元被配置成：
如果检测到负变化率越限，则将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出、在十分钟功率输出变化率限制下的最小可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最小可允许总功率输出的最大值与所述实际风电功率输出之间的差。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述变化率控制单元被配置成：
如果检测到正变化率越限，则将用于所述储能系统的所述输出功率参考值确定为在一分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出、在十分钟功率输出变化率限制下的最大可允许总功率输出和在储能系统输出功率幅度限制下的最大可允许总功率输出的最小值与所述实际风电功率输出之间的差。
13.根据权利要求8、9、11和12中的任一项所述的设备，还包括：
荷电状态调整单元，被配置成在调整用于所述储能系统的所述输出功率参考值之前，用下式所表示的功率值h(t)来修改用于所述储能系统的所述输出功率参考值
h(t)＝1/T[E(t)-EBnm1-αTPset(t)]
其中，T表示用于对所述实际风电功率输出进行滤波的滤波器时间常数，E(t)表示在时间t处保留在所述储能系统中的能量，EBn表示所述储能系统的额定容量，m1表示最小能量百分比限制，α表示电池能量限制因数，并且Pset(t)表示输送到所述电网的所述期望功率输出。
14.根据权利要求8、9、11和12中的任一项所述的设备，还包括：
功率幅度限制单元，被配置成将用于所述储能系统的所述输出功率参考值限制在所述储能系统的输出功率幅度限制内。
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