CN105226719B - 用于风电功率调控的储能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种用于风电功率调控的储能控制系统，风电场经第一升压变压器接入高压母线，储能系统经第二升压变压器接入所述的高压母线，所述的高压母线连接交流电网，所述的储能系统包括储能介质、功率变换器和储能控制系统，所述的储能介质经功率变换器连接第二升压变压器，所述的储能控制系统采集风电场实时功率、储能介质荷电状态和电网频率信息并输出控制信号至功率变换器。本发明利用储能技术改善并网风电功率特性问题，能够在抑制风电功率波动的同时，可以响应电网频率的变化，模拟出类似于常规机组的惯量响应特性，并可以灵活切换到频率控制模式下，参与电网的一次调频，从而有效减小风电并网对电网频率稳定的负面影响。

Description

用于风电功率调控的储能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及应用于电力系统的储能技术领域，尤其涉及用于并网风电功率调控的储能控制系统。

背景技术

能源短缺和环境恶化是全球性问题，开发新能源，减少碳排放，是世界各国的共同选择，因而近年来风力发电技术得到迅猛发展。如何兼容这种具有强波动性和随机性的新型电源大量接入，且满足用户对电能质量越来越高的要求，已成为当前电网运行与控制遇到的新问题，现有技术体系和电力科学研究均面临巨大挑战。储能技术被认为是最有前途的技术途径之一，近年来得到了广泛的研究和应用。

风电功率具有强波动性和不确定性，且在现有风机控制策略下几乎不响应电网频率的变化。因此，在高渗透率风电接入电网情况下，为了实现电力系统的有功实时平衡，保证供电的充裕性、可靠性和电能质量，往往需要很大量的旋转备用，从而影响了电网运行的经济性。同时，大规模风电并网导致电网惯量降低的问题也正在引起高度关注，风电机组制造厂家已在开发风机惯量控制模块，以响应电网频率的动态变化。如何减小风电功率波动，且使风电场具有类似于常规机组的电网频率响应能力，以增强风电功率的电网友好性，是风电可持续、大规模发展的重要课题。

当前，在风电机组功率调控方面已有较多研究，大致可归纳为两种途径，其一是风电机组本身的控制，其二是利用储能技术。第一种途径的实现方法主要包括风机转子动能控制、备用功率控制和联合控制(即将前两种方法联合应用)等3种。该类方法几乎不需要额外的硬件投入，可以减少投资成本，但是存在控制器设计复杂、风能利用率降低、风机机械疲劳增加等不足。同时，这类方法宜于在风机设计制造时实现，对于已投运的机组改造成本则会很高，可操作性较差。

快速储能一般以电力电子装置作为能量转换接口，具有快速的功率响应能力，能够实现功率的双向调节。利用储能对并网风电功率进行调控，能够获得相对更好的功率特性和经济性，储能技术的快速发展为增强风电功率可控性提供一条有效途径。目前，利用储能提高风电功率特性方面的研究，多集中在抑制风电功率波动方面，而在参与电网一次调频，尤其是风电虚拟惯量控制方面的研究尚少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种能够在抑制风电功率波动的同时，可以响应电网频率的变化，模拟出类似于常规机组的惯量响应特性，并可以灵活切换到频率控制模式下，参与电网的一次调频，从而有效减小风电并网对电网频率稳定负面影响的储能控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：用于风电功率调控的储能控制系统，风电场经第一升压变压器接入高压母线，储能系统经第二升压变压器接入所述的高压母线，所述的高压母线连接交流电网，所述的储能系统包括储能介质、功率变换器和储能控制系统，所述的储能介质经功率变换器连接第二升压变压器，所述的储能控制系统采集风电场实时功率、储能介质荷电状态和电网频率信息并输出控制信号至功率变换器。

所述的功率变换器由AC/DC双向变换器和Boost型双向DC/DC斩波器构，所述的功率变换器连接在第二升压变压器的低压侧。

所述的储能控制系统包括功率监视器、功率控制器、电流控制器和元件控制器；

所述的功率监视器采集风电场实时功率、储能介质荷电状态和电网频率的信息，并输出储能交换的功率参考值至功率控制器；

所述的功率控制器根据功率参考值输出储能功率变换器的电流参考值至电流控制器；

所述的电流控制器根据电流参考值输出储能功率变换器的调制电压值至元件控制器；

所述的元件控制器根据调制电压值输出PWM调制信号至功率变换器。

所述的功率监视器包括虚拟惯量控制器、频率响应控制器和功率平滑控制器，所述的虚拟惯量控制器根据电网频率信息，输出用于惯量响应的储能功率参考值，所述的频率响应控制器或功率平滑控制器的输出选择性地叠加在虚拟惯量控制器的输出端。

所述的虚拟惯量控制器包括两个控制环节，第一个控制环节为用于实现模拟同步发电机转动惯量响应的虚拟惯量控制环节，第二个控制环节为用于补偿由储能系统的功率响应过程引起的相位滞后的储能相位补偿环节。

所述的频率响应控制器沿信号传递方向依次包括：

用于根据电网频率偏差的程度，激活或退出储能的频率响应模式的死区环节；

用于阻断频率偏差的稳态信号，使一次频率调整过程仅响应动态频率偏差信号，而对稳态频率差信号失效的高通滤波环节；

用于模拟同步发电机一次调频的下垂控制过程，使电网中的多台并联工作发电机能够按合适的比例参与频率控制的比例环节。

所述的功率平滑控制器包括低通滤波器和模糊推理单元。

一种基于功率监视器的控制方法，其特征在于：

功率监视器输出的功率指令值P_ref可表示为:

式中，由虚拟惯量控制器的输出，P'_{f_ref}为频率响应控制器或者功率平滑控制器的输出，通过判断电网的实时频率是否越限选择频率响应控制器或者功率平滑控制器输出，若越限则选择频率响应控制器，若未越限则选择功率平滑控制器。

所述功率监视器中的虚拟惯量控制器以电网频率f^*为输入，以用于惯量响应的储能功率指令值为输出，所述虚拟惯量控制器中的虚拟惯量控制环节用于实现模拟同步发电机转动惯量响应，储能相位补偿环节补偿由储能系统的功率响应过程引起的相位滞后；

所述功率监视器中的频率响应控制器的输入为电网频率变化量Δf^*，输出为用于一次调频响应的储能功率指令值所述频率响应控制器的死区环节根据电网频率偏差的程度，激活或退出储能的频率响应模式，高通滤波器环节阻断频率偏差的稳态信号，使一次频率调整过程仅响应动态频率偏差信号，而对稳态频率差信号失效，比例环节模拟同步发电机一次调频的下垂控制过程，使电网中的多台并联工作发电机能够按合适的比例参与频率控制；

所述功率监视器中的功率平滑控制器输入为风电功率P_wf和飞轮转速Ω，输出为储能工作于平滑功率模式时的功率指令值抑制风电功率波动，同时维持储能的荷电状态在允许的范围内。

本发明的有益效果如下：

(1)通过在风电场出口配置储能系统并设计其控制系统，使含储能的风电场对电网频率变化表现出类似于同步发电机惯量的响应特性，从而增大整个电力系统的惯量，使电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率的变化速度变慢，有利于电网频率稳定。

(2)根据电网实时运行的需要，储能控制系统可以在频率响应控制和功率平滑控制两种工作模式下无缝切换，从而在储能容量有限的情况下有效地提高风电功率的电网友好性。

(3)储能系统的虚拟惯量控制器和频率响应控制器是根据同容量的常规机组功/频响应特性进行设计的，从而使风电场具有与常规机组类似的电网一次调频响应过程。

(4)储能控制系统设计了储能荷电状态反馈控制环节，从而能够使储能系统在进行风电功率调控过程中，避免出现过充和过放的问题，从而能够延长储能系统的使用寿命。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明的储能控制系统结构示意图；

图2为图1中功率监视器原理图；

图3为图2中虚拟惯量控制器结构原理图；

图4为图2中频率响应控制器结构原理图；

图5为图2中功率平滑控制器结构原理图；

上述图中的标记均为：1、储能系统；2、风电场；3、第二升压变压器；4、第一升压变压器；5、高压母线；6、储能控制系统；7、功率变换器；8、功率监视器；9、功率控制器；10、电流控制器；11、元件控制器；12、虚拟惯量控制器；13、频率响应控制器；14、功率平滑控制器；15、储能介质。

具体实施方式

如图1所述，用于风电功率调控的储能控制系统6中，风电场2经第一升压变压器4接入高压母线5，储能系统1经第二升压变压器3接入所述的高压母线5，第一升压变压器4和第二升压变压器3的高压侧连接高压母线5，进而将储能系统1并联在风电场2出口的高压母线5处，高压母线5用于连接交流电网。

储能系统1包括储能介质15、功率变换器7和储能控制系统6，储能介质15经功率变换器7连接第二升压变压器3，储能控制系统6采集风电场2实时功率、储能介质15荷电状态和电网频率信息并输出控制信号至功率变换器7，功率变换器7由AC/DC双向变换器和Boost型双向DC/DC斩波器构成，功率变换器7连接在第二升压变压器3的低压侧。

通过储能控制系统6对储能功率变换器7实施控制，从而控制储能与电网之间的交换功率，实现储能在抑制风电功率波动的同时，使风电场2对电网频率变化的功率响应特性与常规同步发电机类似，从而虚拟出风电的惯量特性和一次调频响应过程，提高风电的负荷跟踪能力。

储能控制系统6从上至下分为4层，第1层为功率监视器8，其根据风电场2实时功率、储能荷电状态和电网频率等信息，应用所设计的控制算法，生成储能系统1交换功率的参考值；第2层为功率控制器9，其根据功率监视器8下发的功率参考值，生成储能功率变换器7的电流参考值；第3层为电流控制器10，其根据功率控制器9给出的电流参考值，生成储能功率变换器7的调制电压；第4层为元件控制器11，其根据电流控制器10的调制电压，生成PWM调制信号，控制电力电子开关的动作。

如图2所示，功率监视器8主要由虚拟惯量控制器12、频率响应控制器13和功率平滑控制器14等三个模块组成，功率监视器8输出的功率指令值P_ref可表示：

式中，为虚拟惯量控制器12的输出，P'_{f_ref}为频率响应控制器13或者功率平滑控制器14的输出，具体取决于软件开关S的位置，而S的位置又取决于电网的实时频率是否越限，如果越限则处于a位置，否则处于b位置。

虚拟惯量控制模块以电网频率偏差信号作为输入，生成用以模拟风电场2惯量特性的储能功率响应参考值，使风电功率对电网频率变化表现出类似于同步发电机惯量的响应特性，从而增大整个电力系统的惯量，使电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率的变化速度变慢，有利于电网频率稳定。频率响应控制器13和功率平滑控制器14是两种可以互相切换的工作模式，其取决于软件选择开关S的位置。一般情况下，电网频率能够维持在规定的频率上下限范围内，此时储能控制系统6工作于功率平滑控制模式(选择开关S处于b位置)，储能主要用于抑制风电功率波动；而当电网频率越限时，控制系统则切换到一次调频控制模式(选择开关S处于a位置)，从而使储能响应电网频率的变化，参与一次调频过程，帮助电网频率恢复。当频率恢复到允许的范围内后，储能则重新切换到平滑功率控制模式下工作，在抑制风电功率波动的同时，调整储能荷电状态，使其尽可能保持在合适的荷电状态下。虚拟惯量控制器12和频率响应控制器13输出的储能功率参考值，是按照同等容量常规机组的功/频响应特性进行设计的，从而使风电场2具有与常规机组类似的电网一次调频响应过程。

如图3所示，虚拟惯量控制器12以电网频率f^*为输入，以用于惯量响应的储能功率指令值为输出，包括两个控制环节，第1环节为虚拟惯量控制环节，其按式(2)设计，用于实现模拟同步发电机转动惯量响应；第2环节为一个比例-微分相位补偿环节，为了补偿由储能系统1的功率响应过程引起的相位滞后。该控制器中，惯量常数H可取与同步发电机一致的5～10s，本发明取10s；相位补偿环节的时间常数T_f1、T_f2可用留数法或优化算法求取。但是，由于储能的响应速度很快，时间常数T_f1、T_f2相对于H很小，一般情况下可以不考虑相位滞后的影响。

式中，ΔP_k ^*、ω^*、f^*分别是同步发电机的功率、转速和频率的实时采集值。

如图4所示，频率响应控制器13用以模拟同步发电机的一次调频特性。该控制器由死区环节、高通滤波环节和比例环节构成，其输入为电网频率变化量Δf^*，输出为用于一次调频响应的储能功率指令值死区环节可以根据电网频率偏差的程度，激活或退出储能的频率响应模式，本发明设置为±0.2Hz；高通滤波器环节则能阻断频率偏差的稳态信号，使一次频率调整过程仅响应动态频率偏差信号，而对稳态频率差信号失效；比例环节则为了模拟同步发电机一次调频的下垂控制过程，使电网中的多台并联工作发电机能够按合适的比例参与频率控制。

如图5所示，为了抑制风电功率波动，同时维持储能的荷电状态在允许的范围内，本发明采用模糊推理的方法确定储能的输出功率参考值。模糊推理的输入为风电功率P_wf和飞轮转速Ω，输出为储能工作于平滑功率模式时的功率指令值

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于风电功率调控的储能控制系统，风电场经第一升压变压器接入高压母线，储能系统经第二升压变压器接入所述的高压母线，所述的高压母线连接交流电网，其特征在于：

所述的储能系统包括储能介质、功率变换器和储能控制系统，所述的储能介质经功率变换器连接第二升压变压器，所述的储能控制系统采集风电场实时功率、储能介质荷电状态和电网频率信息并输出控制信号至功率变换器；

所述的储能控制系统包括功率监视器、功率控制器、电流控制器和元件控制器；

所述的功率监视器采集风电场实时功率、储能介质荷电状态和电网频率的信息，并输出储能交换的功率参考值至功率控制器；

所述的功率控制器根据功率参考值输出储能功率变换器的电流参考值至电流控制器；

所述的电流控制器根据电流参考值输出储能功率变换器的调制电压值至元件控制器；

所述的元件控制器根据调制电压值输出PWM调制信号至功率变换器；

所述的功率监视器包括虚拟惯量控制器、频率响应控制器和功率平滑控制器，所述的虚拟惯量控制器根据电网频率信息，输出用于惯量响应的储能功率参考值，所述的频率响应控制器或功率平滑控制器的输出选择性地叠加在虚拟惯量控制器的输出端。

2.根据权利要求1所述的用于风电功率调控的储能控制系统，其特征在于：所述的功率变换器由AC/DC双向变换器和Boost型双向DC/DC斩波器构成，所述的功率变换器连接在第二升压变压器的低压侧。

3.根据权利要求1所述的用于风电功率调控的储能控制系统，其特征在于：所述的虚拟惯量控制器包括两个控制环节，第一个控制环节为用于实现模拟同步发电机转动惯量响应的虚拟惯量控制环节，第二个控制环节为用于补偿由储能系统的功率响应过程引起的相位滞后的储能相位补偿环节。

4.根据权利要求3所述的用于风电功率调控的储能控制系统，其特征在于：所述的频率响应控制器沿信号传递方向依次包括：

用于根据电网频率偏差的程度，激活或退出储能的频率响应模式的死区环节；

用于阻断频率偏差的稳态信号，使一次频率调整过程仅响应动态频率偏差信号，而对稳态频率差信号失效的高通滤波环节；

用于模拟同步发电机一次调频的下垂控制过程，使电网中的多台并联工作发电机能够按合适的比例参与频率控制的比例环节。

5.根据权利要求1所述的用于风电功率调控的储能控制系统，其特征在于：所述的功率平滑控制器包括低通滤波器和模糊推理单元。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的功率监视器的控制方法，其特征在于：

功率监视器输出的功率指令值P_ref可表示为:

<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>e</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>P</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </mrow>

式中，为虚拟惯量控制器的输出，P′_{f_ref}为频率响应控制器或者功率平滑控制器的输出，通过判断电网的实时频率是否越限选择频率响应控制器或者功率平滑控制器输出，若越限则选择频率响应控制器，若未越限则选择功率平滑控制器。