CN105406498A - 风力发电混合储能系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种风力发电混合储能系统控制方法，采用小波包分解的方法将风电波动功率信号进行分解，将储能系统目标功率和储能设备的荷电状态通过模糊控制器得到功率修正系数，对储能系统目标功率进行一次修正，同时将蓄电池和超级电容器修正功率补偿量进行二次互补修正，有效地对并网点功率平滑程度以及储能设备荷电状态波动范围进行了优化。

Description

风力发电混合储能系统控制方法

技术领域：

本发明属于风电混合储能技术领域，具体涉及一种风电混合储能系统控制方法。

背景技术：

风能的充分利用对环境改善起到了很大的推动作用，风力发电得到大力地发展。由于风自身的波动性及不可确定性，风力发电的输出对风电并网稳定性具有重要影响。随着风力发电的不断发展，对风电并网的稳定性提出了更高的要求。由于风力发电储能系统能够平抑风电功率波动，储能系统控制方法的研究具有重要意义。

在对风电波动功率进行小波包分解时，采用蓄电池超级电容器混合储能系统平抑风电功率波动在一定程度上缓解了单一蓄电池储能的频繁充放电现象，但在蓄电池和超级电容器容量一定时，会出现荷电状态过限的情况，荷电状态的过限将严重影响储能设备的使用寿命。

发明内容：

发明目的：

本发明提供了一种风电混合储能系统控制方法，其目的是为了平抑风电功率波动，提高储能设备的使用寿命。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案实施的：

一种风力发电混合储能系统控制方法，其特征在于：采用小波包多层分解的方法将风电波动功率P(t)信号分解为低频P_L(t)、次高频P_M(t)、高频P_H(t)部分；

低频信号P_L(t)为第n层小波包分解的P_n,0(t)重构信号，通过分析P_n,1(t)～P_n,n-1(t)重构信号的幅频特性，确定次高频和高频信号的频率分界频率f_s，当f_k<f_s时，将频率f_k对应的重构信号P_n,k(t)划分为次高频信号；当f_k≥f_s时，将频率f_k对应的重构信号P_n,k(t)划分为高频信号，其数学表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_M\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}{P}_{n,m}\left(t\right)\\ P_H\left(t\right)=\underset{m=s+1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{P}_{n,m}\left(t\right)\end{array}\right.;$

该控制方法采用模糊控制的方法，所述模糊控制的方法由以下步骤组成：

(1)风电波动功率P(t)进行小波包分解，将风电波动功率分解为低频、次高频以及高频信号，将低频信号P_L(t)作为风电并网期望值，将次高频信号P_M(t)作为蓄电池储能的目标功率值输入到模糊控制器1的第一个输入端，将高频信号P_H(t)作为超级电容器储能的目标功率值输入到模糊控制器2的第一个输入端；

(2)模糊控制器1的第二个输入端为蓄电池设备的荷电状态，模糊控制器2的第二个输入端为超级电容器设备的荷电状态；模糊控制器输出分别为功率修正值ΔP_b和ΔP_sc；

(3)将超级电容器的功率修正值作为蓄电池储能功率补偿值，将蓄电池的功率修正值作为超级电容器储能功率补偿值，对储能系统输出功率进行二次互补修正。

所述风力发电混合储能系统控制方法，其特征在于：

所述模糊控制器的控制方法为：对输入到模糊控制器的两个输入端的输入量进行修改：

第一个输入量δ₁为储能系统输出功率目标值P^*与最大输出功率P_max的比值，计算方法为：

${\mathrm{\&delta;}}_1=\frac{P^{*}}{P_{max}}$

第二个输入量δ₂为储能系统当前荷电状态值soc与初始值soc₀的差值与初始值soc₀的比值，计算方法为：

${\mathrm{\&delta;}}_2=\frac{soc-{\mathrm{soc}}_0}{{\mathrm{soc}}_0}$

模糊控制器输出的功率修正值ΔP为：

ΔP＝P^*+k_λP_max

其中的模糊集为：

δ₁＝{NB,NS,ZE,PS,PB}

δ₂＝{NB,ZE,PB}

k_λ＝{NB,NS,ZE,PS,PB}

其中k_λ为输出功率修正系数，当储能设备荷电状态适中时，输出功率修正系数k_λ为零，储能系统输出功率目标值不改变；

当储能设备荷电状态枯竭且当前状态为放电时，调整输出功率修正系数k_λ，使得储能系统放电功率目标值略微降低；

当储能设备荷电状态饱和且当前状态为充电时，调整输出功率修正系数k_λ，使得储能系统充电功率目标值略微降低。

优点和效果：

本发明基于小波包分解和模糊控制提出了一种风力发电混合储能系统的控制新方法。该方法通过蓄电池超级电容器混合储能系统平抑风电功率波动，采用小波包分解将风电功率分解为低频、次高频和高频分量，利用蓄电池和超级电容器的互补特性分别平抑次高频和高频分量。通过对储能系统目标功率进行一次修正，同时将蓄电池和超级电容器修正功率补偿量进行二次互补修正，有效地对并网点功率平滑程度以及储能设备荷电状态波动范围进行了优化，证明了控制策略的优越性。

附图说明：

图1为混合储能系统模糊控制策略图。

图2为蓄电池和超级电容器第一个输入量的隶属度函数图。

图3为蓄电池第二个输入量的隶属度函数图。

图4为超级电容器第二个输入量的隶属度函数图。

图5为功率最大变化量对比图。

图6为加模糊控制器储能系统的荷电状态图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

本发明对风电波动功率进行小波包多层分解，将分解后的低频部分作为风电并网期望值，次高频部分作为蓄电池储能目标功率，高频部分作为超级电容器储能目标功率。将储能系统目标功率和储能设备的荷电状态通过模糊控制器得到功率修正系数，对储能系统目标功率进行一次修正，同时将蓄电池和超级电容器修正功率补偿量进行二次互补修正。通过对比修正前后风电并网功率平滑程度以及荷电状态波动范围，验证了该控制策略的优越性。

基于小波包分解的混和储能系统功率分配

本发明对风电波动功率信号P(t)进行n层小波包分解，并将分解后的信号分为低频、次高频和高频部分。低频信号P_L(t)为第n层小波包分解的P_n,0(t)重构信号，通过分析P_n,1(t)～P_n,n-1(t)重构信号的幅频特性，确定次高频和高频信号的频率分界频率f_s，当f_k<f_s时，将频率f_k对应的重构信号P_n,k(t)划分为次高频信号；当f_k≥f_s时，将频率f_k对应的重构信号P_n,k(t)划分为高频信号。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_M\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}{P}_{n,m}\left(t\right)\\ P_H\left(t\right)=\underset{m=s+1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{P}_{n,m}\left(t\right)\end{array}\right.$

将次高频信号P_M(t)作为蓄电池储能系统的目标功率值，将高频信号P_H(t)作为超级电容器储能系统的目标功率值。

混合储能系统充放电控制方法

基于模糊控制的混合储能系统充放电控制方法

采用蓄电池超级电容器混合储能系统平抑风电功率波动在一定程度上缓解了单一蓄电池储能的频繁充放电现象，但在蓄电池和超级电容器容量一定时，会出现荷电状态过限的情况，荷电状态的过限将严重影响储能设备的使用寿命。本发明提出一种适用于风电的混合储能模糊控制策略，其控制框图如图1所示。

由图1可知，混合储能系统控制主要分为以下三部分：

(1)风电波动功率P(t)通过小波包分解后，将次高频信号P_M(t)作为蓄电池储能的目标功率值输入到模糊控制器1，将高频信号P_H(t)作为超级电容器储能的目标功率值输入到模糊控制器2。

(2)模糊控制器1的第二个输入端为蓄电池设备的荷电状态，模糊控制器2的第二个输入端为超级电容器设备的荷电状态。模糊控制器输出分别为功率修正值ΔP_b和ΔP_sc。

(3)将超级电容器的功率修正值作为蓄电池储能功率补偿值，将蓄电池的功率修正值作为超级电容器储能功率补偿值，对储能系统输出功率进行二次互补修正。

模糊控制器设计：

模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型，并能克服非线性因素的影响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性。本发明通过模糊控制器对储能设备的荷电状态进行优化，具体控制策略如下：

(1)当储能设备荷电状态适中时，输出功率调整系数k_λ为零，储能系统输出功率目标值不改变。

(2)当储能设备荷电状态枯竭且当前状态为放电时，输出功率调整系数k_λ，使得储能系统放电功率目标值略微降低。

(3)当储能设备荷电状态饱和且当前状态为充电时，输出功率调整系数k_λ，使得储能系统充电功率目标值略微降低。

综上所述，在混合储能系统荷电状态过限时，对混和储能系统功率目标值做适当调整，使混合储能系统荷电状态保持在安全范围内。

为了满足模糊控制器输入值的对称性，本发明对模糊控制器的两个输入量进行修改。设第一个输入量δ₁为储能系统输出功率目标值与最大输出功率的比值：

${\mathrm{\&delta;}}_1=\frac{P^{*}}{P_{max}}$

第二个输入量δ₂为储能系统荷电状态为当前荷电状态值与初始值的差值与初始值的比值：

${\mathrm{\&delta;}}_2=\frac{soc-{\mathrm{soc}}_0}{{\mathrm{soc}}_0}$

模糊控制器输出的功率修正值为

ΔP＝P^*+k_λP_max

本发明定义的模糊集为：

δ₁＝{NB,NS,ZE,PS,PB}

δ₂＝{NB,ZE,PB}

k_λ＝{NB,NS,ZE,PS,PB}

定义模糊控制器1和2的第一个输入量的论域都为[-1，1]，隶属度函数如图2所示。模糊控制器1第二个输入量的论域为[-0.8,0.8]，隶属度函数如图3所示；模糊控制器2第二个输入量的论域[-0.9，0.9]，隶属度函数如图4所示。

蓄电池储能的模糊控制规则如表1所示。超级电容器的模糊控制规则与蓄电池相同，仅第一个输入量的论域不同。

表1蓄电池储能的模糊控制规则

未加二次修正储能系统与加二次修正储能系统的风电并网功率最大变化量对比图如图5所示，采用模糊控制器时蓄电池和超级电容器的荷电状态曲线如图6所示。采用模糊控制器后蓄电池和超级电容器荷电状态波动范围均处于安全范围内，证明了该模糊控制策略有效优化了储能设备的荷电状态，提高了储能系统的使用寿命。

Claims (2)

1.一种风力发电混合储能系统控制方法，其特征在于：采用小波包多层分解的方法将风电波动功率P(t)信号分解为低频P_L(t)、次高频P_M(t)、高频P_H(t)部分；

低频信号P_L(t)为第n层小波包分解的P_n,0(t)重构信号，通过分析P_n,1(t)～P_n,n-1(t)重构信号的幅频特性，确定次高频和高频信号的频率分界频率f_s，当f_k<f_s时，将频率f_k对应的重构信号P_n,k(t)划分为次高频信号；当f_k≥f_s时，将频率f_k对应的重构信号P_n,k(t)划分为高频信号，其数学表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_M\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{s}{\&Sigma;}}{P}_{n,m}\left(t\right)\\ P_H\left(t\right)=\underset{m=s+1}{\overset{n-1}{\&Sigma;}}{P}_{n,m}\left(t\right)\end{array}\right.;$

该控制方法采用模糊控制的方法，所述模糊控制的方法由以下步骤组成：

(1)风电波动功率P(t)进行小波包分解，将风电波动功率分解为低频、次高频以及高频信号，将低频信号P_L(t)作为风电并网期望值，将次高频信号P_M(t)作为蓄电池储能的目标功率值输入到模糊控制器1的第一个输入端，将高频信号P_H(t)作为超级电容器储能的目标功率值输入到模糊控制器2的第一个输入端；

(2)模糊控制器1的第二个输入端为蓄电池设备的荷电状态，模糊控制器2的第二个输入端为超级电容器设备的荷电状态；模糊控制器输出分别为功率修正值ΔP_b和ΔP_sc；

(3)将超级电容器的功率修正值作为蓄电池储能功率补偿值，将蓄电池的功率修正值作为超级电容器储能功率补偿值，对储能系统输出功率进行二次互补修正。

2.根据权利要求1所述风力发电混合储能系统控制方法，其特征在于：

所述模糊控制器的控制方法为：对输入到模糊控制器的两个输入端的输入量进行修改：

第一个输入量δ₁为储能系统输出功率目标值P^*与最大输出功率P_max的比值，计算方法为：

${\mathrm{\&delta;}}_1=\frac{P^{*}}{P_{max}}$

第二个输入量δ₂为储能系统当前荷电状态值soc与初始值soc₀的差值与初始值soc₀的比值，计算方法为：

${\mathrm{\&delta;}}_2=\frac{soc-{\mathrm{soc}}_0}{{\mathrm{soc}}_0}$

模糊控制器输出的功率修正值ΔP为：

ΔP＝P^*+k_λP_max

其中的模糊集为：

δ₁＝{NB,NS,ZE,PS,PB}

δ₂＝{NB,ZE,PB}

k_λ＝{NB,NS,ZE,PS,PB}

其中k_λ为输出功率修正系数，当储能设备荷电状态适中时，输出功率修正系数k_λ为零，储能系统输出功率目标值不改变；

当储能设备荷电状态枯竭且当前状态为放电时，调整输出功率修正系数k_λ，使得储能系统放电功率目标值略微降低；

当储能设备荷电状态饱和且当前状态为充电时，调整输出功率修正系数k_λ，使得储能系统充电功率目标值略微降低。