CN105576703B - 基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，S1)设定平抑控制目标；S2)设定实测SOC为约束目标；S3)对功率样本频谱进行实时在线分析；S4)确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率；S5)分别确定超级电容和蓄电池的补偿频段和输出功率；S6)对超级电容输出功率进行约束调节；S7)对蓄电池输出功率进行约束调节。以实测荷电状态为约束目标，使荷电状态稳定在限定范围，保护了储能元件，避免了过充和深度放电，以平抑目标为控制目标，通过频谱分析，反演推出满足控制目标的储能元件补偿频段及目标输出功率，并完成混合储能的控制，即使新能源功率剧烈波动场合下也能满足平抑目标的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，属于新能源接入和微电网技术领域。
背景技术
随着我国常规能源供给形势日趋紧张和环境保护的迫切要求，越来越多的目光转向新能源，新能源的大力发展是解决能源短缺、能源利用与环境保护之间的尖锐矛盾的必然选择，光伏、风力发电等新能源发电技术得到了迅速发展，然而，新能源发电存在间歇性和供电不稳定性，大规模接入会对电网运行和管理带来的负面影响会日趋严重，因此，平抑新能源的输出功率波动对新能源的大规模并网具有重要意义。
光伏、风电等新能源发电具有很强的波动性，为了减小发电设备输出有功功率的波动，消除日功率负荷曲线的毛刺，需要储能系统对发电设备输出有功功率进行平滑处理，设计高效的控制优化策略，充分发挥储能容量的利用效率达到功率波动平抑目标，对于提高新能源功率波动平抑效果具有重要意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，包括以下步骤，
S1)设定平抑控制目标；
所述平抑控制目标为一定时间尺度内系统合成输出功率变化的预设目标；
S2)设定实测SOC为约束目标；
即分别设定超级电容和蓄电池的SOC上限值、SOC最大值、SOC下限值和SOC最小值；
S3)对功率样本频谱进行实时在线分析，得到功率样本频谱的幅值、频率以及Nyquist频率；
S4)确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率；
S5)分别确定超级电容和蓄电池的补偿频段和输出功率；
S6)根据S2)的约束目标对超级电容输出功率进行约束调节，控制超级电容的储能输出进行功率波动平抑；
S7)根据S2)的约束目标对蓄电池输出功率进行约束调节，控制蓄电池的储能输出进行功率波动平抑。
平抑控制目标公式为，
其中，γ为平抑控制目标，P0为目标总输出功率，max(P0)、min(P0)为目标总输出功率的最大值和最小值，Prace为额定功率。
步骤S3中，功率样本频谱的幅值为，
Sdg＝F(Pdg)＝[Sdg(1),...,Sdg(n),...，Sdg(Ns)]T
其中，Sdg为功率样本频谱幅值，Pdg＝[Pdg(1),...,Pdg(n),...,Pdg(Ns)]T为可再生能源功率输出样本数据，F(·)为离散傅里叶变换，Pdg(n)为第n个采样点数据，Sdg(n)为第n个采样点幅值，n∈[1,Ns]且为整数，Ns为采样点个数，T为样本时间窗；
功率样本频谱的频率为，
其中，fdg(n)为第n个采样点频率，fs为Pdg的采样频率，Ts为Pdg的采样周期；
功率样本频谱的Nyquist频率为，
其中，fN为Nyquist频率。
确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率的过程为，
A1)设定初始的补偿频段fps＝fps0；
A2)根据补偿频段fps，得到S0；
S0＝[S0(1),...,S0(n),...,S0(Ns)]T表征经储能补偿后的目标功率输出对应的频谱分析向量序列，S0(n)为S0中的向量，S0(n)表达式为：
其中，Sg(n)为第n个采样点功率频谱向量值，fn为第n个采样点频率；
A3)对S0进行DFT反变换，得到目标总输出功率P0
P0＝DFT-1(S0)
A4)根据平抑控制目标公式，计算P0的波动率γp；
A5)校验波动率γp是否满足设定的平抑控制目标，如果不满足，则转至步骤A6，否则，转至步骤A7；
A6)增加补偿频段fps1＝fps+Δf，Δf为补偿频段增量步长，Δf∈[0,fN]，并将fps1赋值给fps，转至步骤A2；
A7)得到总补偿频段fD，fD＝fps。
设定K×100％的高频波动由超级电容滤除，则超级电容的补偿频段为[fD+(fN-fD)×K,fN]，记为fsc，蓄电池的补偿频段为[fD,fD+(fN-fD)×K]，记为fsb；其中，K∈[1,100]且为整数；
根据超级电容fsc，得出超级电容的输出功率频域指令
其中，fnc为超级电容补偿频段中第n个采样点频率，Sg′(n)超级电容补偿频段中第n个采样点功率频谱向量值，计算超级电容的输出功率Psc＝DFT-1(Ssc)，式中Ssc＝[Ssc(1),...,Ssc(n),...,Ssc(Ns)]T代表超级电容输出的功率频谱样本,DFT-1(Ssc)代表对Ssc进行离散傅里叶反变换，则蓄电池的输出功率Psb＝P0-Psc。
输出功率约束调节规则如下，
当Psg＞0时，
当Psg＜0时，
其中，Psg为荷电状态反馈调节前的储能元件输出功率，储能元件为超级电容或蓄电池，Psgout为荷电状态反馈调节后的储能元件输出功率，Psgmax为储能元件最大输出功率，Ssoc为实测荷电状态值，为储能元件正常工作的SOC下限值，为储能元件正常工作的SOC上限值，为只允许储能元件充电的SOC最小值，为只允许储能元件放电的SOC最大值。
本发明所达到的有益效果：1)对新能源发电输出功率谱中频繁波动部分和平滑部分分别进行特征量提取，由超级电容承担系统输出功率波动中频繁变化的部分，由蓄电池储能承担系统输出功率波动平滑部分，充分发挥超级电容储能功率密度大，循环寿命长和蓄电池能量密度大，成本低的互补优势，提高储能整体的利用效率；2)以实测荷电状态(SOC)为约束目标，当SOC在限定范围内时，按照功率谱分析的结果进行输出功率的平抑，如果超出限定范围，按照当前荷电状态进行充放电限制，从而使荷电状态稳定在限定范围，保护了储能元件，避免了过充和深度放电；3)以平抑目标为控制目标，通过频谱分析，反演推出满足控制目标的储能元件补偿频段及目标输出功率，并完成混合储能的控制，即使新能源功率剧烈波动场合下也能满足平抑目标的要求。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率的流程图。
图3为输出功率约束调节规则图。
图4为本发明的于功率谱分析的混合储能协调控制技术的SOC反馈调节图。
图5为本发明的于功率谱分析的混合储能协调控制技术的储能系统输出功率图。
图6为本发明的于功率谱分析的混合储能协调控制技术的储能系统功率波动图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，包括以下步骤：
S1)设定平抑控制目标。
平抑控制目标为一定时间尺度内系统合成输出功率变化的预设目标。
平抑控制目标公式为，
其中，γ为平抑控制目标，P0为目标总输出功率，max(P0)、min(P0)为目标总输出功率的最大值和最小值，Prace为额定功率。
平抑控制目标可以设定多时间尺度的控制目标，例如，考虑到电力系统的稳定性和经济性，设定两个尺度的平抑目标：a)在任意1min的时间尺度内，系统合成输出功率变化的预设目标γ1；b)在任意10min的时间尺度内，系统合成输出功率变化预设目标γ2。
S2)设定实测SOC为约束目标，即分别设定超级电容和蓄电池的SOC上限值、SOC最大值、SOC下限值和SOC最小值。
S3)对功率样本频谱进行实时在线分析，得到功率样本频谱的幅值、频率以及Nyquist频率。
功率样本频谱的幅值为，
Sdg＝F(Pdg)＝[Sdg(1),...,Sdg(n),...,Sdg(Ns)]T
其中，Sdg为功率样本频谱幅值，Pdg＝[Pdg(1),...,Pdg(n),...,Pdg(Ns)]T为可再生能源功率输出样本数据，F(·)为离散傅里叶变换，Pdg(n)为第n个采样点数据，Sdg(n)为第n个采样点幅值，n∈[1,Ns]且为整数，Ns为采样点个数，T为样本时间窗。
功率样本频谱的频率为，
其中，fdg(n)为第n个采样点频率，fs为Pdg的采样频率，Ts为Pdg的采样周期。
功率样本频谱的Nyquist频率为，
其中，fN为Nyquist频率。
由采样定理和离散傅里叶变换数据的对称性可知，Sdg以Nyquist频率fN为对称轴，两侧对称的复序列互为共轭，模相等，故只需要考虑0～fN频率范围的幅频特性。
S4)确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率。
具体过程如图2所示：
A1)设定初始的补偿频段fps＝fps0；
A2)根据补偿频段fps，得到S0；
S0＝[S0(1),...,S0(n),...,S0(Ns)]T代表经储能补偿后的目标功率输出对应的频谱分析向量序列，S0(n)为S0中的向量，S0(n)表达式为：
其中，Sg(n)为第n个采样点功率频谱向量值，fn为第n个采样点频率；
A3)对S0进行DFT反变换，得到目标总输出功率P0
P0＝DFT-1(S0)
A4)根据平抑控制目标公式，计算P0的波动率γp；
A5)校验波动率γp是否满足设定的平抑控制目标，即迭代计算满足γp＜γ1或γp＜γ2，如果不满足，则转至步骤A6，否则，转至步骤A7；
A6)增加补偿频段fps1＝fps+Δf，Δf为补偿频段增量步长，Δf∈[0,fN]，这里Δf一般取0.002Hz，并将fps1赋值给fps，转至步骤A2；
A7)得到总补偿频段fD，fD＝fps。
S5)分别确定超级电容和蓄电池的补偿频段和输出功率。
设定K×100％的高频波动由超级电容滤除，则超级电容的补偿频段为[fD+(fN-fD)×K,fN]，记为fsc，蓄电池的补偿频段为[fD,fD+(fN-fD)×K]，记为fsb；其中，K∈[1,100]且为整数，这里的K一般为80。
根据超级电容fsc，得出超级电容的输出功率频域指令
其中，fnc为超级电容补偿频段中第n个采样点频率，Sg′(n)超级电容补偿频段中第n个采样点功率频谱向量值，计算超级电容的输出功率Psc＝DFT-1(Ssc)，式中Ssc＝[Ssc(1),...,Ssc(n),...,Ssc(Ns)]T代表超级电容输出的功率频谱样本,DFT-1(Ssc)代表对Ssc进行离散傅里叶反变换，则蓄电池的输出功率Psb＝P0-Psc。
S6)根据S2)的约束目标对超级电容输出功率进行约束调节，控制超级电容的储能输出进行功率波动平抑。
S7)根据S2)的约束目标对蓄电池输出功率进行约束调节，控制蓄电池的储能输出进行功率波动平抑。
步骤S6和S7中的输出功率约束调节规则是相同的，具体如图3所示，
当Psg＞0时，
当Psg＜0时，
其中，Psg为荷电状态反馈调节前的储能元件输出功率，储能元件为超级电容或蓄电池，Psgout为荷电状态反馈调节后的储能元件输出功率，Psgmax为储能元件最大输出功率，Ssoc为实测荷电状态值，为储能元件正常工作的SOC下限值，为储能元件正常工作的SOC上限值，为只允许储能元件充电的SOC最小值，为只允许储能元件放电的SOC最大值。
为了验证采用本发明专利的技术能达到设定的平抑控制目标，对本发明专利的技术进行仿真验证。仿真的数据取自某实际工程现场2MW风机的功率输出，功率样本时间间隔200ms，仿真时长为5小时。如下：
(1)本次仿真平抑控制目标是将风机1分钟内功率波动控制在10％范围内，即设定系统合成输出功率变化的预设目标γ1＝0.1。
(2)本次仿真的超级电容和蓄电池的SOC约束相同，
(3)采用本发明的技术，SOC反馈调节仿真结果如图4所示。
LINE1为SOC反馈调节前功率输出，LINE2为SOC反馈调节后功率输出，从图4可以看出，在7900s到8065s区间，SOC处于低限值与最小值区间，此时进行SOC反馈调节，按Pout＝Ssoc×Pmax减小放电功率，在8065s到8100s区间SOC超过了最小值，限制其输出Pout＝0，经过SOC反馈调节可以保证储能SOC被控制在合理范围内，避免了过度充放电，提高蓄电池寿命。
(4)采用本发明的技术，超级电容和蓄电池的储能输出仿真结果如图5所示。
图5为8600s到9000s时间区间的功率输出图，LINE1为储能系统总功率输出，LINE2为超级电容功率输出，LINE3为蓄电池功率输出，从图中可以看出，大部分功率波动均由超级电容LINE2输出控制，部分功率波动由蓄电池储能输出。充分发挥超级电容储能功率密度大，循环寿命长和蓄电池能量密度大，成本低的互补优势，提高储能整体的利用效率。
(5)采用本发明的技术，功率波动输出的仿真结果如图6所示。
从图6可以看出，采用本发明专利的技术，功率波动率均有效控制在0.1范围内，无功率波动越限的情况发生。
综上所示，本发明通过对新能源发电输出功率谱中频繁波动部分和平滑部分分别进行特征量提取，由超级电容承担系统输出功率波动中频繁变化的部分，由蓄电池储能承担系统输出功率波动平滑部分，充分发挥超级电容储能功率密度大，循环寿命长和蓄电池能量密度大，成本低的互补优势，提高储能整体的利用效率；本发明以实测荷电状态(SOC)为约束目标，当SOC在限定范围内时，按照功率谱分析的结果进行输出功率的平抑，如果超出限定范围，按照当前荷电状态进行充放电限制，从而使荷电状态稳定在限定范围，保护了储能元件，避免了过充和深度放电；本发明以平抑目标为控制目标，通过频谱分析，反演推出满足控制目标的储能元件补偿频段及目标输出功率，并完成混合储能的控制，即使新能源功率剧烈波动场合下也能满足平抑目标的要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1)设定平抑控制目标；
所述平抑控制目标为一定时间尺度内系统合成输出功率变化的预设目标；
S2)设定实测SOC为约束目标；
即分别设定超级电容和蓄电池的SOC上限值、SOC最大值、SOC下限值和SOC最小值；
S3)对功率样本频谱进行实时在线分析，得到功率样本频谱的幅值、频率以及Nyquist频率；
S4)确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率；
S5)分别确定超级电容和蓄电池的补偿频段和输出功率；
设定K×100％的高频波动由超级电容滤除，则超级电容的补偿频段为[fD+(fN-fD)×K,fN]，记为fsc，蓄电池的补偿频段为[fD,fD+(fN-fD)×K]，记为fsb；其中，K∈[1,100]且为整数，fD为总补偿频段，fN为Nyquist频率；
根据超级电容fsc，得出超级电容的输出功率频谱向量其中，fnc为超级电容补偿频段中第n个采样点频率，Sg′(n)超级电容补偿频段中第n个采样点功率频谱向量值，计算超级电容的输出功率Psc＝DFT-1(Ssc)，式中Ssc＝[Ssc(1),...,Ssc(n),...,Ssc(Ns)]T代表超级电容输出功率频谱样本，Ns为采样点个数，T为样本时间窗，DFT-1(Ssc)代表对Ssc进行离散傅里叶反变换，则蓄电池的输出功率Psb＝P0-Psc；其中，P0为目标总输出功率；
S6)根据S2)的约束目标对超级电容输出功率进行约束调节，控制超级电容的储能输出进行功率波动平抑；
S7)根据S2)的约束目标对蓄电池输出功率进行约束调节，控制蓄电池的储能输出进行功率波动平抑。
2.根据权利要求1所述的基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，其特征在于：平抑控制目标公式为，
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其中，γ为平抑控制目标，P0为目标总输出功率，max(P0)、min(P0)为目标总输出功率的最大值和最小值，Prace为额定功率。
3.根据权利要求1述的基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，其特征在于：步骤S3中，功率样本频谱的幅值为，
Sdg＝F(Pdg)＝[Sdg(1),...,Sdg(n),...,Sdg(Ns)]T
其中，Sdg为功率样本频谱幅值，Pdg＝[Pdg(1),...,Pdg(n),...,Pdg(Ns)]T为可再生能源功率输出样本数据，F(·)为离散傅里叶变换，Pdg(n)为第n个采样点数据，Sdg(n)为第n个采样点幅值，n∈[1,Ns]且为整数；
功率样本频谱的频率为，
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<mi>f</mi>
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其中，fdg(n)为第n个采样点频率，fs为Pdg的采样频率，Ts为Pdg的采样周期；
功率样本频谱的Nyquist频率为，
<mrow>
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<mi>f</mi>
<mi>N</mi>
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<mo>=</mo>
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其中，fN为Nyquist频率。
4.根据权利要求3所述的基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，其特征在于：确定混合储能系统总补偿频段和总输出功率的过程为，
A1)设定初始的补偿频段fps＝fps0；
A2)根据补偿频段fps，得到S0；
S0＝[S0(1),...,S0(n),...,S0(Ns)]T代表经储能补偿后的目标功率输出对应的频谱分析向量序列，S0(n)为S0中的向量，S0(n)表达式为：
<mrow>
<msub>
<mi>S</mi>
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
</mrow>
其中，Sg(n)为第n个采样点功率频谱向量值，fn为第n个采样点频率；
A3)对S0进行DFT反变换，得到目标总输出功率P0
P0＝DFT-1(S0)
A4)根据平抑控制目标公式，计算P0的波动率γp；
A5)校验波动率γp是否满足设定的平抑控制目标，如果不满足，则转至步骤A6，否则，转至步骤A7；
A6)增加补偿频段fps1＝fps+Δf，Δf为补偿频段增量步长，Δf∈[0,fN]，并将fps1赋值给fps，转至步骤A2；
A7)得到总补偿频段fD，fD＝fps。
5.根据权利要求1所述的基于功率频谱实时在线分析的混合储能协调控制方法，其特征在于：输出功率约束调节规则如下，
当Psg＞0时，
当Psg＜0时，
其中，Psg为荷电状态反馈调节前的储能元件输出功率，储能元件为超级电容或蓄电池，Psgout为荷电状态反馈调节后的储能元件输出功率，Psgmax为储能元件最大输出功率，Ssoc为实测荷电状态值，为储能元件正常工作的SOC下限值，为储能元件正常工作的SOC上限值，为只允许储能元件充电的SOC最小值，为只允许储能元件放电的SOC最大值。
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