CN105896573A - 一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源控制技术领域，涉及一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法。本发明首先通过原子分解，将波动的功率信号分解为一系列原子信号的线性组合，然后设定截止频率将分解后的线性信号重构成高、中、低频分量，作为三种储能设备的给定功率。本发明的有益效果为，本发明同时提出的一种基于正弦原子振荡的多时间尺度能量管理策略，实现波动功率在三种储能装置间合理分配，该储能系统及控制方法考虑了不同储能设备物理特性和限制，通过优化组合实现延迟避短，有效提高了储能系统整体的效费比。

Description

一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法

技术领域

本发明属于能源控制技术领域，涉及一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法。

背景技术

能源互联网是面向未来的能源供给基础设施,可实现更加安全、经济的清洁能源的生产、转换、存储和消费,从而极大提升能源综合利用效率,支撑可持续的生态文明社会发展。在能源互联网中，能源的生产、传输和消费一体，并以风力和光伏发电等新能源作为主要的能源来源，如何实现新能源的积极消纳和综合利用成为能源互联网首要解决的问题之一。储能技术可以有效控制清洁电力能量流的不确定性，并使能量的时空转移、能量流的有序流动成为可能，因而也成为能源互联网的重要技术支撑和不可或缺的核心组成单元。

储能相当于能源互联网中的缓存，是能源路由器的重要组侧部分，由于能源互联网中电源、负荷波动情况具有随机、难预测、多时间尺度等特征，单一的储能设备难以满足其平抑功率波动的需求。功率型储能设备具有响应速度快、循环寿命长的特点，但是其储能能量不足，致使其无法长时间的提供能量；能量型储能设备的虽然能量密度高，但是响应速度慢、循环寿命短。因此，混合储能成为能源互联网的必然选择。

混合储能系统中，如何在保证平抑效果的前提下，尽可能的提高储能装置的寿命，降低储能成本是一个重要的问题，因此储能装置组合配置是混合储能需要解决的一个重要问题；其次如何根据不同储能装置的响应特征制定合适的协调控制策略是控制混合储能系统的另一个难题，特别是在能源互联网中存在大量一类随机、非线性、不稳定的可再生能源波动，传统额低通滤波分解存在频谱混叠，难以精确提取其特征，尤其当储能装置种类增多后，需要多个滤波函数，会进一步加大滤波误差。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法。

本发明的技术方案是：一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.获取储能系统所在的能源路由器当前时刻输出功率，将当前时刻输出功率作为储能系统的总的实时参考功率P_hess，将P_hess作为原始信号序列x(t)，x(t)的表达式如下公式1所示：

x(t)＝P_hess,t＝P_in,t-P_out,t (公式1)

公式1中，P_in,t为能源路由器输入功率，P_out,t为能源路由器输出功率，n为采样窗口大小；

b.构造不同时间尺度参数的衰减正弦量原子如下公式2所示：

公式2中，Aq为衰减正弦量的幅值，fq为频率，ρq为衰减系数，Φq表示相位，tsq和teq分别为衰减正弦量的起始时间和终止时间，u(t)为单位阶跃函数；

c.通过粒子群算法优化的匹配跟踪算法对步骤b中所述的原子进行原子分解，寻找最佳匹配阻尼正弦原子；假设本步骤经过了m次迭代，则步骤b中f(t)被分解为m个线性展开的子分量和一个残余值表示式如下公式3所示：

d.假设储能系统由飞轮、蓄电池和燃料电池组成，则获取飞轮、蓄电池和燃料电池目标功率的方法为：

将步骤c中所述公式3进行分离重构为高、中、低3个频段的分量R1、R2、R3，将中、低频分离分别作为蓄电池和燃料电池装置的目标功率剩余分量作为飞轮的给定功率，重构过程如下公式4所示：

公式4中，j 1，j2分别为重构过程中的预设的2个阈值。

进一步的，步骤c中所述通过粒子群算法优化的匹配跟踪算法对步骤b中所述的原子进行原子分解，寻找最佳匹配阻尼正弦原子的具体方法为：

c1.对粒子群中粒子的位置和速度进行随机初始化；设定种群的迭代次数为T；

c2.设定信号或信号残差与原子内积，采用单纯形局部搜索，计算粒子的初始适应度值；

c3.选取并保存确定个体最优位置和全局最优位置；

c4.执行变异操作，以新参量为标准构成新原子，将新原子与当前残余信号作内积进行迭代并更新自身的速度和位置，其迭代关系如下公式5所示：

公式5中，gr(m)为每次迭代分解过程的最佳原子，rm x为当前信号，rm-1x当前参与信号；

c5.计算更新后种群的适应度值，更新个体最优位置和全局最优位置；

c6.判断种群迭代次数是否达到T次，若达到则保存当次原子分解得出的种群的全局最优位置以及最佳适应度函数，否则回到步骤c5；

c7.判断以下两个条件之一是否得到满足：1、内积的增加值不足当前值得1％；2、当前残变量的增加值不足自身值得10％；如果满足，原子分解得出的最佳原子索引，转换成阻尼正弦原子参变量并保存，结束程序；否则回到步骤c2。

本发明的有益效果为，本发明同时提出的一种基于正弦原子振荡的多时间尺度能量管理策略，实现波动功率在三种储能装置间合理分配，该储能系统及控制方法考虑了不同储能设备物理特性和限制，通过优化组合实现延迟避短，有效提高了储能系统整体的效费比。

附图说明

图1为本发明的系统架构图；

图2为本发明的不同储能设备响应频段示意图；

图3为本发明分解和重构过程示意图；

图4为本发明步骤c的流程图；

图5是本发明仿真中一段模拟的能源路由器需要输出的功率给定信号；

图6是分解重构后提取给飞轮给定功率；

图7、是分解重构后提取给蓄电池的给定功率；

图8分别是分解重构后提取给燃料电池的给定功率。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

本发明所基于的混合储能系统，如图1所示，包括：电网、交直流混合微电网、分布式电源、负荷、混合储能系统。所述电网通过并网柜与交直流混合微电网交流母线连接，所述并网柜具备锁相功能，实现并网频率与相位的自动跟踪、调节；所述交流母线通过AC/DC逆变器与直流母线连接；所述混合储能系统由飞轮、蓄电池和燃料电池组成，所述飞轮与蓄电池通过双向DC/DC串联后经DC/DC接入直流母线，可实现(一)并网时为直流母线提供(吸纳)有功功率；(二)离网时稳定直流母线电压。串联拓扑形式可充分发挥飞轮响应速度快的优势，同时可通过蓄电池为飞轮提供有功功率支撑。所述燃料电池经过双向DC/DC接入直流母线，实现大容量储能。所述风电经过不控整流与双向DCDC接入直流母线，实现储能对波动功率的有效平滑。

所述DC/DC转换器为双向半桥DC/DC转换器；

所述AC/DC转换器为双向AC/DC转换器；

所述交流母线为380V交流母线连接。

所述第一直流母线为750V直流母线。

如图2所示为本发明复合储能的在频域上协调配合的特性，图中模拟了常见的能源路由器输出功率能量频谱特性，其功率波动呈现典型的多时间尺度特性，且波动能量集中在低频部分，随着频率增大能量减弱，根据能源互联网功率波动多时间尺度特性将燃料电池-蓄电池-飞轮三种储能组合在一起，其中燃料电池系统对小时级的波动功率“削峰填谷”，飞轮用来平抑秒级波动，改善电网的电能质量，蓄电池则平抑介于二者之间的波动。

图3所示为本发明基于正弦原子振荡的混合储能系统功率分配和协调控制方法，首先通过原子分解，将波动的功率信号分解为一系列原子信号的线性组合，然后设定截止频率将分解后的线性信号重构成高、中、低频分量，作为三种储能设备的给定功率，具体实现过程包括以下步骤：

步骤(1)根据储能系统所在的能源路由器当前时刻输出功率，得到储能系统的总的实时参考功率Phess，将其作为原始信号序列x(k)：

x(t)＝P_hess,k＝P_in,k-P_out,k k∈(1,2...n) (2)

式中，Pin,t为能源路由器输入功率，Pout,t为能源路由器输出功率，n为采样窗口大小。

步骤(2)根据储能系统的频率响应特点，构造不同时间尺度参数的衰减正弦量原子。

步骤(3)通过改进粒子群算法优化的匹配跟踪算法进行原子分解寻找最佳匹配阻尼正弦原子。

步骤(4)通过m次迭代后，最终x(k)被分解为m个线性展开的子分量和一个残余值rx m：

$x\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{r}_x^{n-1}\left(k\right)+r_m^x\left(k\right)$

步骤(5)选择合理的阈值，将上述分解后的信号分离重构为高、中、低3个频段的分量R1、R2、R3，中、低频分离分别作为蓄电池和燃料电池装置的目标功率剩余分量作为飞轮的给定功率。

附图4是步骤3中详细的流程图，包括以下过程：

1)对粒子群中粒子的位置和速度进行随机初始化。设定种群的迭代次数为T；

2)设定信号或信号残差与原子内积，采用单纯形局部搜索，计算粒子的初始适应度值；

3)选取并保存确定个体最优位置和全局最优位置；

4)执行变异操作，以新参量为标准构成新原子,将新原子与当前残余信号作内积进行迭代并更新自身的速度和位置，其迭代关系为：

式中gr(m)为每次迭代分解过程的最佳原子，rm x为当前信号，rm-1x当前参与信号。

5)计算更新后种群的适应度值，更新个体最优位置和全局最优位置；

6)判断种群迭代次数是否达到T次，若达到则保存当次原子分解得出的种群的全局最优位置Gbest以及最佳适应度函数，否则回到步骤5)；

7)判读以下两个条件之一是否得到满足：1、内积的增加值不足当前值得1％，2、当前残变量的增加值不足自身值得10％。如果达到，原子分解得出的最佳原子索引，转换成阻尼正弦原子参变量并保存至振荡模式存储单元，并结束程序；否则回到步骤2)。

附图5是本发明仿真效果，其中图5是一段模拟的能源路由器需要输出的功率给定信号，图6、图7、图8分别是分解重构后提取给飞轮、蓄电池和燃料电池的给定功率。

Claims (2)

1.一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.获取储能系统所在的能源路由器当前时刻输出功率，将当前时刻输出功率作为储能系统的总的实时参考功率P_hess，将P_hess作为原始信号序列x(t)，x(t)的表达式如下公式1所示：

x(t)＝P_hess,t＝P_in,t-P_out,t (公式1)

公式1中，P_in,t为能源路由器输入功率，P_out,t为能源路由器输出功率，n为采样窗口大小；

b.构造不同时间尺度参数的衰减正弦量原子如下公式2所示：

公式2中，A_q为衰减正弦量的幅值，f_q为频率，ρ_q为衰减系数，Φ_q表示相位，t_sq和t_eq分别为衰减正弦量的起始时间和终止时间，u(t)为单位阶跃函数；

c.通过粒子群算法优化的匹配跟踪算法对步骤b中所述的原子进行原子分解，寻找最佳匹配阻尼正弦原子；假设本步骤经过了m次迭代，则步骤b中f(t)被分解为m个线性展开的子分量和一个残余值表示式如下公式3所示：

d.假设储能系统由飞轮、蓄电池和燃料电池组成，则获取飞轮、蓄电池和燃料电池目标功率的方法为：

将步骤c中所述公式3进行分离重构为高、中、低3个频段的分量R₁、R₂、R₃，将中、低频分离分别作为蓄电池和燃料电池装置的目标功率剩余分量作为飞轮的给定功率，重构过程如下公式4所示：

公式4中，j₁，j₂分别为重构过程中的预设的2个阈值。

2.根据权利要求1所述的一种用于能源互联网复合储能系统的功率控制方法，其特征在于，步骤c中所述通过粒子群算法优化的匹配跟踪算法对步骤b中所述的原子进行原子分解，寻找最佳匹配阻尼正弦原子的具体方法为：

c1.对粒子群中粒子的位置和速度进行随机初始化；设定种群的迭代次数为T；

c2.设定信号或信号残差与原子内积，采用单纯形局部搜索，计算粒子的初始适应度值；

c3.选取并保存确定个体最优位置和全局最优位置；

c4.执行变异操作，以新参量为标准构成新原子，将新原子与当前残余信号作内积进行迭代并更新自身的速度和位置，其迭代关系如下公式5所示：

公式5中，g_r(m)为每次迭代分解过程的最佳原子，为当前信号，当前参与信号；

c5.计算更新后种群的适应度值，更新个体最优位置和全局最优位置；

c6.判断种群迭代次数是否达到T次，若达到则保存当次原子分解得出的种群的全局最优位置以及最佳适应度函数，否则回到步骤c5；

c7.判断以下两个条件之一是否得到满足：1、内积的增加值不足当前值得1％；2、当前残变量的增加值不足自身值得10％；如果满足，原子分解得出的最佳原子索引，转换成阻尼正弦原子参变量并保存，结束程序；否则回到步骤c2。