CN106385044B - 用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统，复合储能电站并联在风电场的交流母线上，所述复合储能电站的电池储能经电池储能DC/DC双向变换器连接并网AC/DC双向变换器，所述复合储能电站的飞轮储能经飞轮储能AC/DC双向变换器连接并网AC/DC双向变换器，所述并网AC/DC双向变换器连接汇流母线，所述电池储能DC/DC双向变换器接收电池储能优化控制器的控制信号，所述飞轮储能AC/DC双向变换器接收飞轮储能控制器的控制信号。本发明利用由电池储能和飞轮储能构成的复合储能系统，在充分考虑风电功率特性和复合储能系统特性的情况下，实现一种能够有效提高风电场发电计划跟踪能力，从而减小风电并网对电网频率稳定负面影响的复合储能优化控制系统。

Description

用于风电场发电计划跟踪的复合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中的储能技术领域，尤其涉及用于并网风电场功率调控的复合储能系统。
背景技术
受到地理环境、气象等因素影响，风电出力呈现出很强的波动性和不确定性，高渗透率风电并网对电力系统的安全稳定运行带来巨大的挑战。为了减小风电接入对电网调频/调峰等方面的压力，电力公司不仅对风电场不同时间尺度下的最大波动功率进行了规定，而且还要求其具备在线有功功率调节能力，能够自动执行调度机构下达的发电计划，保证发电功率在允许的偏差范围内。因此，有效提高风电功率的可调度性，使其具有与传统机组类似的功率响应特性，从而增强其电网友好性，这对于风电的规模化开发利用具有重要的意义。
当前，在风电场调度入网时，电网调度机构主要按照风电功率预测结果，并结合区域电网运行实际，下达风电场的发电计划。然而，由于风电功率具有不可准确预测性，风电功率预测尤其是日前预测的结果往往存在较大的预测误差，从而导致在仅考虑风电场自身的功率调控能力情况下，调度员通常只能按最保守的方式确定风电调度入网功率，从而会很大程度上降低风能的利用率。
近年来，随着储能技术的快速发展，利用储能提高风电场发电计划跟踪能力方面的研究开始受到国内外学者的关注，并取得了一定数量的研究成果。而且，有研究结果表明，利用储能提高风电调度入网规模具有经济可行性。因此，储能技术在风电调度方面的应用研究必将越来越受到重视。
然而，相对于储能技术在抑制风电功率波动方面的应用而言，用于风电调度的储能系统一般要求具有更高的容量和功率等级。由于受到不同储能机理的限制，单一的储能形式很难满足功率/能量等级、寿命周期、成本等综合性能的需要。针对上述问题，由不同类型储能形式构成的复合储能系统则提供了一种非常有效的解决方案。目前，针对复合储能在风电功率调控中的应用研究，主要集中于抑制风电功率波动方面，而在提高风电场发电计划跟踪能力方面的研究成果尚未多见。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种基于电池储能和飞轮储能,能够提高风电场发电计划跟踪能力的复合储能系统及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统，复合储能电站并联在风电场的交流母线上，所述复合储能电站的电池储能经电池储能DC/DC双向变换器连接并网AC/DC双向变换器，所述复合储能电站的飞轮储能经飞轮储能AC/DC双向变换器连接并网AC/DC双向变换器，所述并网AC/DC双向变换器连接汇流母线，所述电池储能DC/DC双向变换器接收电池储能优化控制器的控制信号，所述飞轮储能AC/DC双向变换器接收飞轮储能控制器的控制信号。
所述电池储能优化控制器接收超短期风电功率预测结果和发电计划信号，并输出电池储能优化运行方案至电池储能DC/DC双向变换器；
所述飞轮储能控制器接收电池储能的交换功率值、风电场功率的实时采样值和飞轮储能的荷电状态信号，并输出功率输出调节信号至飞轮储能AC/DC双向变换器。
基于所述用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统的控制方法：
所述电池储能优化控制器的控制方法：根据超短期风电功率预测结果和发电计划、电池储能的性能特点，获得设定时间内的电池储能优化运行方案；
所述飞轮储能控制器的控制方法：根据电池储能的交换功率值、风电场功率的实时采样值和飞轮储能的荷电状态，对飞轮储能功率进行控制，实时补偿由预测误差和电池储能的相关约束导致的风电/电池储能联合功率与发电计划的偏差。
所述电池储能优化控制器的控制方法具有两个优化目标；
1)使接入电网的联合功率尽可能逼近风电场出力计划，以提高电力系统的运行稳定性和经济性为目标；
2)以尽可能延长储能电池的使用寿命为目标；
所述优化目标1)通过定义目标函数使风电与电池储能合成的联合功率和风电场出力计划的偏差平方和最小来实现：
所述目标函数为：
式中，T表示优化时段数；Pdisp、Pwf_b分别表示风电场发电计划和风电/电池储能联合功率，所述的联合功率Pwf_b定义为
Pwf_b(t)＝Pwf_hour(t)-Pb(t)
式中，Pwf_hour为超短期风电预测功率。
所述优化目标2)采用最小化计及寿命损耗系数的循环电量来实现：
所述目标函数为
式中，Ecir表示循环电量；为电池储能放电功率的绝对值，λb为寿命损耗系数，其与荷电状态之间的关系表示为
所述获得设定时间内的电池储能优化运行方案包括以下约束条件：
1)功率约束
电池储能充放电过程必须满足其额定功率约束：
式中，Pb_rat、SoCb_max、SoCb_min分别是电池储能的额定功率、允许的最大和最小荷电状态；
同时需要满足：
Pwf_b_down(t)≤Pwf_b(t)≤Pwf_b_up(t)
式中，Pwf_b_up、Pwf_b_down分别是联合功率的上限和下限，其可表示为
2)容量约束
考虑电池储能的使用寿命，需要将其荷电状态保持在合理的取值范围内，则：
CbSoCb_min≤Eb(t)≤CbSoCb_max
3)输出功率约束
考虑到风电场的运行实际，风电和电池储能的联合功率应不大于风电场额定容量，则：
0≤Pwf_b(t)≤Pwf_rat
式中，Pwf_rat为风电场的额定容量。
所述飞轮储能控制器的控制方法：飞轮储能控制器的输入为风电/电池储能联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能的荷电状态，输出是飞轮储能的功率指令值，飞轮储能控制器根据输入的风电/电池储能联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能的荷电状态，动态地调整飞轮储能的功率修正系数，使飞轮储能在尽可能补偿风电/电池储能联合功率与发电计划之间的功率差额的同时，自身的荷电状态被控制在运行的范围内。
所述功率指令值定义为Pf_ref(t)＝Pwf(t)-Pb(t)-Pdisp(t)
式中，Pwf(t)为风电场的实际功率值
当飞轮储能的功率指令值大于飞轮储能的额定功率时，则应取其额定功率Pf_rat作为功率指令值：
所述飞轮储能采用模糊控制器进行修正；
所述模糊控制器的输入为飞轮储能的功率指令值Pf_ref和荷电状态SoCf，输出为功率修正系数Δk，通过模糊推理可以得到修正系数Δk，则获得修正后FESS功率给定值P′f_ref为
所述复合储能控制器的实施步骤：
1)读入风电场发电计划Pdisp、未来15分钟到4小时的超短期风电预测功率Pwf_hour、电池储能的荷电状态SoCb等数据，计算电池储能的优化交换功率Pb，并获得其pareto最优解；
2)根据当前时段风电所接入区域电网的负荷、旋转备用情况，选择1组最合适的优化结果作为电池储能的运行控制方案，并将前15min输出给电池储能执行；
3)每隔15min返回步骤(1)，重新读入更新的超短期风电预测功率等数据，滚动优化电池储能的交换功率；
4)飞轮储能控制器实时采样风电场功率Pwf、电池储能的交换功率Pb、飞轮储能的荷电状态SoCf等数据，通过调用模糊控制器，实时调控飞轮储能的充放电功率。
本发明利用由电池储能和飞轮储能构成的复合储能系统，在充分考虑风电功率特性和复合储能系统特性的情况下，实现一种能够有效提高风电场发电计划跟踪能力，从而减小风电并网对电网频率稳定负面影响的复合储能优化控制系统。
具体来说具有以下有益效果：
(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能够根据准确的跟踪调度指令，减小电网调频/调峰的压力，从而能有效地提高风电场的电网友好性。
(2)采用复合储能系统可以兼顾风电场跟踪发电计划需要的大功率、大容量的储能系统性能需求。
(3)复合储能控制系统充分考虑了电池储能和飞轮储能的运行特性，利用电池储能跟踪长时间尺度的发电计划，而利用飞轮储能实时调整风电场出力，从而提高发电计划跟踪的准确度。
(4)电池储能控制器采用多目标滚动优化方法，可以根据区域电网的具体运行状态调整电池储能的运行方案，从而达到延长电池储能使用寿命和风电功率调控效果的折衷。
(5)飞轮储能控制系统设计了储能荷电状态反馈控制环节，从而能够使飞轮储能在进行风电功率调控过程中，避免出现过充和过放的问题。
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为用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统结构示意图；
图2为飞轮储能控制器控制原理图；
图3为用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统的控制方法流程图；
上述图中的标记均为：1、风电场；2、复合储能电站；3、复合储能控制器；4、电池储能优化控制器；5、飞轮储能控制器；6、交流母线；7、升压变压器；8、电池储能；9、飞轮储能；10、电池储能DC/DC双向变换器；11、飞轮储能AC/DC双向变换器；12、并网AC/DC双向变换器。
具体实施方式
如图1所示，用于风电场1发电计划跟踪的复合储能控制系统中，复合储能电站2和风电场1并联在风电场1出口交流母线6上，经升压变压器7接入连接交流电网。
复合储能电站2包括电池储能8和飞轮储能9，电池储能8经过电池储能DC/DC双向变换器10，飞轮储能9经过飞轮储能AC/DC双向变换器11，并联在同一条直流母线上；直流母线再通过并网AC/DC双向变换器12接在风电场1出口交流母线6上。
复合储能控制器3包括电池优化控制器和飞轮储能控制器5，通过向电池储能DC/DC双向变换器10和飞轮储能AC/DC双向变换器11发送指令控制复合储能电站2中两种储能的交换功率，从而使经过风电场1出口交流母线6馈入电网的有功功率能够尽可能满足电网调度计划的要求。
储能控制器根据超短期预测风电功率、发电计划指令、储能的荷电状态等信息，给出各储能单元的功率指令，并下发给相应的变换器执行，储能控制器包括电池储能优化控制器4和飞轮储能控制器5两部分组成。
电池储能优化控制器4，根据超短期风电功率预测结果和发电计划，考虑电池储能8的性能特点，获得较长时间尺度下的电池储能8优化运行方案；飞轮储能控制器5，根据电池储能8的交换功率值、风电场1功率的实时采样值和飞轮储能9的荷电状态，对飞轮储能9功率进行控制，实时补偿由预测误差和电池储能8的相关约束导致的风电/电池储能8联合功率与发电计划的偏差。
电池储能优化控制器4考虑电池储能8的性能特点和受到的多种约束，根据超短期风电功率预测结果和发电计划，构建较长时间尺度下的电池储能8功率多目标滚动优化模型，通过求解所建模型获得电池储能8的优化运行方案，并发送给电池储能8变换器执行，控制电池储能8的吞吐功率；
上述多目标滚动优化模型包括：
第1个优化目标，通过定义目标函数使风电与电池储能8合成的联合功率和风电场1出力计划的偏差平方和最小来实现，目标函数为：
式中，T表示优化时段数；Pdisp、Pwf_b分别表示风电场1发电计划和风电/电池储能8联合功率，所述的联合功率Pwf_b定义为
Pwf_b(t)＝Pwf_hour(t)-Pb(t)
式中，Pwf_hour为超短期风电预测功率。
第2个优化目标，考虑到电池储能8的使用寿命主要受到循环电量的影响，同时考虑到电池储能8充放电时所处的荷电状态也对其使用寿命影响较大，因此采用最小化计及寿命损耗系数的循环电量来实现，所述目标函数为
式中，Ecir表示循环电量；为电池储能放电功率的绝对值，λb为寿命损耗系数，其与荷电状态之间的关系表示为
电池储能优化控制器4考虑了实际的电网规程和电池储能8的运行特性，并针对两个优化目标：1、使接入电网的联合功率尽可能逼近风电场1出力计划，提高电力系统的运行稳定性和经济性；2、尽可能延长储能电池的使用寿命；针对所述的第1个优化目标，通过定义目标函数使风电与电池储能8合成的联合功率和风电场1出力计划的偏差平方和最小来实现；针对所述的第2个优化目标，考虑到电池储能8的使用寿命主要受到循环电量的影响，同时考虑到电池储能8充放电时所处的荷电状态也对其使用寿命影响较大，因此采用最小化计及寿命损耗系数的循环电量来实现。
电池储能优化控制器4考虑的约束条件包括电池储能8的额定功率约束、电池储能8功率补偿方向约束、电池储能8容量约束和风电/电池储能8联合功率约束；
(1)功率约束
电池储能8充放电过程必须满足其额定功率约束：
式中，Pb_rat、SoCb_max、SoCb_min分别是电池储能的额定功率、允许的最大和最小荷电状态。
另外，根据风电场1运行实际，在电池储能8充放电功率寻优过程中，应该使风/储联合功率由风电功率方向逼近发电计划，也就是使联合功率值介于风电场1超短期预测值和发电计划值之间，故需要满足：
Pwf_b_down(t)≤Pwf_b(t)≤Pwf_b_up(t)
式中，Pwf_b_up、Pwf_b_down分别是联合功率的上限和下限，其可表示为
(2)容量约束
考虑电池储能8的使用寿命，需要将其荷电状态保持在合理的取值范围内，则有
CbSoCb_min≤Eb(t)≤CbSoCb_max；
(3)输出功率约束
考虑到风电场1的运行实际，风电和电池储能的联合功率应不大于风电场1额定容量，即有
0≤Pwf_b(t)≤Pwf_rat
式中，Pwf_rat为风电场1的额定容量。
电池储能优化控制器4的输入为风电场1发电计划和超短期预测风电功率，输出是电池储能8的优化交换功率方案。具体做法是：以超短期风电功率预测时间窗口(未来4小时)为滚动优化时段，15min作为优化时间间隔，将电池储能8的交换功率Pb(t)作为决策变量，建立综合考虑发电计划跟踪精度和储能使用寿命的电池储能8优化运行模型，其可表示为
(minPerr,minEcir)＝f{Pb(t)}
针对上述优化模型，采用改进的非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行求解，获得多组电池储能8交换功率Pb(t)的pareto最优解，然后按照区域电网实际运行状态，选择其中一组最合适的电池储能8交换功率Pb(t)，并将前15分钟的功率指令发送给电池储能DC/DC双向变换器10执行，15分钟后重复上述过程，从而实现在线滚动优化。
飞轮储能控制器5的输入为风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能9的荷电状态，输出是飞轮储能9的功率指令值，飞轮储能控制器5的核心是模糊逻辑控制器，其根据输入的风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能9的荷电状态，动态地调整飞轮储能9的功率修正系数，从而使飞轮储能9在尽可能补偿风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额的同时，自身的荷电状态被控制在运行的范围内。
飞轮储能控制器5的功能是实时调整飞轮储能9的充放电功率，以补偿由风电功率预测误差、电池储能8约束等因素引入的风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额。因此，飞轮储能9的功率指令Pf_ref定义为
Pf_ref(t)＝Pwf(t)-Pb(t)-Pdisp(t)
式中，Pwf(t)为风电场1的实际功率值。
然而，考虑到飞轮储能9的实际运行特性，其充放电功率受到额定功率的限制，因而当飞轮储能9的功率指令值大于飞轮储能9的额定功率时，则应取其额定功率Pf_rat作为指令值，即
类似的，考虑到储能容量的约束，飞轮储能9也可能不能按照既定指令值运行，需要对其指令值进行修正，采用模糊控制器加以解决。模糊控制器的输入为飞轮储能9的功率指令值Pf_ref和荷电状态SoCf，输出为功率修正系数Δk。通过模糊推理可以得到修正系数Δk，继而可得修正后FESS功率给定值P′f_ref为
如图2所示，飞轮储能控制器5的输入为风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能9的荷电状态，输出是飞轮储能9的功率指令值。飞轮储能控制器5的核心是模糊逻辑控制器，其根据输入的风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能9的荷电状态，动态地调整飞轮储能9的功率修正系数，从而使飞轮储能9在尽可能补偿风电/电池储能8联合功率与发电计划之间的功率差额的同时，自身的荷电状态被控制在运行的范围内。
模糊推理的总体原则如下：(1)如果飞轮储能9的荷电状态SoCf适中，则按照飞轮储能9的既定功率指令值运行；(2)如果SoCf很大，在充电过程中，减小充电功率给定值，尽量阻止储能荷电量的增长；在放电过程中，增大放电功率给定值，加快储能荷电量的减小；(3)如果SoCf很小，在充电过程中，增大充电功率给定值，加快储能荷电量的增加；在放电过程中，减小放电功率给定值，尽量阻止储能荷电量继续减小。
如图3所示，复合储能控制器3控制电池储能8和飞轮储能9两种储能系统协调优化运行，以提高风/储联合系统的发电计划跟踪精度，其主要实施步骤如下：
(1)读入风电场1发电计划Pdisp、未来15分钟到4小时的超短期风电预测功率Pwf_hour、电池储能8的荷电状态SoCb等数据，调用NSGA-II算法，计算电池储能8的优化交换功率Pb，并获得其多组pareto最优解；
(2)根据当前时段风电所接入区域电网的负荷、旋转备用等情况，选择1组最合适的优化结果作为电池储能8的运行控制方案，并将前15min输出给电池储能8执行；
(3)每隔15min返回步骤(1)，重新读入更新的超短期风电预测功率等数据，滚动优化电池储能8的交换功率；
(4)飞轮储能控制器55实时采样风电场1功率Pwf、电池储能8的交换功率Pb、飞轮储能9的荷电状态SoCf等数据，通过调用模糊控制器，实时调控飞轮储能9的充放电功率。
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 (2)

1.基于用于风电场发电计划跟踪的复合储能控制系统的控制方法，
复合储能控制系统：复合储能电站并联在风电场的交流母线上，其特征在于：所述复合储能电站的电池储能经电池储能DC/DC双向变换器连接并网AC/DC双向变换器，所述复合储能电站的飞轮储能经飞轮储能AC/DC双向变换器连接并网AC/DC双向变换器，所述并网AC/DC双向变换器连接汇流母线，所述电池储能DC/DC双向变换器接收电池储能优化控制器的控制信号，所述飞轮储能AC/DC双向变换器接收飞轮储能控制器的控制信号;
所述电池储能优化控制器接收超短期风电功率预测结果和发电计划信号，并输出电池储能优化运行方案至电池储能DC/DC双向变换器；
所述飞轮储能控制器接收电池储能的交换功率值、风电场功率的实时采样值和飞轮储能的荷电状态信号，并输出功率输出调节信号至飞轮储能AC/DC双向变换器;
控制方法如下：
所述电池储能优化控制器的控制方法：根据超短期风电功率预测结果和发电计划、电池储能的性能特点，获得设定时间内的电池储能优化运行方案；
所述飞轮储能控制器的控制方法：根据电池储能的交换功率值、风电场功率的实时采样值和飞轮储能的荷电状态，对飞轮储能功率进行控制，实时补偿由预测误差和电池储能的相关约束导致的风电/电池储能联合功率与发电计划的偏差。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述飞轮储能控制器的控制方法：飞轮储能控制器的输入为风电/电池储能联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能的荷电状态，输出是飞轮储能的功率指令值，飞轮储能控制器根据输入的风电/电池储能联合功率与发电计划之间的功率差额和飞轮储能的荷电状态，动态地调整飞轮储能的功率修正系数，使飞轮储能在尽可能补偿风电/电池储能联合功率与发电计划之间的功率差额的同时，自身的荷电状态被控制在运行的范围内。
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