CN108306326B - 用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，包括以下步骤：S1：确定储能系统的平抑功率目标值；S2：建立双电池组储能系统运行模型；S3：确定储能系统的最大可充电功率和最大可放电功率；S4：计算储能系统的运行状态评估指标；S5：自适应调节滤波时间常数。本发明能够有效优化双电池组储能系统运行状态，一方面维持双电池组储能长期系统稳定运行；另一方面避免系统进入充电或放电能力不足的极端运行区间，保证对风电波动功率的平滑效果。

Description

用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的日趋严重，风电以其无污染、能源可持续、技术成熟等优点作为绿色友好型能源已经得到广泛应用。但强随机性、间歇性等特征使得风电并网将对电力系统安全稳定运行带来威胁。

储能具有可充可放的运行特性，可灵活、快速地调节系统电能平衡以平抑风电功率输出波动，可减少风电并网对系统的影响。现阶段储能技术尚不成熟，设备成本相对较高，极大影响了风储联合系统的经济性。对于电池储能系统，放电深度、充放电转换次数等是影响其使用寿命的主要原因。传统方法采用单一电池储能系统来平抑风电功率波动，但频繁充放电转换对电池寿命影响极大，采用充放电任务分开执行的双电池组储能运行模式可以提升电池元件的使用寿命，为了避免电池发生过充过放现象，只要其中一组电池达到状态转换临界值，则进行充放电状态转换，但长期如此运行，可能导致储能系统进入放电能力或充电能力不足的极端运行区间，难以维持长期安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，以解决传统方法单一电池储能系统来平抑风电波动功率可能导致储能系统进入放电能力或充电能力不足的极端运行区间，难以维持长期安全稳定运行的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，包括以下步骤：

S1：确定储能系统的平抑功率目标值：获取风电场的输出功率，并根据所述输出功率计算得到储能系统的平抑功率目标值。

S2：建立双电池组储能系统运行模型：根据电池放电深度对其寿命的影响特性，建立充放电分开执行的双电池组储能系统运行数学模型；

S3：确定储能系统的最大可充电功率和最大可放电功率：根据储能系统的运行模式、电池组自身特性及剩余容量，确定系统最大可充电功率和最大可放电功率；

S4：计算储能系统的运行状态评估指标：根据储能系统的实时运行状态和风电功率的波动情况，计算能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标；

S5：自适应调节滤波时间常数：根据所述充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标设计模糊控制策略，自适应调节低通滤波器时间常数，以优化控制储能电池的SOC。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11：获取风电场的输出功率，并使所述输出功率经一阶低通滤波器得到风电场的风电并网功率参考值；

S12：使所述风电并网功率参考值与风电场输出功率作差，所得到的差值即为储能系统的平抑功率目标值。

进一步地，所述步骤S2具体包括：

将风电场的电池储能系统分为A、B两组，采用充、放电任务分开执行的运行模式，使电池组工作在给定的最佳充放电深度，以延长电池的实际使用寿命，并根据两组电池的荷电状态值SOC判断两组电池是否发生充放电状态转换。

进一步地，所述荷电状态值SOC通过如下计算公式计算获得：

其中，SOC_A(t)、SOC_B(t)分别为t时刻电池组A和电池组B的荷电状态值；η_c和η_d分别为电池组的充电和放电效率；η_inv为变流器的转换效率；P_b(t)为t时刻电池的实际充放电功率；E为电池组的额定容量；S_Ac、S_Ad、S_Bc和S_Bd分别为电池组A和B的在充电和放电状态运行的标志位，当其取值为1时表示是，取值为0时则表示非；w_c和w_d分别表示t时刻储能系统执行是否充电和放电任务，当其取值为1时表示是，取值为0时则表示非。

进一步地，步骤S3所述确定储能系统的最大可充电功率P_xumaxch(t)和最大可放电功率P_xumaxdis(t)具体通过如下计算公式计算确定：

其中，E_max为运行过程中电池组最大允许剩余能量值；E_min为最小允许剩余能量值；E_A(t-1)、E_B(t-1)分别为t-1时刻电池组A和电池组B的剩余能量，P为电池组的额定功率。

进一步地，为防止电池过充过放，应对储能平抑功率目标值P_bref按步骤S3计算所得结果进行限幅得到电池充放电功率P_b(t)，其中P_b(t)应满足如下条件：

P_xumaxc(t)≤P_b(t)≤P_xumaxd(t)。

进一步地，步骤S4所述能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标R(t)具体通过如下计算公式计算获得：

其中，SOC_{_max}、SOC_{_min}分别为最佳运行模式下，电池组荷电状态可达到的最大值和最小值；ε_c(t)，ε_d(t)分别表示此时充电电池组可吸收和可释放能量的能力。

进一步地，步骤S4所述能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)具体通过如下计算公式计算获得：

其中，ΔSOC_c(t-1)、ΔSOC_d(t-1)分别表征上一时刻后，充、放电电池组的运行可充、放电能力。

进一步地，步骤S5具体包括：

将通过步骤S4计算获得的所述充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标输入到模糊控制器中，计算得到滤波时间常数的修正量，并通过所述修正量实时动态调节低通滤波器时间常数，变滤波时间常数T通过如下计算公式计算获得：

T＝T₀+ΔT(t)

其中T₀为调整前的滤波时间常数，ΔT(t)为时间常数修正量。

进一步地，步骤S5所述根据充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标设计模糊控制策略，自适应调节低通滤波器时间常数，以优化控制储能电池的SOC的具体控制方法为：

当充放电饱和度指标为正，若充放电运行平稳度指标为负，且其值较大，则减少滤波时间常数，以减缓充电电池组SOC的提升速度，防止充电电池组过早到达状态转换临界值；反之，若充放电运行平稳度指标为正，则增加滤波时间常数，加快提高充电电池组SOC值；

当充放电饱和度指标为负，若充放电运行平稳度指标为负，且其值较大，则增大滤波时间常数，以减缓放电电池组SOC降低的速度；反之，若充放电运行平稳度指标为正，且其值较大，则减小滤波时间常数，以加快放电电池组SOC提升速度。

本发明的有益效果为：本发明能够有效优化双电池组储能系统运行状态，一方面维持双电池组储能长期稳定运行；另一方面避免进入充电或放电能力不足的极端运行区间，保证对风电波动功率的平滑效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为含双电池组储能系统的风电场结构图；

图2为双电池组储能系统充放电运行模式转换临界条件的原理图；

图3为所提模糊控制策略示意图。

具体实施方式

如图1所示的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，包括以下步骤：

S1：确定储能系统的平抑功率目标值：获取风电场的输出功率，并根据所述输出功率计算得到储能系统的平抑功率目标值。

S2：建立双电池组储能系统运行模型：根据电池放电深度对其寿命的影响特性，建立充放电分开执行的双电池组储能系统运行数学模型；

S3：确定储能系统的最大可充电功率和最大可放电功率：根据储能系统的运行模式、电池组自身特性及剩余容量，确定系统最大可充电功率和最大可放电功率；

S4：计算储能系统的运行状态评估指标：根据储能系统的实时运行状态和风电功率的波动情况，计算能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标；

S5：自适应调节滤波时间常数：根据所述充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标设计模糊控制策略，自适应调节低通滤波器时间常数，以优化控制储能电池的SOC。

下面分别对各个步骤进行详细描述：

所述步骤S1具体包括：

S11：根据附图1，首先获取风电场的输出功率，并使所述输出功率经一阶低通滤波器得到风电场的风电并网功率参考值；

S12：使所述风电并网功率参考值与风电场输出功率作差，所得到的差值即为储能系统的平抑功率目标值。

上述储能平抑功率目标值P_bref的计算公式为:

其中，s为微分算子；T为滤波时间常数。P_bref大于零，储能系统释放能量，以补偿功率缺额；反之，储能系统吸收能量，以吸收剩余能量。

所述步骤S2具体包括：

将风电场的电池储能系统分为A、B两组，采用充、放电任务分开执行的运行模式，即电池组A和电池组B分别作为充电电池组和放电电池组进行工作，当满足图2所示条件，一方电池组先达到充放电临界转换值，则两组电池发生充放电转换，即电池组A作为放电电池组，电池组B作为充电电池组。

初始运行时，充电电池组A(B)的荷电状态值为(1-DOD_ref)/2，只执行充电任务，放电电池组B(A)的荷电状态值为(1+DOD_ref)/2，只执行放电任务，确保同一时刻A、B两组电池组工作在不同的状态。其中，DOD_ref是给定充放电深度，可根据电池生产厂家提供数据获得。考虑在运行过程中充放电总电量可能不均衡，多数情况下难以实现两组电池同时达到运行模式切换的临界状态。为了避免电池发生过充过放现象，当其中一组电池组荷电状态值到达临界转换值时，即可进行充放电运行模式切换。

采用充、放电任务分开执行的运行模式可以使电池组工作在给定的最佳充放电深度，以延长电池的实际使用寿命，并根据两组电池的荷电状态值SOC判断两组电池是否发生充放电状态转换。

上述电池组A和电池组B的荷电状态值SOC通过如下计算公式计算获得：

其中，SOC_A(t)、SOC_B(t)分别为t时刻电池组A和电池组B的荷电状态值；η_c和η_d分别为电池组的充电和放电效率；η_inv为变流器的转换效率；Pb(t)为t时刻电池的实际充放电功率；E为电池组的额定容量；S_Ac、S_Ad、S_Bc和S_Bd分别为电池组A和B的在充电和放电状态运行的标志位，当其取值为1时表示是，取值为0时表示非；w_c和w_d分别表示t时刻储能系统执行是否充电和放电任务，当其取值为1时表示是，取值为0时表示非。

步骤S3具体包括：

确定储能系统的最大可充电功率和最大可放电功率：根据储能系统的运行模式、电池组自身特性及剩余容量，确定系统最大可充电功率和最大可放电功率。

上述确定储能系统的最大可充电功率和最大可放电功率具体通过如下计算公式计算确定：

其中，E_max为运行过程中电池组最大允许剩余能量值；E_min为最小允许剩余能量值；E_A(t-1)、E_B(t-1)分别为t-1时刻电池组A和电池组B的剩余能量；P为电池组的额定功率。

此外，为防止电池过充过放，应对储能平抑功率目标值P_bref按步骤S3计算所得结果进行限幅得到电池充放电功率P_b(t)，其中P_b(t)应满足如下条件：

P_xumaxc(t)≤P_b(t)≤P_xumaxd(t)。

步骤S4具体包括：

根据储能系统的实时运行状态和风电功率的波动情况，计算能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标。

上述能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标具体通过如下计算公式计算获得：

其中，SOC_{_max}、SOC_{_min}分别为最佳运行模式下，电池组荷电状态可达到的最大值和最小值；ε_c(t)，ε_d(t)分别表示此时充电电池组可吸收和可释放能量的能力。

上述能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电运行平稳度指标具体通过如下计算公式计算获得：

其中，ΔSOC_c(t-1)、ΔSOC_d(t-1)分别表征上一时刻后，充、放电电池组的运行可充、放电能力。

步骤S5具体包括：

将通过步骤S4计算获得的所述充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标输入到模糊控制器中，计算得到滤波时间常数的修正量，并通过所述修正量实时动态调节低通滤波器时间常数，变滤波时间常数T通过如下计算公式计算获得：

T＝T₀+ΔT(t)

其中T₀为调整前的滤波时间常数，ΔT(t)为时间常数修正量。

根据附图3所示，模糊控制器输入为充放电饱和度指标R(t)和充放电平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)，输出为滤波时间常数修正量ΔT(t)。

本申请采用的模糊控制思想为：

当充放电饱和度指标R(t)为正，此时充电电池组工作，若充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)为负，且其值较大，则减少滤波时间常数，使平抑功率目标值P_gref对风电场输出功率P_w的跟踪速度变快，从而相对减少储能系统的充电功率，以减缓充电电池组SOC的提升速度，防止充电电池组过早到达状态转换临界值；反之，若充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)为正，则增加滤波时间常数，减缓平抑功率目标值P_gref对风电场输出功率P_w的跟踪，从而相对增大储能系统的充电功率，有助于加快提高充电电池组SOC值，缩小与放电电池组的差距。

当R(t)为负，此时放电电池组工作，若充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)为负，且其值较大，则增大滤波时间常数，使平抑功率目标值P_gref对风电场输出功率P_w的跟踪速度变快，从而相对减少放电功率，以减缓放电电池组SOC降低的速度；反之，若充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)为正，且其值较大，则减小滤波时间常数，使平抑功率目标值P_gref对风电场输出功率P_w的跟踪速度变慢，从而相对增大放大电功率，以加快放电电池组SOC提升速度。以此，避免双电池组储能系统进入充电或放电能力的不稳定运行区间。

以上所述为模糊控制设计的基本思想，具体控制调节修正量与充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标的正负符号和绝对值的大小相关。所设计模糊控制输入充放电饱和度指标R(t)和充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)均为连续域，对应的语言变量均为采用{NB，NS，ZE1，ZE2，PS，PB}，分别表示当前输入值为{负大，负小，负适中，正适中，正小，正大}；输出ΔT(t)为离散域，对应的语言变量为{NB，NM，NS，ZO，PB，PM，PS}，表示输出为{负大，负中，负小，正小，正中，正大}。具体控制规则如表1所示。

表1模糊控制器规则表

此外，除上述步骤外，该方法还可包括以下步骤：

S6：返回步骤S1至S3，计算t时刻两组电池组的荷电状态值SOC_A(t)和SOC_B(t)。

S7：返回步骤S1，进行下一时刻控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定储能系统的平抑功率目标值：获取风电场的输出功率，并根据所述输出功率计算得到储能系统的平抑功率目标值；

S2：建立双电池组储能系统运行模型：根据电池放电深度对其寿命的影响特性，建立充放电分开执行的双电池组储能系统运行数学模型；

S3：确定储能系统的最大充电功率和最大放电功率：根据储能系统的运行模式、电池组自身特性及剩余容量，确定系统最大充电功率和最大放电功率；

S4：计算储能系统的运行状态评估指标：根据储能系统的实时运行状态和风电功率的波动情况，计算能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标；

能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电饱和度指标R(t)具体通过如下计算公式计算获得：

其中，SOC_{_max}、SOC_{_min}分别为最佳运行模式下，电池组荷电状态能够达到的最大值和最小值；ε_c(t)，ε_d(t)分别表示此时充电电池组吸收和释放能量的能力；

能够表征双电池组储能系统运行能力的充放电运行平稳度指标ΔSOC_AB(t-1)具体通过如下计算公式计算获得：

其中，ΔSOC_c(t-1)、ΔSOC_d(t-1)分别表征上一时刻后，充、放电电池组的运行充、放电能力；

S5：自适应调节滤波时间常数：根据所述充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标设计模糊控制策略，自适应调节低通滤波器时间常数，以优化控制储能电池的SOC；该步骤的具体控制方法基本思想为：

充放电饱和度指标为正，若充放电运行平稳度指标为负，且其值较大，则减少滤波时间常数，以减缓充电电池组SOC的提升速度，防止充电电池组过早到达状态转换临界值；反之，若充放电运行平稳度指标为正，则增加滤波时间常数，加快提高充电电池组SOC值；

当充放电饱和度指标为负，若充放电运行平稳度指标为负，且其值较大，则增大滤波时间常数，以减缓放电电池组SOC降低的速度；反之，若充放电运行平稳度指标为正，且其值较大，则减小滤波时间常数，以加快放电电池组SOC提升速度。

2.根据权利要求1所述的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11：获取风电场的输出功率，并使所述输出功率经一阶低通滤波器得到风电场的风电并网功率参考值；

S12：使所述风电并网功率参考值与风电场输出功率作差，所得到的差值即为储能系统的平抑功率目标值。

3.根据权利要求1所述的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

将风电场的电池储能系统分为A、B两组，采用充、放电任务分开执行的运行模式，使电池组工作在给定的最佳充放电深度，以延长电池的实际使用寿命，并根据两组电池的荷电状态值SOC判断两组电池是否发生充放电状态转换。

4.根据权利要求3所述的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，所述荷电状态值SOC通过如下计算公式计算获得：

其中，SOC_A(t)、SOC_B(t)分别为t时刻电池组A和电池组B的荷电状态值；η_c和η_d分别为电池组的充电和放电效率；η_inv为变流器的转换效率；P_b(t)为t时刻电池的实际充放电功率；E为电池组的额定容量；S_Ac、S_Ad、S_Bc和S_Bd分别为电池组A和B的在充电和放电状态运行的标志位，当其值为1表示是，其值为0则表示非；w_c和w_d分别表示t时刻储能系统执行是否充电和放电任务，当其值为1表示是，其值为0时则表示非。

5.根据权利要求4所述的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，步骤S3所述确定储能系统的最大充电功率P_xumaxc(t)和最大放电功率P_xumaxd(t)具体通过如下计算公式计算确定：

其中，E_max为运行过程中电池组最大允许剩余能量值；E_min为最小允许剩余能量值；E_A(t-1)、E_B(t-1)分别为t-1时刻电池组A和电池组B的剩余能量，P为电池组的额定功率。

6.根据权利要求5所述的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，为防止电池过充过放，应对储能平抑功率目标值P_bref按步骤S3计算所得结果进行限幅得到电池充放电功率P_b(t)，其中P_b(t)应满足如下条件：

P_xumaxc(t)≤P_b(t)≤P_xumaxd(t)。

7.根据权利要求1所述的用于平滑风电波动功率的双电池组储能系统运行控制方法，其特征在于，步骤S5具体包括：

将通过步骤S4计算获得的所述充放电饱和度指标和充放电运行平稳度指标输入到模糊控制器中，计算得到滤波时间常数的修正量，并通过所述修正量实时动态调节低通滤波器时间常数，变滤波时间常数T通过如下计算公式计算获得：

T＝T₀+ΔT(t)

其中，T₀为调整前的滤波时间常数，ΔT(t)为时间常数修正量。

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