CN108879730B - 混合储能系统及基于其的风电功率波动平抑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于风电功率波动平抑的混合储能系统及其平抑方法，该混合储能系统包括：超级电容器、蓄电池、控制器、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述超级电容器通过所述第一DC/DC变换器连接于所述控制器；所述蓄电池通过所述第二DC/DC变换器连接于所述控制器，所述控制器和风力发电机组连接于直流母线，所述直流母线的另一端连接有电网，以采用模糊控制算法得出超级电容器和蓄电池的充放电功率的参考值，并修正所述超级电容器和蓄电池的充放电功率。该混合储能系统及基于其的风电功率波动平抑方法克服了现有技术中的功率补偿效果较为一般，且无法保证储能设备工作稳定、安全的问题，实现了功率的最终分配。

Description

混合储能系统及基于其的风电功率波动平抑方法

技术领域

本发明涉及混合储能系统及基于其的风电功率波动平抑方法。

背景技术

随着社会的快速发展，世界各国的能源需求日益增加，石油等不可再生能源储备日益减少，各国开始越来越重视新能源的开发利用。风能作为一种开发利用早、使用范围广的绿色能源，更受到世界各国的青睐。然而，风能的随机性和波动性导致风电并网时会给电网带来巨大的冲击，使风力发电不能大规模利用，而储能系统具有的短时快速吸收和释放能量的特点，能够有效弥补风电输出功率间歇性、波动性的缺点，因此在风力发电并网系统中配置储能系统已经成为平抑风电功率波动的有效手段之一。

储能系统由于能够实现电能的时空转移，从而被认为是平抑风电功率波动、提高电网接纳风电能力的有效手段，储能系统包括能量型储能系统和功率型储能系统。能量型储能系统(如电池)响应速度慢、循环寿命低，难以调控风力发电功率高频波动分量；功率型储能系统(如超级电容器)能量密度低，难以调控长时间尺度风力发电风电功率。由超级电容和储能电池组成的混合储能系统(HybridEnergyStorageSystem，HESS)，弥补了单一储能技术的不足，因此越来越多的风电场开始配置混合储能系统。混合储能系统集成了循环次数高、功率密度高和容量大等优点，在一定程度上解决了单独使用功率型或能量型储能系统受能量密度和运行寿命等因素制约问题。

目前国内外学者已对储能平抑可再生能源输出风电功率的方法进行了大量研究，应用较为普遍的是基于一阶低通滤波原理的平抑方法。普通的一阶低通滤波方法是采用定时间常数的低通滤波器，滤波器不能随着储能系统工作主动调节滤波能力，此种情况下的功率补偿效果较为一般，且无法保证储能设备工作稳定、安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风电功率波动平抑的混合储能系统及其平抑方法，该用于风电功率波动平抑的混合储能系统及其平抑方法克服了现有技术中的功率补偿效果较为一般，且无法保证储能设备工作稳定、安全的问题，实现了功率的最终分配。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于风电功率波动平抑的混合储能系统，该用于风电功率波动平抑的混合储能系统包括：

超级电容器、蓄电池、控制器、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述超级电容器通过所述第一DC/DC变换器连接于所述控制器；所述蓄电池通过所述第二DC/DC变换器连接于所述控制器，所述控制器和风力发电机组连接于直流母线，所述直流母线的另一端连接有电网，以采用模糊控制算法得出超级电容器和蓄电池的充放电功率的参考值，并修正所述超级电容器和蓄电池的充放电功率。

优选地，所述超级电容器和蓄电池分配波动功率，并分别承担高频分量和低频分量。

优选地，所述电网和所述电网和所述直流母线之间还设置有直交流转换器。

本发明提供一种基于混合储能系统的风电功率波动平抑方法，该风电功率波动平抑方法包括：

步骤1，基于模糊控制方法提出变滤波时间常数的低通滤波算法，进而实时动态调节混合储能功率分配指令，初步分配波动功率，使得蓄电池和超级电容器分别承担低频分量和高频分量；

步骤2，在实时检测超级电容器的荷电状态和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配。

优选地，在步骤2中，在实时检测超级电容器的荷电状态和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配的方法包括：

步骤21，把上一时刻的蓄电池与规定的荷电状态的最大值和最小值作比较，如果蓄电池已到达荷电状态上限，则不再吸收能量；如果蓄电池已到达荷电状态下线，则不再释放能能量。

步骤22，若蓄电池的荷电状态小于额定的最大荷电状态值，大于最小的荷电状态值，则此时电池状态良好，可以工作；此时由上一秒的消耗系数确定低通滤波器的滤波时间常数，并蓄电池承担一定的低频分量；

步骤23，在确定由蓄电池承担一定低频分量时，同时还要减少蓄电池的充放电状态改变次数；此时当蓄电池充放电持续时间小于或等于最小值时，则蓄电池保持当前工作状态，反之改变当前蓄电池的工作状态；

步骤24，判断当前蓄电池的荷电状态是否满足约束条件，若不满足则返回步骤21重新分配充放电功率。

步骤25，确定蓄电池的平抑功率后，则超级电容所吸收的功率为混合储能系统功率减去蓄电池功率；

步骤26，计算电池充放电持续时间和蓄电池损耗系数。

根据上述技术方案，本发明首先通过模糊自适应卡尔曼滤波器能够在系统运行中不断实时调节卡尔曼滤波器的参数值，及时应对风骤变情况，有效防止电池过载；然后提出基于模糊控制的方式实时改变滤波时间常数，进而可以实时动态的调节在混合储能功率指令，初步分配波动功率，使得蓄电池SOC维持在合理范围内；最后基于实时检测超级电容器的荷电状态(SOC)和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是说明本发明的一种混合储能系统的结构框图；

图2是说明本发明的一种混合储能系统的协调控制图；

图3是说明本发明的一种基于混合储能系统的风电功率波动平抑方法的流程图；

图4是说明本发明的一种混合储能系统的风电功率波动平抑效果图；

图5是说明本发明的一种混合储能系统的混合储能系统出力效果图；

图6是说明本发明的一种混合储能系统的滤波时间常数T₁变化曲线图；

图7是说明本发明的一种混合储能系统的功率波动率变化曲线图；

图8是说明本发明的一种混合储能系统的蓄电池和超级电容器的输出功率曲线图；

图9是说明本发明的一种混合储能系统的超级电容和蓄电池间功率转移波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种用于风电功率波动平抑的混合储能系统，该用于风电功率波动平抑的混合储能系统包括：

超级电容器、蓄电池、控制器、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述超级电容器通过所述第一DC/DC变换器连接于所述控制器；所述蓄电池通过所述第二DC/DC变换器连接于所述控制器，所述控制器和风力发电机组连接于直流母线，所述直流母线的另一端连接有电网，以采用模糊控制算法得出超级电容器和蓄电池的充放电功率的参考值，并修正所述超级电容器和蓄电池的充放电功率。

根据上述技术方案，本发明首先通过模糊自适应卡尔曼滤波器能够在系统运行中不断实时调节卡尔曼滤波器的参数值，及时应对风骤变情况，有效防止电池过载；然后提出基于模糊控制的方式实时改变滤波时间常数，进而可以实时动态的调节在混合储能功率指令，初步分配波动功率，使得蓄电池SOC维持在合理范围内；最后基于实时检测超级电容器的荷电状态(SOC)和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配。本发明是为满足平抑风电功率波动的要求，设计出的一种基于混合储能的平抑风电功率波动的系统结构，主要用于风力发电和新能源并网领域。

在本发明的一种具体实施方式中，所述超级电容器和蓄电池分配波动功率，并分别承担高频分量和低频分量。

在本发明的一种具体实施方式中，所述电网和所述电网和所述直流母线之间还设置有直交流转换器。

本发明还提供一种基于混合储能系统的风电功率波动平抑方法，该风电功率波动平抑方法包括：

步骤1，基于模糊控制方法提出变滤波时间常数的低通滤波算法，进而实时动态调节混合储能功率分配指令，初步分配波动功率，使得蓄电池和超级电容器分别承担低频分量和高频分量；

步骤2，在实时检测超级电容器的荷电状态和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配。

在该种实施方式中，在步骤2中，在实时检测超级电容器的荷电状态和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配的方法包括：

步骤21，把上一时刻的蓄电池与规定的荷电状态的最大值和最小值作比较，如果蓄电池已到达荷电状态上限，则不再吸收能量；如果蓄电池已到达荷电状态下线，则不再释放能能量；

步骤22，若蓄电池的荷电状态小于额定的最大荷电状态值，大于最小的荷电状态值，则此时电池状态良好，可以工作；此时由上一秒的消耗系数确定低通滤波器的滤波时间常数，并蓄电池承担一定的低频分量；

步骤23，在确定由蓄电池承担一定低频分量时，同时还要减少蓄电池的充放电状态改变次数；此时当蓄电池充放电持续时间小于或等于最小值时，则蓄电池保持当前工作状态，反之改变当前蓄电池的工作状态；

步骤24，判断当前蓄电池的荷电状态是否满足约束条件，若不满足则返回步骤21重新分配充放电功率；

步骤25，确定蓄电池的平抑功率后，则超级电容所吸收的功率为混合储能系统功率减去蓄电池功率；

步骤26，计算电池充放电持续时间和蓄电池损耗系数。

如图1所述所示，双向DC/DC变流器是直流系统到直流系统通过晶闸管进行周期性关断的开关控制装置，通常储能单元经过DC/DC变流器，在经过DC/AC逆变器并联到交流电网或相关负荷上，通过对储能单元端口电压以及线路中的电流进行控制，从而使储能系统能够实现合理的充放电功率的控制与能量管理。变流器在储能装置中的应用，为了实现储能系统能够进行充放电等功能，因此采用的变流器应该是使电流能够双向流动的。

双向半桥变换器主要是由全控型IGBT电力电子器件V₁，V₂，与其对应的续流二极管D₁，D₂，以及储能电感L1组成的。双向半桥变换器正向工作时，开关管V₁工作，V₂截止，V₁和D₁构成升压斩波电路，此时DC/DC变换器处于Boost状态。分析升压变流器工作原理时，令DC/DC变流器电感L1以及电容C₁，C₂值足够大情况下，当DC/DC变流器的开关管V₁处于导通状态时，此时储能电容C₂将存储的电能向后面的负荷进行供电，由于C₂值足够大，因此能够保证输出恒定的电压U₀；当V₁处于关断态时，E和L₁共同向电容C充电，并向后面的器件充电。分别设V₁的导通和关断时间为t_on和t_off，则两端电压关系如式所示：

V₁、V₂构成降压斩波电路，此时DC/DC变换器处于Buck状态，当V₂导通时，U₀反向向E充电，E＝U₀；当变流器开关管V₂断开时，负荷电压U₀发出的电流经过续流二极管VD流到储能电感中，此时的电压源E的值约等于零，为了使变流器中的电流能够连续且有较小的脉动，通常在变流器中接入较大值的电感；当电路工作于稳定状态时，电流在一个周期内的两端电压关系如：

若要使能量能够进行双向传输，需要采用双向DC/DC变流器来实现。储能系统中的储能装置分别采用双向DC/DC变流器连接到直流母线上，在经过逆变装置与负载或电网连接。

(2)参见图2，本发明的系统协调控制方法，主要采用模糊自适应卡尔曼滤波器和一阶低通滤波的作为风电平抑方法，使用模糊控制策略实现波动功率分配优化。常规的一阶低通滤波器的虽然能平抑风电功率波动，但是没有考虑到超级电容器和蓄电池的特性，并且存在超级电容器和蓄电池过充或过放的问题，进而影响风电平抑效果和整个储能系统的使用寿命，与常规方法相比图2所示的控制策略，根据蓄电池SOC，采用模糊控制方法，实时修正滤波常数，使蓄电池的SOC稳定在合适的范围内，进而提高整个系统的实用寿命。

本发明首先通过模糊自适应卡尔曼滤波器能够在系统运行中不断实时调节卡尔曼滤波器的参数值，及时应对风骤变情况，有效防止电池过载：然后提出基于模糊控制的方式实时改变滤波时间常数，进而可以实时动态的调节在混合储能功率指令，初步分配波动功率，使得蓄电池SOC维持在合理范围内；最后基于实时检测超级电容器的荷电状态(SOC)和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配。

①基于改进低通滤波算法的混合储能功率分配方法

蓄电池的使用寿命与充放电次数及使用程度密切相关，所以如何减少蓄电池的使用次数是改变滤波时间常数的重要目的。为直观表达，定义C(t)为蓄电池的损耗系数，其表达式如(1)所示：

其中，当P_b(t)≥0时，储能电池为充电状态，当P_b(t)<0时，储能电池为放电状态。

以蓄电池损耗系数C(t)为主要依据，可得式(2):

a(t)＝2π/(T_min+2π)*(1/(c(t-1)*10)) (2)

其中，a(t)＝2π/(T_min+2π)为基准滤波时间常数，T_min为电池放电循环时间的最小周期，1/(c(t-1)*10)为影响系数。分析可知第(t-1)秒的功率损耗对第t秒的滤波时间常数有一定影响。即若上一秒损耗很小，则这一秒蓄电池需要承担的功率就越大。考虑到实际情况，24时内蓄电池充放电次数cs最多为：

结合混合储能平抑风电功率波动的控制策略，其功率分配步骤如下

a.由变滤波系数的低通滤波算法确定风电平抑目标功率，进一步得到混合储能系统出力。

b.把上一时刻的蓄电池SOC与规定的荷电状态的最大值和最小值作比较，如果蓄电池已到达荷电状态上限，则不再吸收能量；如果电池已到达荷电状态下线，则不再释放能能量。

c.若蓄电池的SOC小于额定的最大荷电状态值，大于最小的荷电状态值，则此时电池状态良好，可以工作。此时由上一秒的消耗系数c(t-1)确定低通滤波器的滤波时间常数。使蓄电池承担一定的低频分量。

d.在确定由蓄电池承担一定低频分量时，同时还要减少蓄电池的充放电状态改变次数。此时进行判断蓄电池充放电持续时间T_S与最小值T_min/2的大小，若T_S≤T_min/2，则蓄电池保持当前工作状态，反之改变当前蓄电池的工作状态。

e.判断当前蓄电池SOC是否满足约束条件，若不满足则返回步骤b重新分配充放电功率。

f.确定蓄电池的平抑功率后，则超级电容所吸收的功率为混合储能系统功率减去蓄电池功率，即:

P_SC＝P_HESS(t)-P_B(t) (4)

g.t时刻功率分配完成，计算T_S、C(t)。(t+1)时刻的功率分配，重复以上流程。以此计算，直到仿真结束。

②参见图8，由图中曲线分析可知平抑过程中，超级电容输出和吸收功率波动较大，蓄电池输出和吸收功率波动比较稳定，验证了功率分配方法分有效性。

(3)本发明中，蓄电池和超级电容器之间的功率转移策略框图参见图2。首先根据蓄电池和超级电容器的正常运行范围制定隶属度函数和模糊控制规则，计算t时刻功率的最大波动△Pw(t)。根据电池能量状态SOCb(t)以及△Pw(t)，制定模糊规则1，得到输出比例系数K1；根据超级电容器的能量状态SOCc(t)以及△SOCc(t)，制定模糊控制规则2，输出比例系数K2，并计算超级电容器和蓄电池的实际输出功率指令Pc(t)和Pb(t)。

①混合储能系统功率转移方法

将超级电容的SOC划分五个等级，分别为{过低，低，活跃，高，过高}，分别对应模糊子集：{LL,L,M,H,HH}，设计如式(5)所示的隶属度函数。

式中，x＝SOC_SC(t)；S_cmin为超级电容器荷电状态最小值；S_cmax为超级电容器荷电状态最大值；S₁为超级电容器活跃状态下的最小值；S₂为超级电容器活跃状态下的最大值。

由x的隶属度和所属模糊集合，由表3确定功率转移系数α。

表3-2功率转移系数

故ΔP_cb(t)的计算公式为：

ΔP_cb＝αP_SCN (6)

式中，P_SCN表示SC额定功率。当ΔP_cb(t)>0时，SC向蓄电池转移功率；当ΔP_cb(t)<0，蓄电池向SC转移功率。

在调整低通滤波器滤波时间常数完成功率分配，得到蓄电池初始目标功率P_{B_initial}(t)及超级电容的初始目标功率P_{C_initial}(t)。为充分发挥超级电容的特性，再根据此时超级电容SOC值进行转移功率ΔP_cb(t)。主要步骤如下：

第1步：由当前时刻的SOC_SC(t)，计算ΔP_cb(t)

第2步：功率转移

①SOC_SC(t)属于模糊集LL时，有两种情况：

若P_{C_initial}(t)>0，超级电容荷电量过低，但仍需放电，此时由蓄电池转入能量：

P_{C_mid}(t)＝ΔP_cb(t) (7)

若P_{C_initial}(t)<0，超级电容荷电量过低，系统和蓄电池向超级电容转入能量：

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t)+ΔP_cb(t) (8)

②当SOC_SC(t)属于模糊集L时有两种情况：

若P_{C_initial}(t)>0，系统要求超级电容放电，此时直接放电，不用功率转移则：

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t) (9)

若P_{C_initial}(t)<0，超级电容为充电状态，系统和蓄电池向超级电容转入能量：

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t)+ΔP_cb(t) (10)

③当SOC_SC(t)属于模糊集M，此时：

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t)+ΔP_cb(t) (11)

④当SOC_SC(t)属于模糊集H时，有两种情况：

若P_{C_initial}(t)>0，超级电容为放电状态且荷电量值较高，此时向蓄电池转入能量：

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t)+ΔP_cb(t) (12)

若P_{C_initial}(t)<0，系统向超级电容充电，此时直接充电不用功率转移，则：

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t) (13)

⑤当SOC_SC(t)属于模糊集HH时，有两种情况：

若P_{C_initial}(t)>0，超级电容为放电状态且荷电量过高，此时向蓄电池转出能量

P_{C_mid}(t)＝P_{C_initial}(t)+ΔP_cb(t) (14)

若P_{C_initial}(t)<0，此时超级电容荷电量过高，无法接受系统转入能量，故向蓄电池转出能量：

P_{C_mid}(t)＝ΔP_cb(t) (15)

第3步：经过超级电容实时最大允许充放电功率限制，计算P_{C_end}(t)：

第4步：计算ΔP_CS:

ΔP_CS(t)＝P_{C_initial}(t)-P_{C_end}(t) (17)

功率差值即为蓄电池向超级电容转移功率。

第5步：计算蓄电池在未限制功率前目标功率P_{B_mid}(t)：

P_{B_mid}(t)＝P_{B_initial}(t)+ΔP_CS(t) (18)

结合蓄电池充放电功率限制，P_{B_end}(t)计算如式(19)：

参见图9可知，在功率转移控制方法下，蓄电池和超级电容进行了功率转移。

(4)本发明涉及模糊控制器，其中蓄电池的荷电状态SOCb(t)及混合储能的初始功率指令PHess_initial(t)是影响滤波时间常数的两个重要因素，对它们进行标准化处理后，可得到变量X1(t)和X2(t)；

将X1(t)和X2(t)作为模糊控制器的输入量，构造两输入单输出的二维模糊控制器。将滤波时间反馈修正系数△S作为输出量，实时修正滤波时间常数。

基于MATLAB软件平台搭建系统仿真模型，验证本发明所提出的算法。实验参数如下表1所示。

表1仿真参数

该发明提出的基于混合储能系统的风电功率波动平抑方法有以下几个有益效果。

(1)结合图4仿真数据可知，能有效平抑风电功率波动，且平抑效果较传统方法好。

(2)结合图5仿真数据可知，利用该平抑方法混合储能出力更加平稳，有利于保护混合储能，延长其使用寿命。

(3)结合图6、图7、图8、图9仿真数据可知，该混合储能系统控制策略更加合理的分配了波动功率，使超级电容器和蓄电池分别承担了高频分量和低频分量。减少了蓄电池的充放电次数，有利于延长蓄电池的使用寿命。

综上，该发明公开的基于混合储能系统的风电功率波动平抑方法，不仅能有效平抑风电功率波动，还能延长混合储能系统使用寿命，降低了经济成本。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (1)

1.一种基于混合储能系统的风电功率波动平抑方法，其特征在于，该风电功率波动平抑方法包括：

步骤1，基于模糊控制方法提出变滤波时间常数的低通滤波算法，进而实时动态调节混合储能功率分配指令，初步分配波动功率，使得蓄电池和超级电容器分别承担低频分量和高频分量；

步骤2，在实时检测超级电容器的荷电状态和蓄电池剩余电量的基础上，通过优化的功率协调转移，实现功率的最终分配，包括：

步骤21，把上一时刻的蓄电池与规定的荷电状态的最大值和最小值作比较，如果蓄电池已到达荷电状态上限，则不再吸收能量；如果蓄电池已到达荷电状态下线，则不再释放能量；

步骤22，若蓄电池的荷电状态小于额定的最大荷电状态值，大于最小的荷电状态值，则此时电池状态良好，可以工作；此时由上一秒的消耗系数确定低通滤波器的滤波时间常数，并蓄电池承担一定的低频分量；

步骤23，在确定由蓄电池承担一定低频分量时，同时还要减少蓄电池的充放电状态改变次数；此时当蓄电池充放电持续时间小于或等于最小值时，则蓄电池保持当前工作状态，反之改变当前蓄电池的工作状态；

步骤24，判断当前蓄电池的荷电状态是否满足约束条件，若不满足则返回步骤21重新分配充放电功率；

步骤25，确定蓄电池的平抑功率后，则超级电容所吸收的功率为混合储能系统功率减去蓄电池功率；

步骤26，计算电池充放电持续时间和蓄电池损耗系数；

该混合储能系统包括：

超级电容器、蓄电池、控制器、第一DC/DC变换器和第二DC/DC变换器；其中，所述超级电容器通过所述第一DC/DC变换器连接于所述控制器；所述蓄电池通过所述第二DC/DC变换器连接于所述控制器，所述控制器和风力发电机组连接于直流母线，所述直流母线的另一端连接有电网，以采用模糊控制算法得出超级电容器和蓄电池的充放电功率的参考值，并修正所述超级电容器和蓄电池的充放电功率；所述电网和所述直流母线之间还设置有直交流转换器。