CN109217343A - 一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，并依此研究功率分配优化方法。包括合理地分配电池与飞轮的充放电功率，采用低通滤波器的方法来确定飞轮储能装置与蓄电池的功率分配参考值，依据飞轮的储能状态与母线电压之间的定性关系，提出一种基于母线电压变化的混合储能模糊控制策略，设计功率分配控制器。在传统模糊逻辑控制的基础上，加入了基于母线电压变化的飞轮储能状态优化模块，相比于传统模糊控制，改进后的控制方法充分发挥了飞轮储能的大功率补偿特性，更好地优化了电池充放电性能，进一步延长了电池循环寿命。

Description

一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法

技术领域

本发明涉及微电网储能系统自动控制领域，具体通过一种基于飞轮—蓄电池混合储能系统应用于风电功率平滑控制的方法。

背景技术

随着化石能源的不断枯竭及其消耗所带来的不可逆的环境污染和破坏等负面问题，世界各国开始寻求多元、洁净、高效的能源问题解决方案。风力发电作为发展最快的、可大规模开发利用的可再生能源形式之一，在未来的能源结构中占有重要地位，是改善能源结构、促进节能减排的有效途径。

风力发电具有间歇性、随机性和波动性，容易引起电网电压跌落、涌流等问题，成为电网安全、稳定运行的主要技术障碍。为了提高风电机组输出电能质量，解决电网接纳风电存在的问题，应该维持风电接入点的电网电压稳定、抑制有功功率波动、调节无功功率、缓解风电的随机波动，使风电场具备一定的调峰能力，以确保电网的可调度性和稳定性。为此，应该研究具有功率平滑功能的储能技术。

从频域的角度可以将分布式发电接入带来的功率波动划分为高频和低频。高频功率波动幅值大，持续时间短；低频功率波动幅值较小，但持续时间长。如果只用单一储能来补偿母线功率波动，难以达到理想的效果。储能元件按其储能容量和瞬时输出功率大小可分为能量型储能元件和功率型储能元件。以飞轮储能为代表的功率型储能元件有着功率密度大，循环使用寿命长，充放电效率高等特点，适合于大功率充放电的场合，但其能量密度较小，不适合大规模能量存储。以锂电池为代表的能量型储能元件虽然有着较高的能量密度，适合大规模储能，但其功率密度小，循环寿命短，而且对充放电过程比较敏感，不适宜频繁充放电。鉴于微电网母线功率波动的特点，利用飞轮储能和蓄电池的互补性，将它们的结合使用构成混合储能系统，将会大幅度提高储能装置的性能。

发明内容

为了合理地分配蓄电池与飞轮的充放电功率，采用低通滤波器的方法来确定飞轮储能装置与蓄电池的功率分配参考值，依据飞轮的储能状态与母线电压之间的定性关系，提出一种基于母线电压的混合储能模糊控制策略，设计功率分配控制器。在传统模糊逻辑控制的基础上，加入了基于母线电压变化的飞轮储能状态优化模块，相比于传统模糊控制，改进后的控制方法充分发挥了飞轮储能的大功率补偿特性，更好地优化了电池充放电性能，进一步延长了电池循环寿命。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方案，其特征在于，包括如下具体步骤：

步骤(1)：采用低通滤波的方法来确定蓄电池和飞轮储能的功率输出值P_b ^*和P_f ^*；根据飞轮所储存能量的状态与其飞轮旋转的角速度成一定的线性关系，以及角速度与母线电压的关系，类比于蓄电池的荷电状态SOC，提出飞轮的储能状态(FEC)，最终得到飞轮的储能状态FEC与当前母线电压的关系。

步骤(2)：为了更好发挥飞轮储能“削峰填谷”的补偿特性，在飞轮储能实际储能状态FEC_rel的基础上增加一个补偿量ΔFEC作为模糊控制器新的输入。并得到飞轮储能的补偿量ΔFEC与FEC_rel、U的函数关系；对蓄电池和飞轮储能装置输入、输出的变量进行模糊化处理、设定变量隶属函数、制定各自的控制规则、解模糊，最终得到储能装置的功率修正值。

进一步，采用低通滤波的方法来确定蓄电池和飞轮储能的功率输出值P_b ^*和P_f ^*，结合风力发电并网功率波动要求和混合储能配置的容量，可确定蓄电池和飞轮储能分别需要平抑的波动频率段，从而确定低通滤波对应的时间常数T_H与T_b，得到各自的输出功率参考值：

P_f ^*＝P_H ^*-P_b ^* (4)

式中P_T为分布式电源总的出力，P_b ^*、P_f ^*分别为蓄电池和飞轮储能功率输出参考值，P_H ^*为混合储能的总功率，为风电场功率输出期望值。

进一步，所述飞轮所储存能量的状态与其飞轮旋转的角速度成一定的线性关系，而其飞轮角速度受母线电压控制，从而可知飞轮的储能状态与母线电压满足一定的关系。

飞轮可吸收或释放的最大能量为因微电网为低电压水平，所以成阻性，设定母线电压最大值为U_max，则对于最大电压与飞轮储能存在下式所示关系：

对于其他母线电压，同理有以下所示关系：

由式(5)、(6)可得到飞轮理想转速与母线电压之间的关系为：

式(5)、(6)、(7)中J_F为飞轮的转动惯量，ω_g为飞轮的理想角速度，ω_max为飞轮的最大旋转角速度，ω_min为飞轮的最小旋转角速度，U_max为母线允许的最大电压，U为母线的实时电压，I为母线电流。

类似于蓄电池的荷电状态SOC_b的定义，引入飞轮储能的储能状态(FEC)：飞轮当前所储存的能量与所能储存最大能量的比值。由于飞轮的旋转速度与其储能状态有良好的线性关系，故飞轮的理想储能状态FEC可以表示为：

在式(8)中，为了提高飞轮储能的能量利用率，规定飞轮最小旋转角速度ω_min为其最大旋转角速度ω_max的一半，由式(7)和式(8)可得飞轮储能FEC与微电网当前母线电压的关系为：

进一步，所述在飞轮储能实际储能状态FEC_rel的基础上增加一个补偿量ΔFEC作为模糊控制器新的输入，FEC、FEC_rel、ΔFEC三者的关系如下所示：

FEC(t)＝FEC_rel(t)±ΔFEC(t) (10)

由式(9)及(10)可得飞轮储能的补偿量ΔFEC与FEC_rel、U的函数关系为：

ΔFEC(t)＝f[FEC_rel(t),FEC(t)]＝f[FEC_rel(t),U(t)] (11)

进一步对输入、输出的变量进行模糊化处理：

蓄电池：蓄电池模糊控制器将荷电状态饱和度和功率参考值饱和度作为输入。的连续论域为[-1,1]，的连续论域为[-1,1]，模糊集为{NB,ZO,PB}(NB表示负大，ZO表示零，PB表示正大)。模糊输出为功率修正参数Δk_b的隶属函数ε^Δk，离散论域为[-2,2]，模糊集为{NB,NS,ZO,PS,PB}，Δk_b的隶属函数为三角形。

飞轮储能装置：飞轮储能模糊控制器将经过优化的飞轮储能状态饱和度功率参考值饱和度作为输入。的连续论域为[-2，2]，的连续论域为[-1,1]，模糊集为{NB,ZO,PB}。模糊输出为功率修正参数Δk_f的隶属函数ε^Δk，其模糊集为的{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，连续论域为[-3,3]。Δk_f的隶属函数为三角形。

进一步，解模糊控制采用加权平均法，则储能装置的功率参考值修正后为：

其中P_b、P_f分别为修正后蓄电池和飞轮储能的补偿功率，为蓄电池和飞轮储能装置的额定功率，ΔP_f、ΔP_b分别为飞轮储能和蓄电池的修正功率。

本发明相比现有技术具有以下优点及有益效果：

本发明所提出一种基于母线电压变化的混合储能模糊控制策略，设计功率分配控制器。在传统模糊逻辑控制的基础上，加入了基于母线电压变化的飞轮储能状态优化模块，相比于传统模糊控制，改进后的控制方法充分发挥了飞轮储能的大功率补偿特性，更好地优化了电池充放电性能，进一步延长了电池循环寿命。

附图说明

图1是混合储能系统总体框图；

图2是二级低通滤波控制框图；

图3是飞轮储能与蓄电池的模糊控制框图；

其中，(a)为基于母线电压的飞轮储能模糊控制策略，(b)为蓄电池的模糊控制策略；

图4是蓄电池和飞轮储能的隶属函数图；

其中，(a)为荷电状态饱和度的隶属函数，(b)为功率参考值饱和度的隶属函数，(c)功率修正参数Δk_b的隶属函数，(d)为飞轮储能状态饱和度隶属函数,(e)功率参考值饱和度隶属函数,(f)为功率修正参数Δk_f的隶属函数；

图5是模糊控制的输入输出关系图；

其中(a)表示飞轮储能的输入输出关系(b)表示蓄电池的输入输出关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是混合储能系统总体框图。本发明的实施包括如下：

步骤(1)：经过功率检测得到分布式电源总的出力，采用低通滤波的方法来确定蓄电池和飞轮储能的功率输出值和根据飞轮所储存能量的状态与其飞轮旋转的角速度成一定的线性关系，以及角速度与母线电压的关系，类比于蓄电池的荷电状态SOC，提出飞轮的储能状态FEC，最终得到飞轮的储能状态FEC与当前母线电压的关系。

步骤(2)：在飞轮储能实际储能状态FEC_rel的基础上增加一个补偿量ΔFEC作为模糊控制器新的输入。并得到飞轮储能的补偿量ΔFEC与FEC_rel、U的函数关系；对蓄电池和飞轮储能装置输入、输出的变量进行模糊化处理、设定变量隶属函数、制定各自的控制规则、解模糊。

根据图2所示，采用低通滤波的方法来确定蓄电池和飞轮储能的功率。

图2中，P_T为分布式电源总的出力，分别为蓄电池和飞轮储能功率输出参考值，为混合储能的总功率，时间常数T_H>T_b。结合风力发电并网功率波动要求和混合储能配置的容量，可确定蓄电池和飞轮储能分别需要平抑的波动频率段，从而确定低通滤波对应的时间常数，得到各自的输出功率参考值：

飞轮所储存能量的状态与其飞轮旋转的角速度成一定的线性关系，而其飞轮角速度受母线电压控制，从而可知飞轮的储能状态与母线电压满足一定的关系。

飞轮可吸收或释放的最大能量为因微电网为低电压水平，所以成阻性，设定母线电压最大值为U_max，则对于最大电压与飞轮储能存在下式所示关系：

对于其他母线电压，同理有以下所示关系：

由式(5)、(6)可得到飞轮理想转速与母线电压之间的关系为：

式(5)、(6)、(7)中J_F为飞轮的转动惯量，ω_g为飞轮的理想角速度，ω_max为飞轮的最大旋转速度，ω_min为飞轮的最小旋转速度，U_max为母线允许的最大电压，U为母线的实时电压。

类似于蓄电池的荷电状态SOC_b，引入飞轮储能的储能状态FEC：飞轮当前所储存的能量与所能储存最大能量的比值。由于飞轮的旋转速度与其储能状态有良好的线性关系，故飞轮的理想储能状态FEC可以表示为：

在式(8)中，为了提高飞轮储能的能量利用率，规定飞轮最小旋转角速度为其最大旋转角速度的一半，由式(7)和式(8)可得飞轮储能FEC与微电网当前母线电压的关系为：

根据图3所示，在飞轮储能实际储能状态FEC_rel的基础上增加一个补偿量ΔFEC作为模糊控制器新的输入，FEC、FEC_rel、ΔFEC三者的关系如下所示：

FEC(t)＝FEC_rel(t)±ΔFEC(t) (10)

由式(9)及(10)可得飞轮储能的补偿量ΔFEC与FEC_rel、U的函数关系为：

ΔFEC(t)＝f[FEC_rel(t),FEC(t)]＝f[FEC_rel(t),U(t)] (11)

对输入、输出的变量进行模糊化处理：

蓄电池模糊控制器将荷电状态饱和度和功率参考值饱和度作为输入。的连续论域为[-1,1]，的连续论域为[-1,1]，模糊集为{NB,ZO,PB}(NB表示负大，ZO表示零，PB表示正大)。模糊输出为功率修正参数Δk_b的隶属函数ε^Δk，离散论域为[-2,-1,0,1,2]，模糊集为{NB,NS,ZO,PS,PB}(NB表示负大，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PB表示正大)，Δk_b的隶属函数如图4所示。

飞轮储能模糊控制器将经过优化的飞轮储能状态饱和度功率参考值饱和度作为输入。的连续论域为[-2，2]，的连续论域为[-1,1]，模糊集为{NB,ZO,PB}。模糊输出为功率修正参数Δk_f的隶属函数ε^Δk，其模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，连续论域为[-3,3]。Δk_f的隶属函数如图4所示。

进一步，解模糊控制采用加权平均法，则储能装置的功率参考值修正后为：

其中P_b、P_f分别为修正后蓄电池和飞轮储能的补偿功率，为蓄电池和飞轮储能装置的额定功率，ΔP_f、ΔP_b分别为飞轮储能和蓄电池的修正功率。

根据表1和表2的模糊控制规则得到图5的模糊控制的输入输出关系，图中的K_f表示飞轮的功率修正参数、P_f表示飞轮功率参考值饱和度、P_b表示蓄电池功率参考值饱和度、SOC_b表示蓄电池荷电状态饱和度、FEC表示飞轮储能状态饱和度、K_b表示蓄电池功率修正参数，由图5可见，本发明的方法最终能够对风电功率进行平滑控制。

表1蓄电池模糊控制规则

表2飞轮储能模糊控制规则

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：采用低通滤波的方法来确定蓄电池和飞轮储能的功率输出值P_b ^*和P_f ^*；根据飞轮所储存能量的状态与飞轮旋转的角速度成一定的线性关系，以及角速度与母线电压的关系，类比于蓄电池的荷电状态SOC的定义，提出飞轮的储能状态FEC，并得到飞轮的储能状态FEC与当前母线电压的关系；

步骤(2)：在飞轮实际储能状态FEC_rel的基础上增加补偿量ΔFEC作为模糊控制器新的输入，并得到飞轮储能的补偿量ΔFEC与FEC_rel、U的函数关系；对蓄电池和飞轮储能装置输入、输出的变量进行模糊化处理、设定变量隶属函数、制定各自的控制规则、解模糊，得到储能装置的功率修正值。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用低通滤波的方法来确定蓄电池和飞轮储能的功率输出值P_b ^*和P_f ^*的实现包括：

结合风力发电并网功率波动要求和混合储能配置的容量，确定蓄电池和飞轮储能分别需要平抑的波动频率段，从而确定低通滤波对应的时间常数T_H与T_b，得到各自的输出功率参考值：

P_f ^*＝P_H ^*-P_b ^*

式中P_T为风电场实际输出有功功率，P_b ^*、P_f ^*分别为蓄电池和飞轮储能功率输出参考值，P_H ^*为混合储能的总功率，P_T ^*为风电场输出功率期望值。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，飞轮所储存能量的状态与飞轮旋转的角速度成一定的线性关系，以及角速度与母线电压的关系，具体如下：

设飞轮可吸收或释放的最大能量为母线电压最大值为U_max，则对于最大电压与飞轮储能存在下式所示关系：

对于其他母线电压，同理有以下所示关系：

由上面两个式子得到飞轮理想转速与母线电压之间的关系为：

式中J_F为飞轮的转动惯量，ω_g为飞轮的理想角速度，ω_max为飞轮的最大旋转角速度，ω_min为飞轮的最小旋转角速度，U_max为母线允许的最大电压，U为母线的实时电压，I为母线电流。

4.根据权利要求3所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，飞轮的储能状态FEC定义为飞轮当前所储存的能量与所能储存最大能量的比值，所述FEC表示为：

其中，定义飞轮最小旋转角速度ω_min为其最大旋转角速度ω_max的一半。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，飞轮的储能状态FEC与当前母线电压的关系为：

6.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在飞轮实际储能状态FEC_rel的基础上增加补偿量ΔFEC作为模糊控制器新的输入，得到的FEC、FEC_rel、ΔFEC三者的关系为：

FEC(t)＝FEC_rel(t)±ΔFEC(t)。

7.根据权利要求6所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，得到飞轮储能的补偿量ΔFEC与FEC_rel、U的函数关系为：ΔFEC(t)＝f[FEC_rel(t),FEC(t)]＝f[FEC_rel(t),U(t)]。

8.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，对蓄电池和飞轮储能装置输入、输出的变量进行模糊化处理、设定变量隶属函数、制定各自的控制规则包括：

蓄电池：蓄电池模糊控制器将荷电状态饱和度和功率参考值饱和度作为输入，的连续论域为[-1,1]，的连续论域为[-1,1]，模糊集为{NB,ZO,PB}，NB表示负大，ZO表示零，PB表示正大；模糊输出为功率修正参数Δk_b的隶属函数ε^Δk，离散论域为[-2,2]，模糊集为{NB,NS,ZO,PS,PB}，Δk_b的隶属函数为三角形；

飞轮储能装置：飞轮储能模糊控制器将经过优化的飞轮储能状态饱和度功率参考值饱和度作为输入，的连续论域为[-2，2]，的连续论域为[-1,1]，模糊集为{NB,ZO,PB}；模糊输出为功率修正参数Δk_f的隶属函数ε^Δk，其模糊集为的{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，连续论域为[-3,3]；Δk_f的隶属函数为三角形。

9.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的风电混合储能功率平滑控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，解模糊采用加权平均法，则储能装置的功率参考值修正后为：

其中，P_b、P_f分别为修正后蓄电池和飞轮储能的补偿功率，为蓄电池和飞轮储能装置的额定功率，ΔP_f、ΔP_b分别为飞轮储能和蓄电池的修正功率。