CN109217369A - 一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法，首先，从经济学角度分析储能系统的充放电特性，考虑不同控制方式对储能系统寿命影响；其次，采用分层‑分区控制方式对风储电站进行协调控制，上层根据电网调度需求，考虑分时电价政策对集中式储能和整个风电场级进行协调功率控制，下层考虑区域内分布式储能和多台风电机组间的协调功率控制；最后，采用改进遗传算法对分层优化控制模型求解，实现风储电站中储能系统及风机出力的合理分配。

Description

一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法

技术领域

本发明涉及种适用于风储电站分层优化控制方法，属于风储电站协调控制 领域。

背景技术

目前，随着分布式能源并网规模的不断扩大，对电网的安全稳定带来了重 大的挑战。以风电场为例，其为配电网提供无功、电压支撑，调频调压，有效 的延缓了电网升级等，但由于风速存在着随机性和波动性特点，一定程度上限 制了风能利用率，因此在风电场中需要并入大规模储能系统，有效的减少了大 规模风电并网引起的运行风险问题。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种计及储能寿命的风储电站 分层优化控制方法，其充分考虑电网调度需求及分时电价政策对整个风电场出 力的影响，有效的平抑风电场的功率波动，提高配电网对风电的接纳能力，增 加风电场并网运行的经济性和可靠性，具有一定的工程应用价值。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括以下步骤：

步骤1、对双馈风力发电系统进行解耦控制，其发电机输出的有功功率及无 功功率为：

其中，X_m分别为双馈风电机组的电动势，励磁感抗、电抗；X_σs, X_s分别为双馈风电机组的定子电压、电流、漏抗及电抗；s为转差率；X_σr, X_r分别为双馈风电机组转子电压、电流、漏抗及电抗；

步骤2、根据计算得定子的有功及无功功率输出为：

其中，U_s为定子电压的有效值，I_sP,I_sQ为定子电流的有功功率、无功功率；

当不考虑定子侧电阻作用，简化风力发电机组有功及无功功率输出关系为：

步骤3、为了快速平抑风功率波动，快速跟踪电网调度运行中风电场发电计 划偏差，将储能系统的模型等效为：

其中，E_{ES_k}为储能系统k容量；i_{ES_k}为充放电电流；U₀为储能系统电压初始 值；U₁为储能系统电压的线性分量；B为指数对应系数；t为储能系统充放电时 间；

步骤4、将分层控制思想应用到风储电站的调控中，下层-分区控制时以储 能系统寿命损耗及区域内网络损耗最小为优化目标；

步骤5、上层-场级控制以并网运行时以总网络损耗为优化目标，实现风储 电站经济优化运行，计算风电场并网后整个网络的有功功率损耗P_{W_t}和无功网损 Q_{W_t}；

步骤6、在考虑储能寿命对风储电站调控影响后，考虑分层调控的方式，计 算总体的多目标函数；

步骤7、采用改进遗传算法对风储电站进行调控，根据自适应权重及自适应 罚函数来优化多目标函数。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤4分为：

步骤4-1、计算储能系统网络损耗对区域调控的影响：

区域x内n台风机并入储能系统后，各个区域并网点输出的有功功率P_{b_x}及无功功率Q_{b_x}为：

其中，P_{w_n}和Q_{w_n}为区域x内n台风电机组功率输出；P_{w_n}和Q_{w_n}为Q_{M_x}为区域 x负荷输出的有功功率及无功功率；φ_x为区域x接入点相位的偏差值；P_{Es_k}和 Q_{ES_k}为区域x储能系统输出功率值；

考虑区域级网络损耗最小的优化目标为

步骤4-2、计算储能系统寿命损耗对区域调控的影响：

储能系统寿命为其总寿命损耗的倒数，由于放电深度的不同，每次循环充 放电储能系统寿命损耗值不同，由于储能系统自身容量及充放电深度的限制， 需要考虑其寿命损耗成本；

步骤4-3、考虑储能系统过放现象对需求偏差的影响：

用电高峰期会出现供电不足情况，若此时未对储能系统进行合理监控，可 能会出现过放的现象，为了有效的提高储能系统的运行寿命，尽量减少过放现 象的产生，以需求偏差最小为优化目标，具体的表达式为：

其中，P_{L_x}为区域x内负荷需求量；P_{ES_k_max}和P_{ES_k_min}为储能系统输出功率上下 限；Δt为储能系统充放电时间间隔；

步骤4-4、考虑储能系统过充现象对需求偏差的影响：

储能系统容量能完全消纳风电时，若此时未对储能系统进行合理监控，此 时会出现过充现象，为了有效的提高储能系统的运行寿命，尽量减少过充现象 的产生，以需求偏差最小为优化目标，具体的表达式为：

作为本发明的另一种优选方案，所述步骤5中有功功率损耗P_{W_t}和无功网损 Q_{W_t}分别为：

无功网损Q_{W_t}分别为：

其中，X_xy为第x,y条母线间馈线的感抗值；R_xy为第x,y条母线间馈线的 阻抗值；U_x,U_y为第x，y节点对应的电压值；φ_x,φ_y为第x,y节点对应的相 位角；

考虑场级网络损耗最小的优化目标为：

作为本发明的另一种优选方案，所述步骤6的多目标函数为：

f＝min[a₁(c₁f₁+c₂f₂+c₃f₃)+a₂f₄] (12)

式中，a₁,a₂和,c₁,c₂,c₃为权重系数，且满足a₁+a₂＝1，c₁+c₂+c₃＝1。

与现有技术相比本发明有益效果。

(1)在对风储电站调控时，考虑储能系统寿命损耗对调控的影响，实现了 风储电站中储能系统及风机出力的合理分配，在延长储能寿命的同时提高了电 网对风电的消纳能力，使得整个风电场运行经济性显著提高。

(2)本发明采用风储电站分层-分区域控制方法对风电机组、风电场、分布 式及集中式储能进行分层调控，风电场快速响应上层调度中心调度指令，通过 分解调度指令并逐层响应的方式，有效的减少储能机组寿命损耗的同时，提高 了风储电站调度的准确度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不 仅局限于以下内容的表述。

图1是风储电站并网示意图

图2是风储电站分层-分区控制流程图

图3是改进遗传算法求解流程图

具体实施方式

如图1-3所示，本发明根据风储电站储能调控的特点，提出一种计及储能 寿命的风储电站分层优化控制方法，首先，从经济学角度分析储能系统的充放 电特性，考虑不同控制方式对储能系统寿命影响；其次，采用分层-分区控制方 式对风储电站进行协调控制，上层根据电网调度需求，考虑分时电价政策对集 中式储能和整个风电场级进行协调功率控制，下层考虑区域内分布式储能和多 台风电机组间的协调功率控制；最后，采用改进遗传算法对分层优化控制模型 求解，实现风储电站中储能系统及风机出力的合理分配，在延长储能寿命的同 时提高电网对风电的消纳能力，使得整个风电场运行经济性显著提高。

如附图1所示，本发明提出一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方 法，风储电站分层控制主要包括上层-场级控制和下层-分区控制，前者主要协 调风电场并网后集中式储能、负荷、区域风储系统之间功率分配；后者主要考 虑分时电价政策协调风电机组与储能之间调控，规划风储电站分层优化控制过 程，下层调控的目标为区域网损最小，储能电池过充、过放的能量偏差最小， 上层调控的目标为满足电网调度需求的同时兼顾下层调控需求的同时减少网络 损耗，通过设置权重系数设置有功损耗无功损耗比重，实现了风储电站中储能 系统及风机出力的合理分配，在延长储能寿命的同时提高了电网对风电的消纳 能力，使得整个风电场运行经济性显著提高。

一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法，计算步骤如图2所示， 具体为：

步骤1、对双馈风力发电系统进行解耦控制，其发电机输出的有功功率及无 功功率为：

其中，X_m分别为双馈风电机组的电动势，励磁感抗、电抗；X_σs, X_s分别为双馈风电机组的定子电压、电流、漏抗及电抗；s为转差率；X_σr, X_r分别为双馈风电机组转子电压、电流、漏抗及电抗。

步骤2、根据计算得定子的有功及无功功率输出为：

其中，U_s为定子电压的有效值，I_sP,I_sQ为定子电流的有功功率、无功功率。

当不考虑定子侧电阻作用，简化风力发电机组有功及无功功率输出关系为

步骤3、计算储能系统的电压与容量关系为：

其中，E_{ES_k}为储能系统k容量；i_{ES_k}为充放电电流；U₀为储能系统电压初始 值；U₁为储能系统电压的线性分量；B为指数对应系数；t为储能系统充放电时 间。

步骤4、求解储能电池组剩余电量SOC为

步骤5、为了快速平抑风功率波动，快速跟踪电网调度运行中风电场发电计 划偏差，将储能系统的模型等效为

其中，E_{ES_k}为储能系统k容量；i_{ES_k}为充放电电流；U₀为储能系统电压初始 值；U₁为储能系统电压的线性分量；B为指数对应系数；t为储能系统充放电时 间。

步骤6、电网根据不同时段负荷情况，将全天24小时划分为不同时段，通 过分时电价政策有效实现了功率时间及空间的转移，储能系统一天内容量变化 为：

其中，第i小时段储能装置的充放电功率；A_i ⁺,A_i ^-,为第i小 时段的电价，即用电高峰期、用电低谷期电价；

步骤7、将分层控制思想应用到风储电站的调控中，下层-分区控制时以储 能系统寿命损耗及区域内网络损耗最小为优化目标。

步骤7-1、计算储能系统网络损耗对区域调控的影响：

区域x内n台风机并入储能系统后，各个区域并网点输出的有功功率P_{b_x}及无功功率Q_{b_x}为

其中，P_{w_n}和Q_{w_n}为区域x内n台风电机组功率输出；P_{w_n}和Q_{w_n}为Q_{M_x}为区域 x负荷输出的有功功率及无功功率；φ_x为区域x接入点相位的偏差值；P_{ES_k}和Q_{ES_k}为区域x储能系统输出功率值。

考虑区域级网络损耗最小的优化目标为

步骤7-2、计算储能系统寿命损耗对区域调控的影响：

储能系统寿命为其总寿命损耗的倒数，由于放电深度的不同，每次循环充 放电储能系统寿命损耗值不同，由于储能系统自身容量及充放电深度的限制， 因此研究中需要考虑其寿命损耗成本。

步骤7-3、考虑储能系统过放现象对需求偏差的影响：

用电高峰期会出现供电不足情况，若此时未对储能系统进行合理监控，可 能会出现过放的现象，为了有效的提高储能系统的运行寿命，尽量减少过放现 象的产生，以需求偏差最小为优化目标，具体的表达式为

其中，P_{L_x}为区域x内负荷需求量；P_{ES_k_max}和P_{ES_k_min}为储能系统输出功率上下 限；Δt为储能系统充放电时间间隔。

步骤7-4、考虑储能系统过充现象对需求偏差的影响：

储能系统容量能完全消纳风电时，若此时未对储能系统进行合理监控，此 时会出现过充现象，为了有效的提高储能系统的运行寿命，尽量减少过充现象 的产生，以需求偏差最小为优化目标，具体的表达式为

步骤8、上层-场级控制以并网运行时以总网络损耗为优化目标，实现风储 电站经济优化运行，计算风电场并网后整个网络的有功功率损耗P_{W_t}和无功网损Q_{W_t}分别为

其中，X_xy为第x,y条母线间馈线的感抗值；R_xy为第x,y条母线间馈线的 阻抗值；U_x,U_y为第x，y节点对应的电压值；φ_x,φ_y为第x,y节点对应的相位 角。

考虑场级网络损耗最小的优化目标为

步骤9、在考虑储能寿命对风储电站调控影响后，考虑分层调控的方式，总 体的多目标函数为

f＝min[a₁(c₁f₁+c₂f₂+c₃f₃)+a₂f₄] (15)

式中，a₁,a₂和,c₁,c₂,c₃为权重系数，且满足a₁+a₂＝1，c₁+c₂+c₃＝1。

步骤10、采用改进遗传算法对风储电站进行调控，根据自适应权重及自适 应罚函数来优化多目标函数，求解过程如图3所示。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受 限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然 可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需 要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法，其特征在于，包括：

步骤1、对双馈风力发电系统进行解耦控制，其发电机输出的有功功率及无功功率为：

其中，X_m分别为双馈风电机组的电动势，励磁感抗、电抗；X_σs,X_s分别为双馈风电机组的定子电压、电流、漏抗及电抗；s为转差率；X_σr,X_r分别为双馈风电机组转子电压、电流、漏抗及电抗；

步骤2、根据计算得定子的有功及无功功率输出为：

其中，U_s为定子电压的有效值，I_sP,I_sQ为定子电流的有功功率、无功功率；

当不考虑定子侧电阻作用，简化风力发电机组有功及无功功率输出关系为：

步骤3、为了快速平抑风功率波动，快速跟踪电网调度运行中风电场发电计划偏差，将储能系统的模型等效为：

其中，E_{ES_k}为储能系统k容量；i_{ES_k}为充放电电流；U₀为储能系统电压初始值；U₁为储能系统电压的线性分量；B为指数对应系数；t为储能系统充放电时间；

步骤4、将分层控制思想应用到风储电站的调控中，下层-分区控制时以储能系统寿命损耗及区域内网络损耗最小为优化目标；

步骤5、上层-场级控制以并网运行时以总网络损耗为优化目标，实现风储电站经济优化运行，计算风电场并网后整个网络的有功功率损耗P_{W_t}和无功网损Q_{W_t}；

步骤6、在考虑储能寿命对风储电站调控影响后，考虑分层调控的方式，计算总体的多目标函数；

步骤7、采用改进遗传算法对风储电站进行调控，根据自适应权重及自适应罚函数来优化多目标函数。

2.根据权利要求1所述的一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法，其特征在于，所述步骤4分为：

步骤4-1、计算储能系统网络损耗对区域调控的影响：

区域x内n台风机并入储能系统后，各个区域并网点输出的有功功率P_{b_x}及无功功率Q_{b_x}为：

其中，P_{w_n}和Q_{w_n}为区域x内n台风电机组功率输出；P_{w_n}和Q_{w_n}为Q_{M_x}为区域x负荷输出的有功功率及无功功率；φ_x为区域x接入点相位的偏差值；P_{ES_k}和Q_{ES_k}为区域x储能系统输出功率值；

考虑区域级网络损耗最小的优化目标为

步骤4-2、计算储能系统寿命损耗对区域调控的影响：

储能系统寿命为其总寿命损耗的倒数，由于放电深度的不同，每次循环充放电储能系统寿命损耗值不同，由于储能系统自身容量及充放电深度的限制，需要考虑其寿命损耗成本；

步骤4-3、考虑储能系统过放现象对需求偏差的影响：

用电高峰期会出现供电不足情况，若此时未对储能系统进行合理监控，可能会出现过放的现象，为了有效的提高储能系统的运行寿命，尽量减少过放现象的产生，以需求偏差最小为优化目标，具体的表达式为：

其中，P_{L_x}为区域x内负荷需求量；P_{ES_k_max}和P_{ES_k_min}为储能系统输出功率上下限；Δt为储能系统充放电时间间隔；

步骤4-4、考虑储能系统过充现象对需求偏差的影响：

储能系统容量能完全消纳风电时，若此时未对储能系统进行合理监控，此时会出现过充现象，为了有效的提高储能系统的运行寿命，尽量减少过充现象的产生，以需求偏差最小为优化目标，具体的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法，其特征在于：所述步骤5中有功功率损耗P_{W_t}和无功网损Q_{W_t}分别为：

无功网损Q_{W_t}分别为：

其中，X_xy为第x,y条母线间馈线的感抗值；R_xy为第x,y条母线间馈线的阻抗值；U_x,U_y为第x，y节点对应的电压值；φ_x,φ_y为第x,y节点对应的相位角；

考虑场级网络损耗最小的优化目标为：

4.根据权利要求1所述的一种计及储能寿命的风储电站分层优化控制方法，其特征在于：所述步骤6的多目标函数为：

f＝min[a₁(c₁f₁+c₂f₂+c₃f₃)+a₂f₄] (12)

式中，a₁,a₂和,c₁,c₂,c₃为权重系数，且满足a₁+a₂＝1，c₁+c₂+c₃＝1。