CN110808613A - 一种利用混合储能提升风电利用率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用混合储能提高风电利用率的方法，所述方法将蓄电池组‑飞轮储能‑超级电容器‑抽水蓄能电站构成混合储能装置，分为直流部分和交流部分，应用到风电场，利用能量管理系统制定策略，控制混合储能设备充放电，提高风电利用率。蓄电池组‑飞轮储能‑超级电容器构成直流部分，抽水蓄能电站构成交流部分，将以上能量型和功率型储能设备结合起来，进而提升储能装置的整体性能。风电发电功率的波动是非线性的，将风电波动按照希尔伯特频率变换，计算出低频、中频和高频波动，分别对应于直流储能部分蓄电池组‑飞轮储能‑超级电容器之间的功率分配，实现对风电场实时出力波动的平抑，提升电能质量。当风电波动率很大时，利用容量大的抽水蓄能电站储能削峰填谷，直接提升风电利用率。混合储能装置可以有效平抑风电波动、削峰填谷最终达到提高风电利用率的目的。

Description

一种利用混合储能提升风电利用率的方法
技术领域
本发明属于风力发电和控制技术领域，是一种利用混合储能装置提高风电利用率的方法。
背景技术
随着新能源发电技术的不断应用，新能源与分布式发电在电网中占比越来越高。风力是一种可再生的清洁能源，我国幅员辽阔，陆地面积大、海岸线长，拥有丰富的风力资源，并且拥有巨大的风能发展潜力。目前，我国已经成为世界上规模最大、增长速度最快的风力发电市场。
由于风能的波动性和间歇性，风电场的输出功率和预测功率出现非线性不稳定的偏差。大规模风力发电并入电网，对供电可靠性和持续性产生不利影响，导致了电力系统安全性和稳定性降低等一系列问题，给电网调度带来很大困难，也限制风力发电的发展。目前，随着风力发电规模越来越大，风力发电并网难和弃风现象愈演愈烈，改善风力发电输出功率波动大、输出功率不平滑的缺点，提高风电利用率是亟待解决的问题。
现阶段，解决风电利用率低的方法主要有三种：第一种是从宏观层面让风电参与经济调度以提高风电消纳能力，但是未根本解决风电波动性问题和不符合我国风电规模大的客观情况；第二种是优化风力发电模型和风电预测算法，根据误差分布规律修正风电调度曲线，减小风力发电实际输出和调度曲线的差值。该方法可以减小风力发电输出的波动，但是风能间歇性不能完全依靠历史数据进行预测，误差不能完全消除；第三种是通过在风电并网前接入储能装置，通过控制储能装置的快速充放电来平抑风力发电输出的波动。但是单一储能设备存在充放电慢、储能容量小或者使用寿命短的缺点，且解决问题重点放在平抑小波动不能削峰填谷更有效提升风电利用率。故本方法提出了一种利用混合储能的装置来平抑风电波动和削峰填谷，有效提升风力发电利用率。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供了一种混合储能装置和控制方法，用于平抑风电波动和削峰填谷，提升风力发电利用率。
为实现上述目的，将抽水蓄能电站-蓄电池组-飞轮-超级电容器组合起来，充分发挥各种储能类型的优点。储能装置基本分为能量型和功率型，能量型储能代表为蓄电池组和抽水蓄能电站，能量密度大但功率密度小,充放电速度慢而且蓄电池组还存在使用寿命较短的缺点。功率型储能装置的代表为飞轮储能和超级电容器，功率密度大但能量密度小,充放电速度快。将两者结合起来，可以有更好的反应速度和使用寿命，进而提升储能装置的整体性能。抽水蓄能电站充放电时间为1～24h，额定功率100～5000MW；蓄电池组充放电时间1s～1h，额定功率0～50MW；飞轮储能充放电时间1s～1h，额定功率0～0.25MW；超级电容器充放电时间1ms～1h，额定功率0～0.3MW。
对应的将风电波动分为分钟级、秒级和毫秒级的低频、中频和高频波动，分配至蓄电池组-飞轮-超级电容器参与调节输入和输出功率，平抑风电波动。周期为小时级的功率波动应用抽水蓄能电站参与削峰填谷，提升风电利用率，避免弃风现象产生。
将混合储能装置分为直流部分和交流部分接入风电场功率输出母线，风电场电能输出直接连接交流母线，直流母线通过可以整流和逆变的双向变流器AC- DC与交流母线连接，实现功率的双向流动。用于调节风电波动的蓄电池组-飞轮 -超级电容器组合构成直流储能部分，分别通过双向变流器DC-DC和直流母线连接，直流母线还接有本地直流负荷。
能量管理系统通过SPWM控制双向变流器的功率输入或者输出，使混合储能系统参与调节风电波动，分配低频-中频-高频的功率波动分别至蓄电池组、飞轮储能、超级电容器。
抽水蓄能电站属于交流储能部分，通过双向变流器AC/AC接到交流母线上，实现功率输入和输出，在交流母线上还连接电力系统与本地交流负荷。在风电场产生较大的风电波动时，通过在波谷将水抽至上水库将多余电能储存起来，在波峰时上水库放水发电参与调峰。
实现利用混合储能设备提升风电利用率的控制策略，包含以下步骤：
第一步，读取电力系统制定的风电场发电调度计划，得到该时刻风电场目标输出功率PS；
第二步，计算该时刻风电场实际输出功率，其中单台风机实际发电效率
Figure BDA0002294770500000021
式中P——风机输出功率Cp——风机的功率系数A——叶片的扫风面积ρ——空气密度v——风速
考虑风电场风机气流相互影响效应，风电场实际输出功率为
Figure BDA0002294770500000022
式中PW——风机有功功率输出功率；Pr——风机额定输出功率
第三步，计算风电波动率
Figure BDA0002294770500000023
式中PS——风电场计划输出功率，POUT——风电场实际输出功率
第四步，判断当δ≤50％时，此时为抑制风电波动需要混合储能设备蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组成的直流部分投入运行，起到平滑输出功率曲线的作用。
当δ>50％时，此刻风电场计划输出功率和实际输出功率差值过大，仅依靠安装在直流母线上储能设备容量进行充放电难以满足计划输出功率要求而且频繁充放电会影响储能设备寿命，此时需要抽水蓄能电站工作，弥补风电场发电不足或者吸收风电场多余电量，削峰填谷，提升风电利用率。
第五步，使用对本时刻输出功率以T为时间间隔进行数据采样和希尔伯特频率变换，得到此刻风电波动的频率特性。
定义频率界限fh和fl，作为高频、中频和低频风电功率波动的判断标准，其中f>fh属于高频风电功率波动，对应连接超级电容器的双向变流器DC/DC 控制该设备进行充放电，fl≤f≤fh属于中频风电功率波动，对应连接飞轮储能的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电，f<fl属于低频风电功率波动，对应连接蓄电池组的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电。
第六步，能量管理器按照以上逻辑判断，通过SPWM控制双向变流器，达到实现混合储能设备的充放电策略的目的。
进一步的，当风电场实际输出功率POUT小于风电场计划输出功率PS时，风电场混合储能设备放电
Figure BDA0002294770500000031
式中EB(t)、EB(t-1)、EF(t)、EF(t-1)、EC(t)、EC(t-1)分别为蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组在t时刻和t-1时刻的储能电量，ΔP是与风电场实际输出功率POUT与风电场计划输出功率PS的差值，数值为负数，ηBd、ηFd、ηCd、分别为蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组的放电效率。
进一步的，当风电场实际输出功率POUT大于风电场计划输出功率PS时，混合储能设备储能。
Figure BDA0002294770500000032
式中ΔP是与风电场实际输出功率POUT与风电场计划输出功率PS的差值，数值为正数，ηBc、ηFc、ηCc分别为蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组的充电效率。
在混合储能设备容量、功率、成本和特性的优化配置上，应考虑历史风电波动率、储能系统功率、负荷特性和风电场电能质量评判标准，风电并网引起的电能质量问题的产生不仅与风电场输出的风电自身特性有关，还与电网的结构有关，例如，新能源发电引起的电压波动大小与负荷消耗的功率有关，网络结构随着运行方式的改变会导致电压偏差，电力谐波与风电机组的变流器控制方式有关，即当风电场在并入电网后各电能质量问题需满足相关标准后，才能允许并网。考虑风电电能质量的评估中，按照相关国家标准将这些电能质量问题的标准作为风电并网的入网评估标准。
并网标准如下式：
Figure BDA0002294770500000041
式中dUB——风电入网的电压波动标准值；
δUB——风电入网的电压偏差标准值；
HRUB——风电入网的电力谐波标准值
在满足以上这些技术性指标的基础上，再考虑配置混合储能装置后风电场的经济效益最优，以此为目标函数进行混合储能设备的优化配置：
maxF＝αPre-βPes-γPEes (8)
式中：α为风电场电能上网电价，β和γ分别为混合储能设备总投入成本在一个计算周期内的分摊成本；Pre是风电场在一个计算周期内的实际输出功率，Pes、 Ees分别为混合储能装置的功率和容量。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
(1)在混合储能配置上，本发明将能量型和功率型储能设备结合，克服单一储能设备存在充放电速度慢、储能容量小和使用寿命短的缺点，各种设备配合投入，有更好的平滑风电波动效果和更长工作寿命。
(2)在混合储能装置拓扑结构上，本发明将蓄电池组-飞轮-超级电容器通过双向变流器DC-DC和直流母线连接，并连接直流负载；将抽水蓄能电站通过双向变流器AC-AC和交流母线连接，并连接交流负载和并入电力系统，不仅可以将高质量的电能并入电网，还能为本地交直流负荷直接供电。
(3)在混合储能装置控制策略上，本发明按照先判断风电波动大小，将储能工作分配至直流侧装置或交流侧装置，再分析风电波动率频率高低分类，选择储能设备和充放电模式；通过能量管理中心，控制对应设备的变流器工作状态，实现储能设备对风电场输出功率的平滑，实现削峰填谷，提高风电利用率。
附图说明
图1是本发明提供的混合储能装置拓扑结构图；
图2是混合储能装置提高风电利用率的控制策略；
图3是混合储能装置功率、容量、成本、特性优化模型。
具体实施方式
如图1所述，将混合储能装置分为直流部分和交流部分接入风电场功率输出母线，风电场电能输出直接连接交流母线，直流母线通过可以整流和逆变的双向变流器AC-DC与交流母线连接，实现功率的双向流动。用于调节风电波动的蓄电池组-飞轮-超级电容器组合构成直流储能部分，分别通过双向变流器DC-DC 和直流母线连接，直流母线还接有本地直流负荷。
能量管理系统通过SPWM控制双向变流器的功率输入或者输出，使混合储能系统参与调节风电波动，分配低频-中频-高频的功率波动分别至蓄电池组、飞轮储能、超级电容器。
抽水蓄能电站属于交流储能部分，通过双向变流器AC/AC接到交流母线上，实现功率输入和输出，在交流母线上还连接电力系统与本地交流负荷。在风电场产生较大的风电波动时，通过在波谷将水抽至上水库将多余电能储存起来，在波峰时上水库放水发电参与调峰。
如图2所述，实现利用混合储能设备提升风电利用率的控制策略，包含以下步骤：
第一步，读取电力系统制定的风电场发电调度计划，得到该时刻风电场目标输出功率PS；
第二步，计算该时刻风电场实际输出功率，考虑风电场风机气流相互影响效应，风电场实际输出功率为
Figure BDA0002294770500000051
式中PW——风机有功功率输出功率；Pr——风机额定输出功率
第三步，计算风电波动率
式中PS——风电场计划输出功率，POUT——风电场实际输出功率
第四步，判断当δ≤50％时，此时为抑制风电波动需要混合储能设备蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组成的直流部分投入运行，起到平滑输出功率曲线的作用。
当δ>50％时，此刻风电场计划输出功率和实际输出功率差值过大，仅依靠安装在直流母线上储能设备容量进行充放电难以满足计划输出功率要求而且频繁充放电会影响储能设备寿命，此时需要抽水蓄能电站工作，弥补风电场发电不足或者吸收风电场多余电量，削峰填谷，提升风电利用率。
第五步，使用对本时刻输出功率以T为时间间隔进行数据采样和希尔伯特频率变换，得到此刻风电波动的频率特性。
定义频率界限fh和fl，作为高频、中频和低频风电功率波动的判断标准，其中f>fh属于高频风电功率波动，对应连接超级电容器的双向变流器DC/DC 控制该设备进行充放电，fl≤f≤fh属于中频风电功率波动，对应连接飞轮储能的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电，f<fl属于低频风电功率波动，对应连接蓄电池组的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电。
第六步，能量管理器按照以上逻辑判断，通过SPWM控制双向变流器，达到实现混合储能设备的充放电策略的目的。
进一步的，当风电场实际输出功率POUT小于风电场计划输出功率PS时，风电场混合储能设备放电
Figure BDA0002294770500000061
式中EB(t)、EB(t-1)、EF(t)、EF(t-1)、EC(t)、EC(t-1)分别为蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组在t时刻和t-1时刻的储能电量，ΔP是与风电场实际输出功率POUT与风电场计划输出功率PS的差值，数值为负数，ηBd、ηFd、ηCd、分别为蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组的放电效率。
进一步的，当风电场实际输出功率POUT大于风电场计划输出功率PS时，混合储能设备储能。
Figure BDA0002294770500000062
式中ΔP是与风电场实际输出功率POUT与风电场计划输出功率PS的差值，数值为正数，ηBc、ηFc、ηCc分别为蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组的充电效率。
如图3所述，在混合储能设备容量、功率、成本和特性的优化配置上，应考虑历史风电波动率、储能系统功率、负荷特性和风电场电能质量评判标准，风电并网引起的电能质量问题的产生不仅与风电场输出的风电自身特性有关，还与电网的结构有关，例如，新能源发电引起的电压波动大小与负荷消耗的功率有关，网络结构随着运行方式的改变会导致电压偏差，电力谐波与风电机组的变流器控制方式有关，即当风电场在并入电网后各电能质量问题需满足相关标准后，才能允许并网。考虑风电电能质量的评估中，按照相关国家标准将这些电能质量问题的标准作为风电并网的入网评估标准。
并网标准如下式：
式中dUB——风电入网的电压波动标准值；
δUB——风电入网的电压偏差标准值；
HRUB——风电入网的电力谐波标准值
在满足以上这些技术性指标的基础上，再考虑配置混合储能装置后风电场的经济效益最优，以此为目标函数进行混合储能设备的优化配置：
maxF＝αPre-βPes-γPEes (14)
式中：α为风电场电能上网电价，β和γ分别为混合储能设备总投入成本在一个计算周期内的分摊成本；Pre是风电场在一个计算周期内的实际输出功率，Pes、 Ees分别为混合储能装置的功率和容量。
以上对本发明所提供的利用混合储能设备提升风电利用率的方法进行了详细说明。任何本领域的人员对本发明的技术方案和构思加以同等变换，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用混合储能装置提高风电利用率的方法，其特征在于将能量型和功率型储能设备结合起来，即抽水蓄能电站-蓄电池组-飞轮-超级电容器组合起来，分为直流储能部分和交流储能部分，充分发挥各种储能类型的优点，克服各自缺点。
2.根据权利要求1所述的混合储能装置，其特征在于将蓄电池组-飞轮-超级电容器组合成为直流储能部分，用于调节小容量风电场输出波动，改善电能质量；将抽水蓄能电站分配成交流储能部分，用于削峰填谷，直接提升风电利用率。
3.根据权利要求1或2所述的混合储能装置，风电场电能输出直接连接交流母线，直流母线通过可以整流和逆变的双向变流器AC-DC与交流母线连接，实现功率的双向流动；用于调节风电波动的蓄电池组-飞轮-超级电容器组合构成直流储能部分，分别通过双向变流器DC-DC和直流母线连接，直流母线还接有本地直流负荷；抽水蓄能电站属于交流储能部分，通过双向变流器AC/AC接到交流母线上，实现功率输入和输出，在交流母线上还连接电力系统与本地交流负荷。
4.根据权利要求1至3所述的混合储能装置提升风电利用率的方法，其特征包括以下步骤：
第一步，读取电力系统制定的风电场发电调度计划，得到该时刻风电场目标输出功率PS；
第二步，计算该时刻风电场实际输出功率，考虑风电场风机气流相互影响效应，风电场实际输出功率为
Figure FDA0002294770490000011
式中PW——风机有功功率输出功率；Pr——风机额定输出功率
第三步，计算风电波动率
Figure FDA0002294770490000012
式中PS——风电场计划输出功率，POUT——风电场实际输出功率
第四步，判断当δ≤50％时，此时为抑制风电波动需要混合储能设备蓄电池组-飞轮储能-超级电容器组成的直流部分投入运行，起到平滑输出功率曲线的作用；
当δ>50％时，此刻风电场计划输出功率和实际输出功率差值过大，仅依靠安装在直流母线上储能设备容量进行充放电难以满足计划输出功率要求而且频繁充放电会影响储能设备寿命，此时需要抽水蓄能电站工作，弥补风电场发电不足或者吸收风电场多余电量，削峰填谷，提升风电利用率；
第五步，使用对本时刻输出功率以T为时间间隔进行数据采样和希尔伯特频率变换，得到此刻风电波动的频率特性；定义频率界限fh和fl，作为高频、中频和低频风电功率波动的判断标准，其中f>fh属于高频风电功率波动，对应连接超级电容器的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电，fl≤f≤fh属于中频风电功率波动，对应连接飞轮储能的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电，f<fl属于低频风电功率波动，对应连接蓄电池组的双向变流器DC/DC控制该设备进行充放电；
第六步，能量管理器按照以上逻辑判断，通过SPWM控制双向变流器，达到实现混合储能设备的充放电策略的目的；当风电场实际输出功率POUT小于风电场计划输出功率PS时，风电场混合储能设备放电；当风电场实际输出功率POUT大于风电场计划输出功率PS时，混合储能设备储能。
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