CN111900745A - 一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统 - Google Patents

一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，将蓄电池和超级电容并联组成混合储能系统，安装在并网型风电场之中，根据实时采集的风电场输出功率和系统调度功率指令计算出储能系统所需平抑的参考功率，利用一阶低通滤波器实现功率在不同储能装置间的分配。本发明提供了一种自适应调整功率分配系数的模糊控制器，可以根据蓄电池所需平抑的参考功率与蓄电池的荷电状态SOC，实现储能系统最优化的分频协调控制，降低储能装置充放电深度，提高储能装置使用寿命，同时有效平抑风电场功率波动。

Description

一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统
技术领域
本发明属于风力发电工程领域，特别涉及了一种混合储能装置的控制系统。
背景技术
风能作为一种可再生的绿色能源，在保护环境、绿色健康发展理念的驱动下，近年来已经成为世界上发展最快的新能源发电技术。尽管风电行业迅速发展，但由于风速具有随机多变的特性，大容量的风电入网对原有电力系统的电压、频率等，造成了很大的冲击，电力系统的安全、稳定的运行受到了较大的影响。现阶段储能技术作为能量缓冲装置，能够动态释放或吸收能量，将其接入风力发电系统，可以使风电场的运行得到优化。目前利用不同的储能装置特性组成混合储能系统平抑风电波动，已经成为实际工程中的热点。
然而，接入混合储能系统后，如何实现功率分配的协调控制，是本领域工程技术人员面临的技术难题。由于风电输出功率的无规律波动，储能系统平抑的功率也将是无规律波动的，在运行过程中储能装置可能会出现过充过放问题，因此亟需引入模糊控制用于分频协调过程中，合理再分配功率，保护储能装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，既能有效平抑风电场功率波动，又可以优化储能装置的运行。
本发明提供的一种基于模糊控制的混合储能分频协调控制系统：将蓄电池和超级电容并联组成混合储能系统，安装在并网型风电场之中，根据实时采集的风电场输出功率和系统调度功率指令计算出储能系统所需平抑的参考功率，利用一阶低通滤波器实现功率在不同储能装置间的分配，并利用自适应调整功率分配系数的模糊控制器，根据蓄电池所需平抑的参考功率与蓄电池的荷电状态SOC，实现储能系统最优化的分频协调控制。
本发明的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，包括混合储能系统，功率检测单元、充放电控制器、一阶低通滤波器和模糊控制器；
所述的储能系统包括蓄电池、超级电容、第一DC/DC双向变换器、第二DC/DC双向变换器和储能双向逆变器；
蓄电池经第一DC/DC变换器串联后接入储能双向逆变器，超级电容经第二DC/DC变换器串联后接入储能双向逆变器，储能双向逆变器与电网母线连接；
充放电控制器：通过电网的电力调度中心与电网连接；以及通过功率采集单元和风电场连接，充放电控制器接收电力调度中心发出的调度值Po和通过功率检测单元采集风电场实时功率Pw，计算得出需要混合储能系统平抑的功率PHESS；混合储能系统平抑的功率PHESS＝Pw-Po；当PHESS＞0时，储能系统吸收功率；当PHESS＜0时，储能系统释放功率。
一阶低通滤波器：分别与充放电控制器和模糊控制器相连接，一阶低通滤波器将混合储能系统平抑的功率PHESS分解为低频部分Pb1与高频部分Pc1，PHESS＝Pb1+Pc1；其中，由蓄电池平抑低频部分Pb1，超级电容平抑高频部分Pc1；
模糊控制器：分别与一阶低通滤波器和蓄电池、超级电容相连接，根据蓄电池的参考功率Pb1与荷电状态SOC，自适应调节功率分配系数K，得到优化后蓄电池需要平抑的功率Pb2与超级电容需要平抑的功率Pc2。
进一步的，由蓄电池平抑的低频部分
Figure BDA0002590228910000021
超级电容平抑的高频部分
Figure BDA0002590228910000022
其中s为滤波算子，τ为滤波时间常数，τ＝1/2πfc，fc为滤波器截止频率。
进一步的，优化后蓄电池需要平抑的功率Pb2＝K·Pb1
优化后超级电容需要平抑的功率Pc2＝PHESS-Pb2。
进一步的，模糊控制器自适应调节功率分配系数K的方法包括；当蓄电池的荷电状态SOC偏离安全范围时，根据此时一阶低通滤波器所分配的蓄电池参考功率Pb1以及此时SOC值作为模糊控制器输入，输出修正系数K进行功率的再分配，从而改变下一时刻蓄电池参考功率值，优化了蓄电池SOC；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值大于SOCmax时，表示蓄电池接近饱和，且当Pb1＜0时，蓄电池释放功率，以t时刻蓄电池需要平抑的功率值和SOC值作为模糊控制器输入，输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，增大下一时刻蓄电池的平抑功率，优化蓄电池SOC；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值大于SOCmax时，表示蓄电池接近饱和，且当Pb1＞0时，蓄电池吸收功率，模糊控制器输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，减小下一时刻蓄电池的平抑功率；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值小于SOCmin时，表示蓄电池电量不足，且当Pb1＜0时，蓄电池释放功率，以t时刻蓄电池需要平抑的功率值和SOC值作为模糊控制器输入，输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，减小下一时刻蓄电池的平抑功率；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值小于SOCmin时，表示蓄电池电量不足，且当Pb1＞0时，蓄电池吸收功率，模糊控制器输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，增大下一时刻蓄电池的平抑功率，优化蓄电池SOC。
进一步的，模糊控制器自适应调节功率分配系数K的方法包括，当t时刻蓄电池的荷电状态在安全工作范围内时，可让蓄电池承担更多一些的平抑功率，调整系数K使充放电功率增大。
进一步的，所述的安全范围是指SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax。
有益效果：
目前的风电场中配有的混合储能装置虽然可以有效平抑功率的波动，未能充分发挥不同储能装置的特性，而本发明基于模糊控制器，并结合利用一阶低通滤波器的分频协调控制器，根据不同的工况自适应调节蓄电池所需平抑的功率，使混合储能系统实现最优化的功率分配，保护储能装置，适用于当前各种并网型风电场。
附图说明
图1是本发明硬件结构图；
图2是本发明控制系统结构图；
图3是本发明中模糊控制流程图；
图4是本发明控制框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统包括混合储能系统；
所述的储能系统包括蓄电池、超级电容、第一DC/DC双向变换器、第二DC/DC双向变换器和储能双向逆变器；
蓄电池经第一DC/DC变换器串联后接入储能双向逆变器，超级电容经第二DC/DC变换器串联后接入储能双向逆变器，储能双向逆变器与电网母线连接，如图1所示。
如图2所示，本发明的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统还包括功率检测单元、充放电控制器、一阶低通滤波器和模糊控制器。
充放电控制器：通过电网的电力调度中心与电网连接；以及通过功率采集单元和风电场连接，充放电控制器接收电力调度中心发出的调度值Po和通过功率检测单元采集风电场实时功率Pw，计算得出需要混合储能系统平抑的功率PHESS。
一阶低通滤波器：分别与充放电控制器和模糊控制器相连接，一阶低通滤波器将混合储能系统平抑的功率PHESS分解为低频部分与高频部分，由蓄电池平抑低频部分Pb1，超级电容平抑高频部分Pc1。
模糊控制器：分别与一阶低通滤波器和蓄电池、超级电容相连接，根据蓄电池的参考功率Pb1与荷电状态SOC，自适应调节功率分配系数K，最终得到优化后蓄电池需要平抑的功率Pb2与超级电容需要平抑的功率Pc2。
本发明的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统优化功率分配的步骤如下：
步骤1：充放电控制器通过电力调度中心发出的指令得到风电场的调度功率Po，通过风电场功率检测单元得到风电场实时功率Pw，计算得出储能系统需要平抑的功率PHESS；
步骤2：通过一阶低通滤波器将混合储能系统平抑的功率PHESS分解为低频部分与高频部分，由蓄电池平抑低频部分Pb1，超级电容平抑高频部分Pc1；
步骤3：模糊控制器根据蓄电池的参考功率Pb1与荷电状态SOC，自适应调节功率分配系数K，最终得到优化后蓄电池需要平抑的功率Pb2与超级电容需要平抑的功率Pc2。
在本实施例中，步骤1采用如下优选方案实现：
PHESS＝Pw-Po
当PHESS＞0时，储能系统吸收功率；当PHESS＜0时，储能系统释放功率。
在本实施例中，步骤2采用如下优选方案实现：
一阶低通滤波器将储能系统需要平抑的功率分配给了蓄电池与超级电容，即
PHESS＝Pb1+Pc1
Figure BDA0002590228910000051
Figure BDA0002590228910000052
其中s为滤波算子，τ为滤波时间常数，τ＝1/2πfc，fc为滤波器截止频率。
在本实施例中，步骤3采用如下优选方案实现：
以蓄电池的参考功率Pb1和荷电状态SOC作为输入、功率分配系数K作为输出，设计双输入单输出的模糊控制器，模糊控制流程如图3所示。
蓄电池荷电状态SOC是蓄电池剩余电量与蓄电池总电量之比，为使电池储能系统能够持续平滑风电机组的功率波动，在任意时刻的SOC(t)都应该维持在安全范围内，即SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax。
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值位于SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax之间时，此时为了获得较好的平抑效果，可适当让蓄电池承担多一点的平抑功率范围，调整系数K使充放电功率适当增大，改善功率平抑效果。
当蓄电池的荷电状态SOC偏离安全范围时，根据此时一阶低通滤波器所分配的蓄电池参考功率Pb1以及此时SOC值作为模糊控制器输入，输出修正系数K进行功率的再分配，从而改变下一时刻蓄电池参考功率值，优化了蓄电池SOC，避免过充过放，如图4所示。例如：
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值大于SOCmax时，表示蓄电池接近饱和，且当Pb1＜0时，蓄电池释放功率，以t时刻蓄电池需要平抑的功率值和SOC值作为模糊控制器输入，输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，增大下一时刻蓄电池的平抑功率，优化了蓄电池SOC。所述的t时刻是指任一时刻。
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值大于SOCmax时，表示蓄电池接近饱和，且当Pb1＞0时，蓄电池吸收功率，模糊控制器输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，减小下一时刻蓄电池的平抑功率，避免蓄电池过充。
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值小于SOCmin时，表示蓄电池电量不足，且当Pb1＜0时，蓄电池释放功率，以t时刻蓄电池需要平抑的功率值和SOC值作为模糊控制器输入，输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，减小下一时刻蓄电池的平抑功率，避免蓄电池过放。
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值小于SOCmin时，表示蓄电池电量不足，且当Pb1＞0时，蓄电池吸收功率，模糊控制器输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，增大下一时刻蓄电池的平抑功率，优化了蓄电池SOC。
具体的，蓄电池SOC论域为[0,1]，蓄电池参考功率变化值论域为[-1,1]，输出修正系数K论域为[0.5,1.5]。需要说明的是，本领域技术人员还可以根据实际需要，适当修改所需要的模糊论域描述的取值范围。
自适应调整优化后的功率分配：
Pb2＝K·Pb1
Pc2＝PHESS-Pb2。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：包括混合储能系统，功率检测单元、充放电控制器、一阶低通滤波器和模糊控制器；
所述的储能系统包括蓄电池、超级电容、第一DC/DC双向变换器、第二DC/DC双向变换器和储能双向逆变器；
蓄电池经第一DC/DC变换器串联后接入储能双向逆变器，超级电容经第二DC/DC变换器串联后接入储能双向逆变器，储能双向逆变器与电网母线连接；
充放电控制器：通过电网的电力调度中心与电网连接；以及通过功率采集单元和风电场连接，充放电控制器接收电力调度中心发出的调度值Po和通过功率检测单元采集风电场实时功率Pw，计算得出需要混合储能系统平抑的功率PHESS；
混合储能系统平抑的功率PHESS＝Pw-Po；
一阶低通滤波器：分别与充放电控制器和模糊控制器相连接，一阶低通滤波器将混合储能系统平抑的功率PHESS分解为低频部分Pb1与高频部分Pc1，PHESS＝Pb1+Pc1；其中，由蓄电池平抑低频部分Pb1，超级电容平抑高频部分Pc1；
模糊控制器：分别与一阶低通滤波器和蓄电池、超级电容相连接，根据蓄电池的参考功率Pb1与荷电状态SOC，自适应调节功率分配系数K，得到优化后蓄电池需要平抑的功率Pb2与超级电容需要平抑的功率Pc2。
2.根据权利要求1所述的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：当PHESS＞0时，储能系统吸收功率；当PHESS＜0时，储能系统释放功率。
3.根据权利要求1所述的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：
由蓄电池平抑的低频部分
Figure FDA0002590228900000011
超级电容平抑的高频部分
Figure FDA0002590228900000012
其中s为滤波算子，τ为滤波时间常数，τ＝1/2πfc，fc为滤波器截止频率。
4.根据权利要求1所述的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：
优化后蓄电池需要平抑的功率Pb2＝K·Pb1
优化后超级电容需要平抑的功率Pc2＝PHESS-Pb2。
5.根据权利要求1所述的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：模糊控制器自适应调节功率分配系数K的方法包括；
当蓄电池的荷电状态SOC偏离安全范围时，根据此时一阶低通滤波器所分配的蓄电池参考功率Pb1以及此时SOC值作为模糊控制器输入，输出修正系数K进行功率的再分配，从而改变下一时刻蓄电池参考功率值，优化了蓄电池SOC；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值大于SOCmax时，表示蓄电池接近饱和，且当Pb1＜0时，蓄电池释放功率，以t时刻蓄电池需要平抑的功率值和SOC值作为模糊控制器输入，输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，增大下一时刻蓄电池的平抑功率，优化蓄电池SOC；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值大于SOCmax时，表示蓄电池接近饱和，且当Pb1＞0时，蓄电池吸收功率，模糊控制器输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，减小下一时刻蓄电池的平抑功率；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值小于SOCmin时，表示蓄电池电量不足，且当Pb1＜0时，蓄电池释放功率，以t时刻蓄电池需要平抑的功率值和SOC值作为模糊控制器输入，输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，减小下一时刻蓄电池的平抑功率；
当t时刻蓄电池的荷电状态SOC(t)值小于SOCmin时，表示蓄电池电量不足，且当Pb1＞0时，蓄电池吸收功率，模糊控制器输出系数K修正一阶低通滤波器的功率分配，增大下一时刻蓄电池的平抑功率，优化蓄电池SOC。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：
模糊控制器自适应调节功率分配系数K的方法包括，当t时刻蓄电池的荷电状态在安全工作范围内时，可让蓄电池承担更多的平抑功率，调整系数K使充放电功率增大。
7.根据权利要求6所述的一种用于平抑风电功率波动的混合储能分频协调控制系统，其特征在于：所述的安全范围是指SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax。
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