CN112671030B - 一种含储能系统风电场出力协调控制方法 - Google Patents

一种含储能系统风电场出力协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种含储能系统风电场出力协调控制方法，包括如下步骤：确定需要所述储能系统平抑风电功率中的波动成分，使所述储能系统的出力与波动功率相等；根据储能设备的额定充放电功率，得到所述储能设备出力的最大和最小值；根据所述储能设备荷电状态的要求范围，确定当前时刻不同储能设备出力约束条件；根据所述储能设备的响应时间确定当前时刻可能的最大输出功率；以所述储能设备期望的荷电状态为目标值构造二次多项式目标函数；求解所述目标函数；依次重复上述步骤。利用本发明的方法使得能够平滑风电场出力，以及避免储能系统的能量在不同储能设备之间转移、使不同储能设备具有相似的充放电状态。

Description

一种含储能系统风电场出力协调控制方法
技术领域
本发明涉及含储能系统新能源出力控制领域，特别涉及含储能系统的风电场出力协调控制方法。
背景技术
为应对气候变化，推进可持续发展，中国力争2060年前实现碳中和，这需要构建以新能源和可再生能源为主体的深度脱碳能源体系。我国风资源丰富，风电装机容量稳步增长，然而，风资源丰富的三北地区(华北、东北、西北)存在着高比例风电和热电联产机组在空间上的重叠，严重限制了风电的消纳。储能系统能够进行能量在时间和空间转移，促进风电并网消纳。
为促进风电消纳，同时避免能量在储能系统内部进行转移，需要采用合适的控制策略，使储能系统的输出功率配合风电功率以满足电网对风电并网的要求。常用的方法有简单控制、预测控制、模糊控制等，根据储能设备荷电状态和风机的出力状态确定储能设备的充放电状态和出力情况。
储能系统的控制策略应使储能系统中的设备共同平滑风电场出力，同时避免储能系统的能量在不同储能设备之间转移，使不同储能设备具有相似的充放电状态。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种含储能系统风电场出力协调控制方法，使得能够平滑风电场出力，以及避免储能系统的能量在不同储能设备之间转移、使不同储能设备具有相似的充放电状态。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种含储能系统风电场出力协调控制方法，包括如下步骤：
确定需要所述储能系统平抑风电功率中的波动成分，使所述储能系统的出力与波动功率相等；
根据储能设备的额定充放电功率，得到所述储能设备出力的最大和最小值；
根据所述储能设备荷电状态的要求范围，确定当前时刻不同储能设备出力约束条件；
根据所述储能设备的响应时间确定当前时刻可能的最大输出功率；
以所述储能设备期望的荷电状态为目标值构造二次多项式目标函数；
求解所述目标函数；
依次重复上述步骤。
可选地，所述储能系统包括蓄电池和超级电容，所述储能系统和需要平抑的风电波动功率满足：
Pb(t)+Pc(t)＝-ΔP(t)
式中：Pb(t)为蓄电池输出功率，Pc(t)为超级电容输出功率，ΔP(t)为需要平抑的风电波动功率。可选地，所述储能设备的额定充放电功率约束为：
-Pbrated≤Pb(t)≤Pbrated
-Pcrated≤Pc(t)≤Pcrated
式中：Pbrated为蓄电池额定功率，Pcrated为超级电容额定功率。
可选地，根据所述储能设备荷电状态要求范围，确定当前时刻不同储能设备出力约束条件为：
Figure BDA0002820480890000021
Figure BDA0002820480890000022
式中：SOCblow和SOCbup为蓄电池荷电状态允许的上下限，SOCclow和SOCcup为超级电容荷电状态允许的上下限，Δt为采样间隔，Ebrated和Ecrated分别为蓄电池和超级电容的额定容量,SOCb(t-1)和SOCc(t-1)为蓄电池和超级电容t-1时刻荷电状态。
可选地，根据所述蓄电池的响应时间得到采样间隔内输出功率最大变化幅度为：
Figure BDA0002820480890000023
式中：ΔPb为蓄电池在采样间隔充放电功率允许的最大变化幅度，Tb为蓄电池的响应时间。
可选地，不同控制间隔内蓄电池输出功率变化率约束为：
-ΔPb≤Pb(t)-Pb(t-1)≤ΔPb
可选地，所述构造二次多项式目标函数包括：以期望的荷电状态为中心，构造极小化目标函数，即：
Jmin＝(SOCb(t))-rb)2*wb+(SOCc(t))-rc)2*wc
式中：SOCb(t)和SOCc(t)为目标函数的决策变量，为蓄电池和超级电容待求解的当前时刻荷电状态，wb和wc为权重系数，rb和rc为期望的荷电状态。
可选地，储能设备的荷电状态与充放电功率之间的关系为：
Figure BDA0002820480890000031
式中：x取值为b或c.
本发明还提出一种终端，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所提出的含储能系统风电场出力协调控制方法。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所提出的含储能系统风电场出力协调控制方法。
通过本发明所提出的方法，使储能系统中的设备共同平滑风电场出力，避免储能系统的能量在不同储能设备之间转移，不同设备仅承担风电功率波动中的不同频率分量，使不同储能设备的有相似的充放电状态，增加风电场整体出力。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是根据本发明其中一实施例的含储能系统风电场出力协调控制系统示意图；
图2是根据本发明其中一实施例的储能设备协调控制之后不同时刻荷电状态示意图；
图3是根据本发明其中一实施例的蓄电池协调控制前后不同时刻荷电状态对比示意图；
图4是根据本发明其中一实施例的超级电容协调控制前后不同时刻荷电状态对比。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
本发明提出了一种含储能系统风电场出力协调控制方法，图1为本发明涉及的风场出力协调控制系统示意图，包括混合储能系统，例如由超级电容和蓄电池组成，双向DC-AC变换器，变压器、变压器与电网母线连接。
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，并分解得到储能系统中各设备输出功率，例如：蓄电池输出功率和超级电容输出功率,并送出双向DC-AC变换器控制命令。
本发明所提出的含储能系统风电场出力协调控制方法，具体实施步骤为：
1)储能系统工作的任意时刻，超级电容和蓄电池的放电或充电功率的总功率应当与需要储能系统平抑的功率相等，即：
Pb(t)+Pc(t)＝-ΔP(t)
式中：Pb(t)为蓄电池输出功率，Pc(t)为超级电容输出功率，ΔP(t)为需要平抑的风电波动功率。
2)根据储能设备的额定参数确定其最大最小输出功率约束，即：
-Pbrated≤Pb(t)≤Pbrated
-Pcrated≤Pc(t)≤Pcrated
式中：Pbrated为蓄电池额定功率，Pcrated为超级电容额定功率。
3)根据储能设备荷电状态要求范围确定的储能设备输出功率约束，即：
Figure BDA0002820480890000041
Figure BDA0002820480890000042
式中：SOCblow和SOCbup为蓄电池荷电状态允许的上下限，SOCclow和SOCcup为超级电容荷电状态允许的上下限，Δt为采样间隔，Ebrated和Ecrated分别为蓄电池和超级电容的额定容量,SOCb(t-1)和SOCc(t-1)为蓄电池和超级电容t-1时刻荷电状态。
4)根据蓄电池的响应时间得到采样间隔内输出功率最大变化幅度，即：
Figure BDA0002820480890000051
式中：ΔPb为蓄电池在采样间隔充放电功率允许的最大变化幅度，Tb为蓄电池的响应时间。所以不同控制间隔内蓄电池输出功率变化率约束为：
-ΔPb≤Pb(t)-Pb(t-1)≤ΔPb
5)以超级电容和蓄电池期望的荷电状态为中心构造目标函数，也就是以期望的荷电状态为中心，构造极小化目标函数，即：
Jmin＝(SOCb(t))-rb)2*wb+(SOCc(t))-rc)2*wc
式中：SOCb(t)和SOCc(t)为目标函数的决策变量，为蓄电池和超级电容待求解的当前时刻荷电状态，wb和wc为权重系数，rb和rc为期望的荷电状态。
6)根基荷电状态与输出功率之间的关系，即：
Figure BDA0002820480890000052
式中：x取值为b或c。
把以荷电状态为决策变量的目标函数变换为以储能设备输出功率为决策变量的目标函数。即：
Figure BDA0002820480890000053
s.t.
Figure BDA0002820480890000054
式中X为：
Figure BDA0002820480890000055
H为系数矩阵：
Figure BDA0002820480890000061
以某50MW风电场为例，其储能设备参数如下表所示：
参数 蓄电池 超级电容
连续放电功率/MW 12.5965 7.9856
额定容量/MW·h 3.3758 0.5773
允许放电深度 0.2-1 0.2-1
初始荷电状态 0.9615 0.9758
充放电效率 0.95 0.95
自放电率 0 0
设采样间隔为20s,根据上表参数可得二次多项式目标函数的系数矩阵为：
Figure BDA0002820480890000062
超级电容和蓄电池分别承担波动功率中的高频分量和低频分量，以1min作为分解点，即蓄电池的响应时间为1min，可得采样间隔内蓄电池最大出力为：
ΔPb＝4.1983
由此待求解的二次多项式目标函数及约束条件为：
Figure BDA0002820480890000071
s.t.
Figure BDA0002820480890000072
目标函数求解结果见图2-4，图2为储能设备协调控制之后不同时刻荷电状态，图3为蓄电池协调控制前后不同时刻荷电状态对比，图4为超级电容协调控制前后不同时刻荷电状态对比。
可见，利用本发明所提出的协调控制方法，能够使储能系统中的设备共同平滑风电场出力，避免储能系统的能量在不同储能设备之间转移，不同设备仅承担风电功率波动中的不同频率分量，使不同储能设备的有相似的充放电状态，改善储能设备工作状态，增加风电场整体出力。
本发明第五实施方式涉及一种终端，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明所提出的含储能系统风电场出力协调控制方法。
其中，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本发明不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器。
处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。
本发明还提出一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所提出的含储能系统风电场出力协调控制方法。
即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种含储能系统风电场出力协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
确定需要所述储能系统平抑风电功率中的波动成分，使所述储能系统的出力与波动功率相等；
根据储能设备的额定充放电功率，得到所述储能设备出力的最大和最小值；
根据所述储能设备荷电状态的要求范围，确定当前时刻不同储能设备出力约束条件；
根据所述储能设备的响应时间确定当前时刻可能的最大输出功率；
以所述储能设备期望的荷电状态为目标值构造二次多项式目标函数；
求解所述目标函数；
依次重复上述步骤；其中，
所述储能系统包括蓄电池和超级电容，所述储能系统需要平抑的风电波动功率满足：
Pb(t)+Pc(t)＝-ΔP(t)
式中：Pb(t)为蓄电池输出功率，Pc(t)为超级电容输出功率，ΔP(t)为需要平抑的风电波动功率；
根据所述蓄电池的响应时间得到采样间隔内输出功率最大变化幅度为：
Figure FDA0004040879210000011
式中：ΔPb为蓄电池在采样间隔充放电功率允许的最大变化幅度，Tb为蓄电池的响应时间，Δt为采样间隔，Pbrated为蓄电池额定功率；
所述构造二次多项式目标函数包括：以期望的荷电状态为中心，构造极小化目标函数，即：
Jmin＝(SOCb(t)-rb)2*wb+(SOCc(t)-rc)2*wc
式中：SOCb(t)和SOCc(t)为目标函数的决策变量，为蓄电池和超级电容待求解的当前时刻荷电状态，wb和wc为权重系数，rb和rc为期望的荷电状态；
储能设备的荷电状态与充放电功率之间的关系为：
Figure FDA0004040879210000012
式中：x取值为b或c，SOCb(t-1)和SOCc(t-1)为蓄电池和超级电容t-1时刻荷电状态，Ebrated和Ecrated分别为蓄电池和超级电容的额定容量；
把以荷电状态为决策变量的目标函数变换为以储能设备输出功率为决策变量的目标函数，即：
Figure FDA0004040879210000021
s.t.
Figure FDA0004040879210000022
式中：Pbrated为蓄电池额定功率，Pcrated为超级电容额定功率；
X为：
Figure FDA0004040879210000023
H为系数矩阵：
Figure FDA0004040879210000024
2.根据权利要求1所述的含储能系统风电场出力协调控制方法，其特征在于，所述储能设备的额定充放电功率约束为：
-Pbrated≤Pb(t)≤Pbrated
-Pcrated≤Pc(t)≤Pcrated
式中：Pbrated为蓄电池额定功率，Pcrated为超级电容额定功率。
3.根据权利要求2所述的含储能系统风电场出力协调控制方法，其特征在于，根据所述储能设备荷电状态要求范围，确定当前时刻不同储能设备出力约束条件为：
Figure FDA0004040879210000031
Figure FDA0004040879210000032
式中：SOCblow和SOCbup为蓄电池荷电状态允许的上下限，SOCclow和SOCcup为超级电容荷电状态允许的上下限，Δt为采样间隔，Ebrated和Ecrated分别为蓄电池和超级电容的额定容量，SOCb(t-1)和SOCc(t-1)为蓄电池和超级电容t-1时刻荷电状态。
4.根据权利要求1所述的含储能系统风电场出力协调控制方法，其特征在于，不同控制间隔内蓄电池输出功率变化率约束为：
-ΔPb≤Pb(t)-Pb(t-1)≤ΔPb。
5.一种终端，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至4中任一所述的含储能系统风电场出力协调控制方法。
6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任一项所述的含储能系统风电场出力协调控制方法。
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