CN113178897B - 风储联合系统运行控制方法及控制系统 - Google Patents

风储联合系统运行控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本公开提出了风储联合系统运行控制方法及控制系统，包括:根据风储联合系统的功率调度指令、风电功率确定储能的充、放电状态；基于储能的充、放电状态，根据储能在该状态下剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略；基于控制策略实时调整风储联合系统机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以使直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。根据储能剩余容量和充放电功率状态实时调整风‑储联合系统的运行方式，避免储能的过充和过放，延长其使用寿命。

Description

风储联合系统运行控制方法及控制系统
技术领域
本公开属于运行控制技术领域，尤其涉及风储联合系统运行控制方法及控制系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
为了“30·60”双碳目标的顺利达成，我国将建设以新能源为主体的新型电力系统，包括风电在内的新能源装机容量和比例将大幅提高。在新型电力系统中，为了保障系统的稳定性，要求风电机组具备类似常规同步机组的频率支撑能力。风电机组进行频率响应和主动支撑的附加能量来源包括转子动能、限功率备用和附加储能。其中，通过配置附加储能，可以在满足频率支撑能量的同时，避免风电机组限电运行，具备更为良好的经济效益。
针对风电机组和储能的协同运行，现有技术多考虑通过集中式储能电站平滑风电出力。相比之下，通过在风电机组的直流侧增加储能，有望在提升风电机组主动支撑能力的同时，显著增强其可控裕度，具有良好的应用前景。而当储能直接接入风电机组的直流侧时，二者在控制对象和控制目标上具备更加紧密的耦合。储能具有灵活的调节能力和快速的响应能力，因此风电机组的直流侧电压具备良好的支撑作用。在利用储能维持直流电压时，也要充分发挥储能提供的功率跟踪和频率支撑能力。一方面，调整功率参考值则可能导致风-储联合系统输出功率振荡，功率参考值频繁变化不利于系统稳定运行；另一方面，如果风-储联合系统按给定的功率参考进行出力，当风电出力波动超出储能调节能力时，直流母线电压将出现较大偏移，系统将无法安全正常运行。
发明人在研究中发现，由于风电的不稳定性，引起风电功率波动继而导致储能和变流器非正常运行，使得储能的过充和过放，最终将影响电网的稳定性。因此，有必要开展风储联合系统运行研究并提出相关控制方法。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本公开提供了风储联合系统运行控制方法，能保证直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。
为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
第一方面，公开了风储联合系统运行控制方法，包括:
储能变流器负责维持风电机组的直流电压稳定，机侧变流器负责控制风电输出功率，网侧变流器负责控制风储联合系统总体输出功率；
根据风储联合系统的功率调度指令、风电功率确定储能的充、放电状态；
基于储能的充、放电状态，根据储能在该状态下剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略；
基于控制策略实时调整风储联合系统机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以使直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。
进一步的技术方案，风储联合系统的功率调度指令大于风电功率时，储能将处于放电状态；反之，储能将处于充电状态。
进一步的技术方案，控制策略需要满足：
当储能剩余容量高于储能单元所允许的最大剩余容量时，正常放电，但应限制其充电功率以防止储能过充；
当储能剩余容量低于储能单元所允许的最小剩余容量时，正常充电，但应限制其放电功率，并及时恢复储能剩余容量；
当储能剩余容量位于储能单元所允许的最大和最小剩余容量之间时，正常充放电，但当放电功率达到最大值，或充电功率达到最大值时，调整风储系统的运行控制策略。
进一步的技术方案，所述控制策略包括：
控制策略1：当储能处于放电状态，且剩余容量低于储能单元所允许的最小剩余容量时，根据储能额定充电功率进行充电。
控制策略2：当储能处于放电状态，且剩余容量高于储能单元所允许的最小剩余容量时，正常放电；
控制策略3：当储能剩余容量处于储能单元所允许的最大和最小剩余容量之间，且在充、放电时未达到所对应的最大功率时，则风储联合系统处于正常工作状态，输出调度指令功率；
控制策略4：当储能处于充电状态，且剩余容量低于储能单元所允许的最大剩余容量时，正常充电；
控制策略5：当储能剩余容量高于储能单元所允许的最大剩余容量时，限制储能充电功率，使得储能处于非常缓慢的充电状态，防止储能过充。
优选的，控制策略1中：通过检测风电功率和上级对风储联合系统的调度指令，决定输出功率参考值，若风电功率无法同时满足储能充电和风储联合系统输出功率指令的要求，则优先满足储能的充电需求，储能按照额定充电功率进行充电，恢复剩余容量。
优选的，控制策略2中：若储能放电功率达到最大值，则由于风储系统的输出功率指令大于风电功率和储能输出功率的总和，将造成直流母线电压下降，采用附加控制消除直流母线电压偏移。
优选的，控制策略4中：若储能充电功率达到最大值，则由于风储系统的输出功率指令小于风电功率和储能吸收功率的总和，将造成直流母线电压上升，采用附加控制消除直流母线电压偏移。
第二方面，公开了风储联合系统运行控制系统，包括:
储能状态确定模块，被配置为：根据风储联合系统的功率调度指令、风电功率确定储能的充、放电状态；
控制模块，被配置为：基于储能的充、放电状态，根据储能在该状态下剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略；
基于控制策略实时调整风储联合系统机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以使直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本公开技术方案根据储能的剩余容量以及充放电功率限制，实时调整机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以保证直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。
本公开技术方案的风-储联合系统及其运行控制策略可以有效实现系统能量平衡，避免由于风电功率波动导致储能和变流器非正常运行。同时，根据储能剩余容量和充放电功率状态实时调整风-储联合系统的运行方式，避免储能的过充和过放，延长其使用寿命。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为风储联合系统结构示意图；
图2(a)为储能放电，变流器工作在boost模式示意图；
图2(b)为储能充电，变流器工作在buck模式示意图；
图3为本公开实施例子风储联合系统运行控制方法流程示意图；
图4控制策略2对应的附加控制示意图；
图5控制策略4对应的附加控制示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了风储联合系统运行控制方法，该方法根据储能的剩余容量以及充放电功率限制，实时调整机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以保证直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。
关于本实施例风储联合系统结构如图1所示，永磁直驱型风电机组通过背靠背变流器并网，储能通过DC/DC变换器接入直流母线。其中，储能单元DC/DC变流器为buck/boost变换器，其控制目标是维持稳定的直流电压Vdc。运行过程中，储能的放电功率为Pout，充电功率为Pin。机侧和网侧变流器采用两电平或三电平电压源换流器，其中机侧变流器实现风机的最大功率跟踪，其主要控制参数为风电输出功率PWT；网侧变流器实现风-储联合系统输出功率控制，其主要控制参数为输出功率参考值Pset。
风储联合系统中，储能变流器的控制方式如图2(a)-图2(b)所示，其中将储能放电功率和电流方向定义为其正方向。储能放电时，变流器运行在boost模式；储能充电时，变流器运行在buck模式。外环根据直流电压控制参考值Vdc,ref，通过PI控制器获得电流参考，并在内环中根据电流参考，通过PI控制器获得占空比D。
本公开实施例子中，风储联合系统结构运行控制方法如图3所示，首先，根据风储联合系统的功率调度指令Pdispatch和风电功率PWT确定储能的充、放电状态，其中，功率调度指令由上级调度机构发送。
当Pdispatch>PWT时，储能将处于放电状态；反之，当Pdispatch<PWT时，储能将处于充电状态。
进而，根据剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略。
其中SOCmax和SOCmin分别为储能单元所允许的最大和最小剩余容量，当储能剩余容量高于SOCmax时，可以正常放电，但应限制其充电功率以防止储能过充。
当储能剩余容量低于SOCmin时，可以正常充电，但应限制其放电功率，并及时恢复储能剩余容量。
当储能剩余容量位于SOCmax和SOCmin之间时，可以正常充放电，但当放电功率达到最大值Pmax,out，或充电功率达到最大值Pmax,in时，应调整风储系统的运行控制策略，保证系统稳定运行。
具体实施例子中，控制策略1为：当储能处于放电状态，且剩余容量低于SOCmin时，为了快速恢复储能剩余容量，根据储能额定充电功率Pn,in进行充电。通过检测风电功率PWT和上级对风-储联合系统的调度指令Pdispatch，决定输出功率参考值Pset。若风电功率无法同时满足储能充电和风-储联合系统输出功率指令的要求，则优先满足储能的充电需求，即
Pset＝PWT-Pn,in (1)
此时，储能可以按照额定充电功率进行充电，快速恢复剩余容量。
控制策略2为：当储能处于放电状态，且剩余容量高于SOCmin时，可以正常放电。但若储能放电功率达到最大值Pmax,out，则由于风-储系统的输出功率指令Pset大于风电功率PWT和储能输出功率Pout的总和，将造成直流母线电压Vdc下降，影响风-储系统的正常运行。此时，为了维持系统稳定，采用附加控制消除直流母线电压偏移。
Pset＝Pdispatch-KPΔ2-KI∫Δ2dt (2)
其中Δ2＝(Vdc,ref-Vdc)+(Ibat-In)，上述控制策略可表示为如图4所示。
上述方案的进一步说明，当直流电压Vdc下降时，Vdc,ref-Vdc>0，由于储能达到最大放电功率，因此又有Ibat＝In，因此有Δ2>0，又式(2)可知经过PI调节器后，风储联合系统的功率输出降低，降低对储能的功率输出要求。最终能量达到平衡，且有Vdc,ref-Vdc＝Ibat-In＝0，直流电压Vdc恢复至参考值，同时保持Ibat＝In，风储联合系统的功率跟踪需求进行最大支撑。
KP和KI参数分别为图4所示PI控制器的比例和积分调节系数。
控制策略3为：当储能剩余容量处于SOCmin和SOCmax之间，且在充、放电时未达到所对应的最大功率时，则风储联合系统处于正常工作状态，按照正常控制方法运行，输出调度指令功率Pdispatch。
Pset＝Pdispatch (3)
此时，若储能处于放电状态，则有Pset＝PWT+Pout；若处于充电状态，则有Pset＝PWT-Pin。
控制策略4为：当储能处于充电状态，且剩余容量低于SOCmax时，可以正常充电，但若储能充电功率达到最大值Pmax,in，则由于风储系统的输出功率指令Pset小于风电功率PWT和储能吸收功率Pin的总和，将造成直流母线电压Vdc上升，影响风-储系统的正常运行。此时，为了维持系统稳定，采用如下附加控制消除直流母线电压偏移。
Pset＝Pdispatch+KPΔ4+KI∫Δ4dt (4)
其中Δ2＝(Vdc-Vdc,ref)-(Ibat+In)，上述控制策略可表示为如图5所示。
上述方案的进一步说明，当直流电压Vdc上升时，Vdc-Vdc,ref>0，由于储能达到最大放电功率，因此又有Ibat＝-In，因此有Δ4>0，由式(4)可知经过PI调节器后，风储联合系统的功率输出增加，降低对储能的功率吸收要求。最终能量达到平衡，且有Vdc-Vdc,ref＝Ibat+In＝0，直流电压Vdc恢复至参考值，同时保持Ibat＝-In，储能保持额定电流和功率继续进行充电。
控制策略5为：当储能剩余容量高于SOCmax时，为了防止储能过充，应当限制储能充电功率，即有
Pset＝PWT+Δ5 (5)
其中Δ5为一接近于0的正值，以保证储能处于非常缓慢的充电状态，不将其设置为0的目的是防止储能在充电和放电之间频繁切换。
实施例二
本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
实施例三
本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。
实施例四
本实施例的目的是提供了风储联合系统运行控制系统，包括:
储能状态确定模块，被配置为：根据风储联合系统的功率调度指令、风电功率确定储能的充、放电状态；
控制模块，被配置为：基于储能的充、放电状态，根据储能在该状态下剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略；
基于控制策略实时调整风储联合系统机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以使直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡。
以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。
本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.风储联合系统运行控制方法，其特征是，包括:
储能变流器负责维持风电机组的直流电压稳定，机侧变流器负责控制风电输出功率，网侧变流器负责控制风储联合系统总体输出功率；
根据风储联合系统的功率调度指令、风电功率确定储能的充、放电状态；
基于储能的充、放电状态，根据储能在该状态下剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略；
基于控制策略实时调整风储联合系统机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以使直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡；
风储联合系统的功率调度指令大于风电功率时，储能将处于放电状态；反之，储能将处于充电状态；
其中，所述控制策略需要满足：
当储能剩余容量高于储能单元所允许的最大剩余容量时，正常放电，但应限制其充电功率以防止储能过充；
当储能剩余容量低于储能单元所允许的最小剩余容量时，正常充电，但应限制其放电功率，并及时恢复储能剩余容量；
当储能剩余容量位于储能单元所允许的最大和最小剩余容量之间时，正常充放电，但当放电功率达到最大值，或充电功率达到最大值时，调整风储系统的运行控制策略；
所述控制策略包括：
控制策略1：当储能处于放电状态，且剩余容量低于储能单元所允许的最小剩余容量时，根据储能额定充电功率进行充电；
控制策略2：当储能处于放电状态，且剩余容量高于储能单元所允许的最小剩余容量时，正常放电；
控制策略3：当储能剩余容量处于储能单元所允许的最大和最小剩余容量之间，且在充、放电时未达到所对应的最大功率时，则风储联合系统处于正常工作状态，输出调度指令功率；
控制策略4：当储能处于充电状态，且剩余容量低于储能单元所允许的最大剩余容量时，正常充电；
控制策略5：当储能剩余容量高于储能单元所允许的最大剩余容量时，限制储能充电功率，使得储能处于非常缓慢的充电状态，防止储能过充。
2.如权利要求1所述的风储联合系统运行控制方法，其特征是，控制策略1中：通过检测风电功率和上级对风储联合系统的调度指令，决定输出功率参考值，若风电功率无法同时满足储能充电和风储联合系统输出功率指令的要求，则优先满足储能的充电需求，储能按照额定充电功率进行充电，恢复剩余容量。
3.如权利要求1所述的风储联合系统运行控制方法，其特征是，控制策略2中：若储能放电功率达到最大值，则由于风储系统的输出功率指令大于风电功率和储能输出功率的总和，将造成直流母线电压下降，采用附加控制消除直流母线电压偏移。
4.如权利要求1所述的风储联合系统运行控制方法，其特征是，控制策略4中：若储能充电功率达到最大值，则由于风储系统的输出功率指令小于风电功率和储能吸收功率的总和，将造成直流母线电压上升，采用附加控制消除直流母线电压偏移。
5.风储联合系统运行控制方法，其特征是，包括:
储能状态确定模块，被配置为：根据风储联合系统的功率调度指令、风电功率确定储能的充、放电状态；
控制模块，被配置为：基于储能的充、放电状态，根据储能在该状态下剩余容量和是否达到功率限制，选取相对应的风储联合系统控制策略；
基于控制策略实时调整风储联合系统机侧变流器、网侧变流器以及储能变流器的控制方式，以使直流母线的电压稳定和风电机组内部的能量平衡；
风储联合系统的功率调度指令大于风电功率时，储能将处于放电状态；反之，储能将处于充电状态；
其中，所述控制策略需要满足：
当储能剩余容量高于储能单元所允许的最大剩余容量时，正常放电，但应限制其充电功率以防止储能过充；
当储能剩余容量低于储能单元所允许的最小剩余容量时，正常充电，但应限制其放电功率，并及时恢复储能剩余容量；
当储能剩余容量位于储能单元所允许的最大和最小剩余容量之间时，正常充放电，但当放电功率达到最大值，或充电功率达到最大值时，调整风储系统的运行控制策略；
所述控制策略包括：
控制策略1：当储能处于放电状态，且剩余容量低于储能单元所允许的最小剩余容量时，根据储能额定充电功率进行充电；
控制策略2：当储能处于放电状态，且剩余容量高于储能单元所允许的最小剩余容量时，正常放电；
控制策略3：当储能剩余容量处于储能单元所允许的最大和最小剩余容量之间，且在充、放电时未达到所对应的最大功率时，则风储联合系统处于正常工作状态，输出调度指令功率；
控制策略4：当储能处于充电状态，且剩余容量低于储能单元所允许的最大剩余容量时，正常充电；
控制策略5：当储能剩余容量高于储能单元所允许的最大剩余容量时，限制储能充电功率，使得储能处于非常缓慢的充电状态，防止储能过充。
6.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-4任一所述的方法的步骤。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-4任一所述的方法的步骤。
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