CN114362142A

CN114362142A - 大规模风电的电力系统储能电源优化设备

Info

Publication number: CN114362142A
Application number: CN202111477544.3A
Authority: CN
Inventors: 李忠魁; 杨铮; 李福岭; 朱燕飞; 田斯阳; 惠娟; 刘跃辉; 谢宜锦; 尚晓龙; 任云腾; 苏萌; 时锦
Original assignee: State Grid Henan Electric Power Co Xingyang City Power Supply Co
Current assignee: State Grid Henan Electric Power Co Xingyang City Power Supply Co
Priority date: 2021-12-06
Filing date: 2021-12-06
Publication date: 2022-04-15

Abstract

本申请涉及大规模风电的电力系统储能电源优化设备，包括储能电源充放电功率优化电路、功率平衡电路、电源优化电路。首先，针对风电出力短期波动性，建立了储能电源容量配置模型，还采用多阶段时序滚动方法来制定整个周期内的储能电源充放电功率，实现了较平滑的功率。其次，在功率平衡电路，利用储能装置弥补常规机组吸收后的风电预测误差，通过对储能装置的运行状态进行优化，使得储能电源最大化弥补风电预测误差。最后，在电源优化电路中，对风电出力的随机性、难预测性等特点，建立了含风电电力系统调峰容量需求模型，建立了一种基于含风电电力系统调峰的优化配置模型，能够实现对系统进行多元储能电源的全局优化。

Description

大规模风电的电力系统储能电源优化设备

技术领域

本申请涉及风力发电和电能存储领域，具体涉及大规模风电的电力系统储能电源优化设备。

背景技术

随着化石能源危机、温室效应等问题的日益突出，风力发电得到了快速发展。然而，由于受风速和自身技术特点的限制，风电出力具有随机性、难预测性和可调度性差等特点。随着风电容量在电力系统中所占比例的增加，大规模风电的集中接入会增加电网在功率平衡和稳定控制问题的复杂性，给电力系统的安全运行带来巨大的挑战。而储能技术具有快速响应能力，有助于实现电力系统在各种工况下的功率和能量平衡，对于提高电网安全经济运行和风电利用率具有重要意义。采用小波变换得到对风电出力变化的时频特性，通过对风电出力变化的时频特性分析，进而得到风电出力在不同时间尺度变化周期下的出力特点。结合几种相对成熟的储能电源的运行特性，给出储能电源在含风电电力系统中的运行方式，提出了含大规模风电电力系统中储能电源的优化配置思路。基于储能的最优运行状态，研究储能装置在系统中补偿风电预测误差的容量需求，在风电并网系统的风电利用率、供电可靠性以及系统经济性之间取得一个最优的平衡。

含大规模风电的电力系统储能电源的优化配置对提高系统的安全经济运行、风电利用率具有重要的意义，以考虑前瞻性效应为核心的平滑风电出力短时波动性的储能电源容量配置方法、结合负荷特性综合考虑常规机组调节能力的弥补风电预测误差的储能电源容量配置方法和基于含风电电力系统调峰需求的储能电源优化配置方法，以解决超短期、短期、中长期的含风电电力系统的储能电源优化配置问题，结合不同储能电源的充放电特性对子问题单独优化配置的基础上，考虑不同储能电源重合作用的稱合区域，对系统进行多元储能电源协调优化配置能够从全局上优化。

风电接入系统会造成调峰压力增大、电压控制困难、电能质量恶化等一系列问题，如果这些问题得不到合适的处理，不仅会影响系统负荷侧的供电的可靠性，甚至会导致整个电网崩淸，进而限制风电装机规模的扩大。随着新型储能装置技术发展的日臻完善，在风电并网系统中配置具有快速反应能力的储能装置，可以降低风电预测的不准确性对系统运行的经济性和安全性影响，提高电力系统对风电的利用率。采用将风电预测误差控制在一定范围内的目标来优化储能装置的容量，使得储能设备成本最小化，以风电出力预测误差不超过正负的时段大于为标准。以风电预测误差最小化为目标优化储能装置的容量，通过量化储能容量与未平抑的误差之间的函数关系，分析不同未平抑误差情况下对应的最小储能容量。依据电网功率偏差确定不同时段储能单元的最大储能容量，从而达到平抑波动、维持负荷平衡的目的。为确定不同时段的储能容量，确定了储能电源的最大理论需求容量。

如图1所示，为现有技术的功率因数调节电路，前端采用多只超级电容器串并联构成超级电容器组，在进行功率因数调节后的输出电压波形明显波动较缓，输出电流的波形改善显著，然而，改电路在风电预测性方面能力较差，功率输出小，对风电的利用率低。

如图2所示，为现有技术的功率平衡技术，采用混合级联H桥的方式，具有更好的输出电压波形，同时，能够做到高压单元工作在基波频率和输出平均功率相等，从而高压单元的功率平衡，但该技术响应速度较慢。

发明内容

（一）技术问题

1. 现有技术的风力发电装置，风电预测准确性差，风电利用率低。

2. 现有技术的风力转换装置，功率较低，容量较小，响应较慢。

（二）技术方案

针对上述技术问题，本申请提出大规模风电的电力系统储能电源优化设备，包括依次连接的储能电源充放电功率优化电路、功率平衡电路、电源优化电路。

储能电源充放电功率优化电路，通过平滑风电出力短期波动性的储能电源充放电功率运行优化方法，并建立了储能电源容量配置模型，信号通过电阻R4输入电路，经过MOS管Q1及MOS管Q6驱动输入电路，经过电阻R5输入MOS管Q5的栅极，经过电阻R8稳定Q5的输入信号，二极管D2、二极管D1保证信号流向，经过三极管Q2放大后通过集电极的电容C3输出至后级，通过电容C1和电阻R2滤除干扰信号，消除谐波电流，经过三极管Q3对信号进行放大，降低电路能量损耗，信号通过电阻R11和电容C5对功率因数进行校正，有效减小谐波电流对电网的干扰，并且通过电容C2后输出，保证向下一级输入稳定的信号，起到储能电源充放电功率优化的功能。

功率平衡电路，处理接入系统功率平衡的影响，结合风电接入系统的负荷特性及常规机组调节特性，以新型储能弥补风电预测误差带来的功率不平衡为目标的储能电源在含风电系统中的运行状态优化方法，利用储能装置弥补常规机组吸收后的风电预测误差。输入信号流经电位器R20输入至三极管Q11的基极，并且输入至三极管Q17的基极，抑制干扰电流对处理电路的影响，并且通过三极管Q14和三极管Q16后经过电阻R22、R2进行限流分压，通过电容C10和电阻R26进行耦合，通过二极管D3和二极管D4保证信号流向，输入三极管Q13和三极管Q15的基极，最后通过电容C9和电容C11后输出，电容C9、电容C11起到滤波作用，处理后的数据送到下一级电路，功率平衡后驱动优化电路。

电源优化电路，不同储能电源重合作用的耦合区域，对系统进行多元储能电源协调优化配置能够从全局上优化，信号流入自动检测电路后，通过电容C6耦合输入，经过MOS管Q9的栅极处理，电阻R6、电阻R14、电阻R18起到分压作用，同构电容C4和电阻R13输入至三极管Q7和三极管Q10的图腾柱，使得信号为稳定值，电流保持不变，通过电阻R9、电阻R16使得输出信号稳定，同时三极管对Q4、三极管Q12控制检测到的信号稳定，抑制电流谐波对检测过程的影响，通过电阻R12输出，将准确的测试结果返回给检测电路，保证了系统的可靠性，减小了测试信号对测量结果的影响。

（三）有益效果

本申请提出大规模风电的电力系统储能电源优化设备，首先能够降低风电预测的不准确性对系统运行的经济性和安全性影响，提高电力系统对风电的利用率。其次，能够满足大容量、大功率、快速响应、高效率能源转换和易维护等多方面要求。

附图说明

图1为现有技术的为现有技术的功率因数调节电路。

图2为现有技术的功率平衡技术电路图。

图3为本申请的储能电源充放电功率优化电路原理图。

图4为本申请的功率平衡电路原理图。

图5为本申请的电源优化电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

如图3、图4、图5所示，为本申请提出大规模风电的电力系统储能电源优化设备，包括依次连接的储能电源充放电功率优化电路、功率平衡电路、电源优化电路。

具体而言，所述储能电源充放电功率优化电路包括输入端口Input，3个MOS管Q1、Q5、Q6，2个二极管D1、D2，3个电阻R4、R5、R8，所述储能电源充放电功率优化电路中，输入端口Input与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与MOS管Q1的栅极、MOS管Q6的栅极、MOS管Q1的源端、MOS管Q6的漏端、二极管D2的负极、电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与二极管D2的正极、电阻R8的一端、MOS管Q5的栅极连接，电阻R8的另一端接地，MOS管Q1的漏电与高电平VCC连接，MOS管Q6的源端接地，MOS管Q5的源端接地。所述储能电源充放电功率优化电路中包括输出端口Va，MOS管Q5，2个三极管Q3、Q5，4个电容C1、C2、C3、C5，5个电阻R1、R10、R11、R2、R3，所述储能电源充放电功率优化电路中，MOS管Q5的漏端分别与三极管Q2的基极、二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与高电平VCC连接，三极管Q2的集电极分别与电阻R3的一端、电容C3的一端连接，电阻R3的另一端与高电平VCC连接，电容C3的另一端分别与三极管Q3的基极、电阻R2的一端、电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与电阻R2的另一端、三极管Q3的集电极、电容C2的一端、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与高电平VCC连接，电容C2的另一端与输出端口Va连接，电阻R10的一端与三极管Q5的发射极连接，另一端接地，电阻R11的另一端与三极管Q3的发射极连接，另一端接地，电容C5的另一端与三极管Q3的发射极连接，另一端接地。

具体而言，所述功率平衡电路包括输入端口Va，输出端口Vb，电位器R20，4个三极管Q11、Q16、Q14、Q17，5个电阻R21、R23、R22、R24、R26，电容C10，所述功率平衡电路中输入端口Va分别与电位器R20的一端、三极管Q17的基极连接，电位器R20的另一端与三极管Q11的基极连接，三极管Q11的集电极与高电平VCC连接，三极管Q11的发射极分别与电阻R23的一端、三极管Q14的基极连接，电阻R23的另一端接地，三极管Q14的集电极与高电平VCC连接，三极管Q14的发射极与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端分别与电阻R24的一端、电阻R26的一端、电容C10的一端、输出端口Vb连接，电阻R24的另一端与三极管Q16的发射极连接，电阻R26的另一端接地，电容C10的另一端与高电平VCC连接，三极管Q16的集电极接地，三极管Q17的集电极接地，电阻R12的一端与高电平VCC连接，另一端分别与三极管Q17的发射极、三极管Q16的基极连接。所述功率平衡电路包括输出端口Vb，2个二极管D3、D4，2个三极管Q13、Q15，2个电容C9、C11，所述功率平衡电路中三极管Q13的基极分别与电阻R17的一端、二极管D3的负极连接，电阻R17的另一端与高电平VCC连接，二极管D3的正极分别与电阻R25的一端、三极管Q13的集电极、三极管Q15的集电极、电容C9的负极、电容C11的正极、输出端口Vb连接，电阻R25的另一端分别与三极管Q15的基极、二极管D4的负极连接，二极管D4的正极接地，三极管Q13的发射极与高电平VCC连接，三极管Q15的发射极接地，电容C9的正极与高电平VCC连接，电容C11的负极接地。

具体而言，所述电源优化电路包括输出端口Vb，MOS管Q9，6个电阻R6、R7、R18、R19、R13、R14，3个电容C6、C8、C4，所述电源优化电路中输出端口Vb与电容C6的负极连接，电容C6的正极分别与MOS管Q9的栅极、电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端分别与电阻R6的一端、电阻R18的一端，电阻R18的另一端接地，电阻R6的另一端与高电平VCC连接，MOS管Q9的漏端分别与电阻R7的一端、电容C4的正极连接，电阻R7的另一端与高电平VCC连接，电容C4的负极与电阻R13的一端连接，MOS管Q9的漏端分别与电阻R19的一端、电容C8的正极连接，电阻R19的另一端接地，电容C8的负极接地。所述电源优化电路包括输出端口Output，4个三极管Q4、Q7、Q10、Q12，4个电阻R9、R12、R16、R13，，所述电源优化电路中电阻R13的另一端分别与三极管Q17的发射极、三极管Q10的发射极连接，三极管Q7的集电极分别与三极管Q4的基极、高电平VCC连接，三极管Q7的基极分别与三极管Q10的基极、电阻R9的一端、电阻R16的一端、电阻R12的一端、三极管Q4的集电极、三极管Q12的集电极连接，电阻R9的另一端与高电平VCC连接，电阻R16的另一端接地，三极管Q4的发射极与高电平VCC连接，三极管Q12的基极与三极管Q10的集电极连接，三极管Q12的发射极接地。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.大规模风电的电力系统储能电源优化设备，包括依次连接的储能电源充放电功率优化电路、功率平衡电路、电源优化电路，其特征在于：所述储能电源充放电功率优化电路包括输入端口Input，3个MOS管Q1、Q5、Q6，2个二极管D1、D2，3个电阻R4、R5、R8，所述储能电源充放电功率优化电路中，输入端口Input与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端分别与MOS管Q1的栅极、MOS管Q6的栅极、MOS管Q1的源端、MOS管Q6的漏端、二极管D2的负极、电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与二极管D2的正极、电阻R8的一端、MOS管Q5的栅极连接，电阻R8的另一端接地，MOS管Q1的漏端与高电平VCC连接，MOS管Q6的源端接地，MOS管Q5的源端接地，MOS管Q5的漏端与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与高电平VCC连接。

2.根据权要求1所述的大规模风电的电力系统储能电源优化设备，所述储能电源充放电功率优化电路中包括输出端口Va， 2个三极管Q3、Q2，4个电容C1、C2、C3、C5，5个电阻R1、R10、R11、R2、R3，所述储能电源充放电功率优化电路中，MOS管Q5的漏端分别与三极管Q2的基极、二极管D1的正极连接，二极管D1的负极与高电平VCC连接，三极管Q2的集电极分别与电阻R3的一端、电容C3的一端连接，电阻R3的另一端与高电平VCC连接，电容C3的另一端分别与三极管Q3的基极、电阻R2的一端、电容C1的一端连接，电容C1的另一端分别与电阻R2的另一端、三极管Q3的集电极、电容C2的一端、电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端与高电平VCC连接，电容C2的另一端与输出端口Va连接，电阻R10的一端与三极管Q2的发射极连接，另一端接地，电阻R11的另一端与三极管Q3的发射极连接，另一端接地，电容C5的另一端与三极管Q3的发射极连接，另一端接地。

3.根据权利要求2所述的大规模风电的电力系统储能电源优化设备，其特征在于：所述功率平衡电路包括输入端口Va，输出端口Vb，电位器R20，4个三极管Q11、Q16、Q14、Q17，5个电阻R21、R23、R22、R24、R26，电容C10，所述功率平衡电路中输入端口Va分别与电位器R20的一端、三极管Q17的基极连接，电位器R20的另一端与三极管Q11的基极连接，三极管Q11的集电极与高电平VCC连接，三极管Q11的发射极分别与电阻R23的一端、三极管Q14的基极连接，电阻R23的另一端接地，三极管Q14的集电极与高电平VCC连接，三极管Q14的发射极与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端分别与电阻R24的一端、电阻R26的一端、电容C10的一端、输出端口Vb连接，电阻R24的另一端与三极管Q16的发射极连接，电阻R26的另一端接地，电容C10的另一端与高电平VCC连接，三极管Q16的集电极接地，三极管Q17的集电极接地，电阻R21的一端与高电平VCC连接，另一端分别与三极管Q17的发射极、三极管Q16的基极连接。

4.根据权利要求3所述的大规模风电的电力系统储能电源优化设备，其特征在于：所述功率平衡电路包括输出端口Vb，2个二极管D3、D4，2个三极管Q13、Q15，2个电容C9、C11，2个电阻R17、R25，所述功率平衡电路中三极管Q13的基极分别与电阻R17的一端、二极管D3的负极连接，电阻R17的另一端与高电平VCC连接，二极管D3的正极分别与电阻R25的一端、三极管Q13的集电极、三极管Q15的集电极、电容C9的负极、电容C11的正极、输出端口Vb连接，电阻R25的另一端分别与三极管Q15的基极、二极管D4的负极连接，二极管D4的正极接地，三极管Q13的发射极与高电平VCC连接，三极管Q15的发射极接地，电容C9的正极与高电平VCC连接，电容C11的负极接地。

5.根据权利要求4所述的大规模风电的电力系统储能电源优化设备，其特征在于：所述电源优化电路包括输出端口Vb，MOS管Q9，6个电阻R6、R7、R18、R19、R13、R14，3个电容C6、C8、C4，所述电源优化电路中输出端口Vb与电容C6的负极连接，电容C6的正极分别与MOS管Q9的栅极、电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端分别与电阻R6的一端、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端接地，电阻R6的另一端与高电平VCC连接，MOS管Q9的漏端分别与电阻R7的一端、电容C4的正极连接，电阻R7的另一端与高电平VCC连接，电容C4的负极与电阻R13的一端连接，MOS管Q9的源端分别与电阻R19的一端、电容C8的正极连接，电阻R19的另一端接地，电容C8的负极接地。