CN114498672A - 考虑混合储能的风储调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了考虑混合储能的风储调频控制方法，具体包括如下步骤：对双馈风力发电机DFIG以及包含超级电容与蓄电池的混合储能系统HESS进行建模；分析双馈风力发电机与混合储能系统模型的调频方法；针对双馈风力发电机与混合储能系统的调频特性提出了全风速下风储联合的调频控制策略。本发明为双馈风力发电机参与电力系统调频提供参考。

Description

考虑混合储能的风储调频控制方法

技术领域

本发明属于新能源与储能领域，涉及考虑混合储能的风储调频控制方法。

背景技术

在可持续发展的能源战略下，风能作为可再生清洁能源得到大力发展。全球风电总装机容量不断增大，大量的双馈风力发电机组并入电网，意味着未来电力系统中原有的部分常规发电机退出运行，系统频率的调节能力受到影响。如何提高风电系统自身的调频能力，使其像常规发电机一样能够为电网提供调频辅助成为研究的热点。

风电具有波动性、间歇性等特性，导致其并网后电力系统调频负担增大。储能技术能够有效缓冲大规模风电并网对电网的冲击，为风力发电提供能量供给或备用，储能技术具有功率四象限调节能力，可快速吸收或发出功率使得风电储能系统总输出功率维持在一个相对稳定的范围内，提高风电并网稳定性。因此研究储能系统与双馈风力发电机组参与电力系统调频的协调控制策略，是大规模风电并网形势下调频研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供考虑混合储能的风储调频控制方法，解决了现有技术中存在的对于风电场参与电力系统频率调节的能力不足的问题。

考虑混合储能的风储调频控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，对双馈风力发电机DFIG以及包含超级电容与蓄电池的混合储能系统HESS进行建模，得到双馈风力发电机模型和混合储能系统模型；

步骤2，对步骤1中双馈风力发电机模型和混合储能系统模型的基础上，分析双馈风力发电机与混合储能系统模型的调频方法；

步骤3，针对步骤2中双馈风力发电机与混合储能系统的调频特性提出了全风速下风储联合的调频控制策略。

本发明的特点还在于，

步骤1中混合储能系统中蓄电池的模型为一个可控电压源和电阻串联而成，其等效方程为：

放电时(i_batt>0)：

充电时(i_batt<0)：

电池端电压：

V_batt＝E_batt-R_bi_batt (3)

荷电状态：

式中，E_batt表示空载电压；K为极化常数；Q为电池容量；i_batt为电池电流；A为指数区幅度；B为指数区时间常数倒数；Vbatt为电池端电压；Rb为电池内阻。

步骤2中双馈机组的调频方法主要为虚拟惯性控制和桨距角控制。其中虚拟惯性控制中电流参考量i_d ^*和额外有功参考P_f为：

式中，e_d、e_q分别为并网侧电压d轴和q轴分量；k_df、k_pf分别为微分控制系数和比例控制系数；P_f、Q_f分别为储能系统输出或吸收的有功功率和无功功率；Δf为系统频率变化偏差。

其中桨距角控制中桨距角与频率之间的关系为：

Δβ＝k_fΔf (7)

式中，k_f为桨距角控制的比例系数；

步骤2混合储能系统采用下垂特性控制，得到有功功率值为：

式中，P_n为系统额定功率；f、f_n分别为系统频率和额定频率；m为下垂系数。

步骤3中不同的风速变化和频率偏差的情况下，双馈风力发电机与混合储能系统参与调频的状态应是不一样的，考虑了高、中、低三种风速下的调频策略。

当风速大于12m/s，判断频率偏差为正负，若频率偏差为负，双馈风力发电机采用虚拟惯性控制与桨距角控制相结合的组合控制参与调频，虚拟惯性控制采用有功功率控制频率的变化，桨距角控制通过改变桨距角的大小来影响频率；储能系统根据SoC状态(0.2<SoC<0.8)，优先超级电容调频，能较快地恢复转子转速，风速越大，频率越高，双馈风力发电机就采用混合储能调频控制，即超级电容和蓄电池利用其下垂特性通过改变有功功率来改变频率，以同时参与系统调频；当频率偏移为正时，双馈风力发电机退出调频，仅由混合储能进行调频控制，即超级电容和蓄电池同时参与系统调频；

双馈风力发电机在中风速为7m/s～12m/s时，采用虚拟惯性控制，若0.2<SoC<0.8，则超级电容与蓄电池都参与系统调频。储能系统以超级电容优先作为调频响应设备，如果超级电容SoC状态不适合参与调频，则双馈风力发电机采用虚拟惯性控制，储能系统以蓄电池作为调频装置；

当风速小于7m/s时，判断频率偏差正负，若频率偏差为负，则判断超级电容与蓄电池之间的SoC状态，若0.2<SoC<0.8，则超级电容与蓄电池都参与系统调频；在较低风速下，转子转速仍可提高转速，以吸收能量，双馈风力发电机可参与频率上升时的调频控制，此时可采用风储联合调频控制，其中，根据超级电容与蓄电池的SoC状态优先采用超级电容参与调频。

本发明的有益效果是，由于风力发电机和混合储能系统的调频特性，采用虚拟惯量控制调频可以使双馈风力发电机具有惯性响应特性，同时转子转速的恢复减慢了频率恢复和稳定的速度，而储能参与调频可快速响应频率变化；然后分析了双馈风力发电机在不同风速下的调频特性，并分析了双馈风力发电机在不同风速下调频时的调频能力，以及在不同风速下的调频技术。

附图说明

图1是本发明集中式混合储能风电储能系统结构示意图；

图2是本发明双馈风力发电机模型等效电路；

图3是本发明混合储能系统中超级电容通用等效模型；

图4是本发明混合储能系统中蓄电池通用等效模型；

图5是本发明虚拟惯性控制环节设计图；

图6是本发明桨距角控制环节设计图；

图7是本发明下垂控制环节设计图；

图8是本发明风储调频控制策略图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明考虑混合储能的风储调频控制方法，具体包括如下步骤：

图1是本发明集中式混合储能风电储能系统结构示意图，是将储能装置与双馈型风力发电系统的直流母线相连的系统；

步骤1，对双馈风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)以及包含超级电容与蓄电池的混合储能系统(HyRbid Energy Storage System，HESS)进行建模；

双馈型风力发电机(DFIG)是在同步电机和异步电机的基础上发展起来的，不同之处在于双馈电机转子的励磁绕组上有电刷和滑环。双馈电机的定子侧直接与交流电网相连接，转子侧通过背靠背整流器和逆变器与电网连接，其结构示意图如图2所示。由于在电机正常运行时，其定、转子都参与励磁，因此被称为“双馈”电机。

混合储能系统中超级电容的模型为经典等效模型(如图3)，为理想电容C，等效串联电阻Rsc，以及等效并联内阻Rp组成。

其中混合储能系统中蓄电池的模型为一个可控电压源和电阻串联而成(如图4)，其等效方程为：

放电时(i_batt>0)：

充电时(i_batt<0)：

电池端电压：

V_batt＝E_batt-R_bi_batt (3)

荷电状态：

式中，E_batt表示空载电压；K为极化常数；Q为电池容量；i_batt为电池电流；A为指数区幅度；B为指数区时间常数倒数；V_batt为电池端电压；R_b为电池内阻。

步骤2，对步骤1中双馈风力发电机模型和混合储能系统模型的基础上，分析双馈风力发电机与混合储能系统模型的调频方法；

双馈机组的调频方法主要为虚拟惯性控制和桨距角控制。其中虚拟惯性控制(如图5)得到电流参考量i_d ^*和额外有功参考P_f为：

式中，e_d、e_q分别为并网侧电压d轴和q轴分量；k_df、k_pf分别为微分控制系数和比例控制系数；P_f、Q_f分别为储能系统输出或吸收的有功功率和无功功率；Δf为系统频率变化偏差。

其中桨距角控制(如图6)中距角与频率之间的关系为：

Δβ＝k_fΔf (7)

式中，k_f为桨距角控制的比例系数；

其中混合储能系统采用下垂特性(如图7)，得到有功功率值为：

式中，P_n为系统额定功率；f、f_n分别为系统频率和额定频率；m为下垂系数。

步骤3，针对步骤2中双馈风力发电机与混合储能系统的调频特性提出了全风速下风储联合的调频控制策略。

当风速和频率偏差不同时，双馈风力发电机与混合储能系统参与调频时的状态应该是不同的，可以根据风速条件和频率变化情况，制定相应的调频策略：

风储联合调频策略如图8所示。系统检测频率值是否需要调频，如需调频，判断风速状态。当风速大于12m/s，判断频率偏差为正负，若频率偏差为负，双馈风力发电机采用虚拟惯性控制与桨距角控制相结合的组合控制参与调频，虚拟惯性控制采用有功功率控制频率的变化，桨距角控制通过改变桨距角的大小来影响频率；储能系统根据SoC状态(0.2<SoC<0.8)，优先超级电容调频，能较快地恢复转子转速，风速越大，频率越高，双馈风力发电机就采用混合储能调频控制，即超级电容和蓄电池利用其下垂特性通过改变有功功率来改变频率，以同时参与系统调频；当频率偏移为正时，双馈风力发电机退出调频，仅由混合储能进行调频控制，即超级电容和蓄电池同时参与系统调频；

双馈风力发电机在中风速为7m/s～12m/s时，采用虚拟惯性控制，若0.2<SoC<0.8，则超级电容与蓄电池都参与系统调频。储能系统以超级电容优先作为调频响应设备，如果超级电容SoC状态不适合参与调频，则双馈风力发电机采用虚拟惯性控制，储能系统以蓄电池作为调频装置；

当风速小于7m/s时，判断频率偏差正负，若频率偏差为负，则判断超级电容与蓄电池之间的SoC状态，若0.2<SoC<0.8，则超级电容与蓄电池都参与系统调频；在较低风速下，转子转速仍可提高转速，以吸收能量，双馈风力发电机可参与频率上升时的调频控制，此时可采用风储联合调频控制，其中，根据超级电容与蓄电池的SoC状态优先采用超级电容参与调频。

本发明考虑混合储能的风储调频控制方法原理为：以图1集中式混合储能风电储能系统结构示意图为例说明。

双馈风力发电机在不同风速运行下，转子转速不同，所具备的调频能力也不同。利用虚拟惯性控制调频可使双馈风力发电机具有惯性响应特性，同时转子转速的恢复也减慢了频率恢复稳定的速度，而混合储能参与调频可快速响应频率变化储能系统中超级电容与蓄电池参与调频需考虑两者的特点，超级电容与蓄电池分别为功率型与能量型，参与调频时需考虑两者的参与状态。

混合储能系统是由PWM变换器接入交流系统后，通过模拟传统发电机的频率特性，改变储能装置的有功参考值，从而实现对频率的调节，同时由于电压特性，储能装置在调频过程中的无功功率会发生相应的变化。当调频时，系统频率的偏移程度是指对一段时间内的系统频率的偏移，也就是对这段时间的一次调整。在对系统进行调频的过程中，储能单元在经过电压下降控制后，所获得的有功功率为，(设定放电时功率为负，充电功率为正)，通过电流指令的换算，转换为电压控制变量，实现有功功率的调节。这种调频过程最终是根据蓄能单元的控制系统产生的电压控制信号来控制PWM变换器的开关通断，所以调频过程非常迅速。但是由于电池不适合频繁充放电，且价格昂贵，以及超级电容的充放电速度较快，不宜长期充放电，因此储能系统的频率调节特性只能迅速提供临时的调频功率，在频率恢复到额定值时，储能系统的输出功率应为0。

Claims (5)

1.考虑混合储能的风储调频控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1，对双馈风力发电机DFIG以及包含超级电容与蓄电池的混合储能系统HESS进行建模，得到双馈风力发电机模型和混合储能系统模型；

步骤2，在步骤1中双馈风力发电机模型和混合储能系统模型的基础上，分析双馈风力发电机与混合储能系统模型的调频方法；

步骤3，针对步骤2中双馈风力发电机与混合储能系统的调频特性提出全风速下风储联合的调频控制策略。

2.根据权利要求1所述的考虑混合储能的风储调频控制方法，其特征在于，步骤1中混合储能系统中蓄电池的模型为一个可控电压源和电阻串联而成，其等效方程为：

放电时i_batt>0：

充电时i_batt<0：

电池端电压：

V_batt＝E_batt-R_bi_batt (3)

荷电状态：

式中，E_batt表示空载电压；K为极化常数；Q为电池容量；i_batt为电池电流；A为指数区幅度；B为指数区时间常数倒数；V_batt为电池端电压；R_b为电池内阻。

3.根据权利要求2所述的考虑混合储能的风储调频控制方法，其特征在于，步骤2中双馈发电机的调频方法采用虚拟惯性控制和桨距角控制，其中虚拟惯性控制得到电流参考量i_d ^*和额外有功参考P_f为：

式中，e_d、e_q分别为并网侧电压d轴和q轴分量；k_df、k_pf分别为微分控制系数和比例控制系数；P_f、Q_f分别为储能系统输出或吸收的有功功率和无功功率；Δf为系统频率变化偏差；

其中桨距角控制中距角与频率之间的关系为：

Δβ＝k_fΔf (7)

式中，k_f为桨距角控制的比例系数。

4.根据权利要求3所述的考虑混合储能的风储调频控制方法，其特征在于，步骤2所述混合储能系统采用下垂特性控制，得到有功功率值为：

式中，P_n为系统额定功率；f、f_n分别为系统频率和额定频率；m为下垂系数。

5.根据权利要求4所述的考虑混合储能的风储调频控制方法，其特征在于，步骤3中，不同的风速变化和频率偏差的情况下，双馈风力发电机与混合储能系统参与调频的状态是不一样的，考虑了高、中、低三种风速下的调频策略：

当风速大于12m/s，判断频率偏差为正负，若频率偏差为负，双馈风力发电机采用虚拟惯性控制与桨距角控制相结合的组合控制参与调频，虚拟惯性控制采用有功功率控制频率的变化，桨距角控制通过改变桨距角的大小来影响频率；储能系统根据SoC状态，0.2<SoC<0.8，优先超级电容调频，即超级电容和蓄电池利用其下垂特性通过改变有功功率来改变频率，以同时参与系统调频；当频率偏移为正时，双馈风力发电机退出调频，仅由混合储能进行调频控制，即超级电容和蓄电池同时参与系统调频；

双馈风力发电机在风速为7m/s～12m/s时，采用虚拟惯性控制，若0.2<SoC<0.8，则超级电容与蓄电池都参与系统调频。储能系统以超级电容优先作为调频响应设备，如果超级电容SoC状态不适合参与调频，则双馈风力发电机采用虚拟惯性控制，储能系统以蓄电池作为调频装置；

当风速小于7m/s时，判断频率偏差正负，若频率偏差为负，则判断超级电容与蓄电池之间的SoC状态，若0.2<SoC<0.8，则超级电容与蓄电池都参与系统调频；在较低风速下，转子转速仍可提高转速，以吸收能量，双馈风力发电机可参与频率上升时的调频控制，此时可采用风储联合调频控制，其中，根据超级电容与蓄电池的SoC状态优先采用超级电容参与调频。

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