CN114583731A - 基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略 - Google Patents

基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，包括以下步骤：在双馈风力发电机组直流母线上并联双钛酸锂电池储能装置，通过基于储能装置的控制系统使得双钛酸锂电池储能装置对外表现出频率响应特性，电力系统所需的惯量支撑、一次调频和平滑功率作用均通过双钛酸锂电池储能装置实现。本发明分析了风电功率波动规律及不同储能的功率范围以及充放电时间尺度，提出了基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其中功率平滑控制和频率调节均由钛酸锂电池控制实现，无需修改或增加风电机组额外附加控制。

Description

基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更具体涉及一种基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略。
背景技术
双馈感应风力发电机组(DFIG)装机容量约占90％的市场份额，是当今的主流机型。随着风电大规模接入电网，风电功率秒级波动将使电力系统面临严峻的频率稳定问题，并且DFIG机组采用最大功率跟踪运行方式，机组的转速与电网频率无关，即机组的出力不响应电网频率的波动。
一方面针对风能随机变化导致风力发电机组输出功率波动而危及电网安全问题，目前主要有以下方法来对风电输出功率进行平滑。有提出一种用于平滑风电场输出功率的超导磁储能系统(SMES)的新型自适应控制方案，但放电时间很短，成本较高。也有将传统的PID控制方法应用于氢氧双钛酸锂电池储能装置调节风速突变时电网侧所产生的功率和电压波动，但由于燃料电池系统使用寿命较短，设备损耗较大，并且配置受到限制，导致不能广泛运用。也有在传统的飞轮储能矢量控制基础上，加入改进PR控制器来平滑功率波动，但飞轮的转速限制导致其储能容量受限，成本相对较高。另外，许多学者也提出了无双钛酸锂电池储能装置的功率平滑策略，也有学者提出基于PMSG的直流母线电压和桨距角的协调控制策略，此外在直流环节加入斩波控制电路使得在风力发电系统故障期间仍然实现系统的输出功率稳定。但相比传统的最大功率跟踪法，这些方法会降低输出功率，桨距角控制会增加风力涡轮机叶片压力，加重磨损，直流母线电压控制会对直流母线电容产生压力，可能会缩短电容器的使用寿命。
另一方面为了提高风力发电系统的惯量支撑和频率响应能力，最早提出通过在机侧变流器控制中附加扭矩响应环节来提供惯性响应，以此来增加频率响应能力；也有提出了可以将分别与附加频率变化率(df/dt)和频率偏差(Δf)成正比的附加有功参考值引入最大功率跟踪，使得风机可以参与频率调节，并指出大型发电厂发电机典型惯性常数在2-9s范围内，风力涡轮机的典型值大致相似约2-6s，因此，当风力发电系统模拟惯量控制时，机组惯性动能仅能为系统提供大约10s的支持，当转子动能释放完后需要再次存储或释放能量，才能具有惯量支撑。并且转子动能一旦完全释放，电网频率没有得到及时恢复，可能引起系统频率的二次震荡，从而恶化系统频率和电压的调节。有人提出通过桨距角控制来预留适当的旋转备用容量，当系统频率变化时，通过桨距角调节来相应改变机组出力，参与系统调频，然而，桨距角调整速度比较慢，降低了正常工况下的风能利用率，风机机械部件的频繁动作则增加了维修风险和维护成本，且考虑到实际运行中，为使得变桨控制系统安全、可靠及延长寿命，一般桨距角固定、不调。也有人提出了超速减载运行控制的方法，调整了最大功率跟踪曲线，使得风机运行在次优功率曲线上，以此来获得一定备用容量，通过有功/频率下垂控制特性，实时响应系统一次调频，但超速控制在频率升高扰动下，转速在超速点的基础上增大，易达到限值，降低风能利用率的同时也减小了功率的实际可调节深度，在必要时还需启用桨距角调节来进一步减小输出功率，不利于变桨控制系统安全、可靠的运行。也有在上述两种常规方法的基础上提出超速与变桨结合的协调控制方案，虽然在一定程度上改善风电机组整体性能和一次调频特性，但以上方法均未考虑到DFIG自身发电效益，降低风能利用率，故如何配置风电机组的调节机制来缓解发电效益和系统稳定性之间的关系是目前亟待解决的问题。
双钛酸锂电池储能装置已广泛应用于风电场，有的分析了具有快速响应的储能技术对高渗透率情况下的风电场频率响应的应用场景，也有提出了一种在储能技术的依托下对风电场的虚拟惯量进行补偿的策略，它们论述了风电场集中储能承担一次调频的方案。但是，风电机组本身不具备自主运行参与系统调频的能力，终究是不完善的，应用的范围也将受到外部条件限制。有人分别探索了在双馈感应发电机背靠背功率变流器的直流母线并联配置电池储能和超级电容器组储能单元，平抑风速变化，平滑功率输出；也有人探索了在直流母线上并联配置超导储能单元，改善双馈感应发电机组应对低压事件的动态性能；综上所述，针对双钛酸锂电池储能装置参与风电场频率调节研究中，仅存在风电场集中式储能方案，尚未见到双馈感应发电机组内部集成配置储能综合用于频率调节和平滑功率的研究文献。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，以解决背景技术中的问题，功率平滑控制和频率调节均由钛酸锂电池控制实现，无需修改或增加风电机组额外附加控制。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，包括以下步骤：在双馈风力发电机组直流母线上并联双钛酸锂电池储能装置，通过基于储能装置的控制系统使得双钛酸锂电池储能装置对外表现出频率响应特性，电力系统所需的惯量支撑、一次调频和平滑功率作用均通过双钛酸锂电池储能装置实现。
进一步优化技术方案，通过基于储能装置的控制系统使得双钛酸锂电池储能装置对外表现出频率响应特性，增大整个电力系统的惯量，使得电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率的变化速度变慢；一方面双钛酸锂电池储能装置用于抑制风电功率波动；而另一方面当电网频率越限时，控制系统使双钛酸锂电池储能装置响应电网频率的变化，参与系统一次调频过程，维持系统频率稳定。
进一步优化技术方案，电力系统所需的惯量支撑、一次调频和平滑功率作用通过双钛酸锂电池储能装置进行实现的步骤如下：风电机组在正常运行工况下，转子侧变流器采用最大功率跟踪控制，得到参考功率Pw，当检测到系统频率fs高于或低于额定频率fN，通过计算频率偏差值，经过下垂控制得到一次频率的调节的功率值ΔP1，另一方面得到频率偏差变化率，根据虚拟惯性控制得到惯量支撑的功率值ΔP2，同时，根据风电机组实际的输出功率和平滑目标值下的功率做差得到功率平滑值ΔP3，控制偏差量附加在转子变流器控制上，实现风电机组的虚拟惯量、一次调频和功率平滑作用。
进一步优化技术方案，还包括以下步骤：针对锂电池寿命衰减程度评价方法，确定钛酸锂电池在寿命周期内吞吐电量所对应的最佳运行充放电循环深度，并制定出双钛酸锂电池运行在最佳充放电深度内的运行控制策略。
进一步优化技术方案，假定双钛酸锂电池的初始状态为A电池充电、B电池放电，A、B电池单元初始状态量分别为
Figure BDA0003485258740000041
阶段2和阶段3最佳临界转换状态1为：
Figure BDA0003485258740000042
阶段1和阶段4的最佳临界转换状态2为：
Figure BDA0003485258740000043
根据状态变量约束情况分为4个阶段，相应的运行控制策略如下：
阶段1：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000044
当电池储能参考功率为正时，实行AcBn模式，当参考功率为负时，实行AnBd模式；
阶段2：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000045
或
Figure BDA0003485258740000046
当电池储能参考功率为正时，实行AnBc模式，当参考功率为负时，实行AdBn模式；
阶段3：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000047
当电池储能参考功率为正时，实行AnBc模式，当参考功率为负时，实行AdBn模式；
阶段4：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000048
或
Figure BDA0003485258740000049
当电池储能参考功率为正时，实行AcBn模式，当参考功率为负时，实行AnBd模式；
其中，AcBn为A单元处于充电、B单元不工作状态，AnBd为A单元不工作、B单元放电状态，AnBc为A单元不工作、B单元充电状态，AdBn为A单元处于放电、B单元不工作状态；ΔSoc_opt为钛酸锂电池运行在最佳工作状态，S_ocA为双锂电池A单元的荷电状态，S_ocB为双锂电池B单元的荷电状态。
进一步优化技术方案，还包括以下步骤：结合不同时间尺度下风电功率出力波动特性分析，得到相应时间尺度下风电功率波动出力变化率分布的最大概率和最大波动量，根据概率密度确定系统功率平滑目标，进而计算得到双钛酸锂电池储能装置的额定容量。
进一步优化技术方案，随着时间尺度的增大，风电功率的相对可变性呈现上升趋势，风电功率波动变化率满足正态分布曲线。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明分析了风电功率波动规律及不同储能的功率范围以及充放电时间尺度，提出了基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其中功率平滑控制和频率调节均由钛酸锂电池控制实现，无需修改或增加风电机组额外附加控制，实现对风电机组的升级改造。
本发明研究了基于钛酸锂电池在寿命周期内吞吐最大电量对应的最佳运行充放电循环深度，设计了双钛酸锂电池运行在最佳充放电深度内的运行控制策略。基于短中时间尺度下的风电功率波动特性，对储能系统进行了优化配置，为双馈风电机组改造升级平滑功率与调频等多功能作用提供了新思路和新应用。
附图说明
图1为本发明双馈风力发电机综合调控控制框图；
图2为本发明双钛酸锂电池储能单元循环充放电过程示意图
图3为本发明不同时间尺度下双馈风电机组出力变化率；
图4为本发明储能装置充放电功率及容量累计概率。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，结合图1至图4所示，包括以下步骤：在双馈风力发电机组直流母线上并联双钛酸锂电池储能装置，基于储能装置的控制系统主要由虚拟惯量控制、频率响应控制和功率平滑3个模块组成。
虚拟惯量控制模块以电网频率作为输入信号，通过基于储能装置的控制系统使得双钛酸锂电池储能装置对外表现出类似于同步发电机惯量的频率响应特性，从而增大整个电力系统的惯量，使得电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率的变化速度变慢，有利于电网频率稳定。
并且通过基于储能装置的控制系统可同时进行功率平滑控制和频率响应控制，一方面双钛酸锂电池储能装置可用于抑制风电功率波动；而另一方面当电网频率越限时，控制系统使双钛酸锂电池储能装置响应电网频率的变化，参与系统一次调频过程，维持系统频率稳定。
电力系统所需的惯量支撑、一次调频和平滑功率作用均通过双钛酸锂电池储能装置实现，无需修改或增加原始风电机组控制结构，实现对风电机组的升级改造。具体步骤如下：风电机组在正常运行工况下，转子侧变流器采用最大功率跟踪控制(MPPT)，得到参考功率Pw，当检测到系统频率fs高于或低于额定频率fN，通过计算频率偏差值，经过下垂控制得到一次频率的调节的功率值ΔP1，另一方面得到频率偏差变化率，根据虚拟惯性控制得到惯量支撑的功率值ΔP2，同时，根据风电机组实际的输出功率和平滑目标值下的功率做差得到功率平滑值ΔP3，以上控制偏差量附加在转子变流器控制上，实现风电机组的虚拟惯量、一次调频和功率平滑作用。其中，fs是检测的系统频率，fN是系统额定频率，Pref是目标功率平滑值。
图2为双钛酸锂电池储能单元循环充放电过程示意图，为使钛酸锂电池运行在最佳工作状态ΔSoc_opt，故本发明提出采用协调控制双钛酸锂电池充放电策略。确定钛酸锂电池在寿命周期内吞吐电量所对应的最佳运行充放电循环深度，并制定出双钛酸锂电池运行在最佳充放电深度内的运行控制策略，提高了电池的使用寿命和经济效益。
由于双锂电池A、B单元的荷电状态S_ocA和S_ocB可完整表示该储能装置协调运行的整个充放电过程，因此将其作为钛酸锂电池的状态变量。假定双钛酸锂电池的初始状态为A电池充电、B电池放电，考虑到电池使用寿命等问题，A、B电池单元初始状态量分别为
Figure BDA0003485258740000071
阶段2和阶段3最佳临界转换状态1为：
Figure BDA0003485258740000072
阶段1和阶段4的最佳临界转换状态2为：
Figure BDA0003485258740000073
根据状态变量约束情况分为4个阶段，相应的运行控制策略如下：
阶段1：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000074
当电池储能参考功率为正时，实行AcBn模式，当参考功率为负时，实行AnBd模式。
阶段2：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000075
或
Figure BDA0003485258740000076
当电池储能参考功率为正时，实行AnBc模式，当参考功率为负时，实行AdBn模式。
阶段3：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000077
当电池储能参考功率为正时，实行AnBc模式，当参考功率为负时，实行AdBn模式。
阶段4：状态变量约束为
Figure BDA0003485258740000078
或
Figure BDA0003485258740000079
当电池储能参考功率为正时，实行AcBn模式，当参考功率为负时，实行AnBd模式。
其中，AcBn为A单元处于充电、B单元不工作状态，AnBd为A单元不工作、B单元放电状态，AnBc为A单元不工作、B单元充电状态，AdBn为A单元处于放电、B单元不工作状态；ΔSoc_opt为钛酸锂电池运行在最佳工作状态，S_ocA为双锂电池A单元的荷电状态，S_ocB为双锂电池B单元的荷电状态。
阶段1和阶段3由双钛酸锂电池A或B单元单独执行充电与放电任务。阶段2和阶段4是双钛酸锂电池执行充放电任务的临界转换阶段，由于在实际情况下A、B单元很难同时达到最佳工作状态，故仅单个电池储能单元达到最佳运行工作状态即切换运行。
本发明还包括以下步骤：结合不同时间尺度下风电功率出力波动特性分析，得到相应时间尺度下风电功率波动出力变化率分布的最大概率和最大波动量，根据概率密度确定系统功率平滑目标，进而计算得到双钛酸锂电池储能装置的额定容量。
图3为不同时间尺度下双馈风电机组出力变化率，根据数据显示，双馈风力发电机组出力变化率集中于0值附近，主要分布在装机容量的20％内，向两侧风电出力变化率增大方向概率减小。风电出力波动变化率规律满足正态分布曲线。在短时间尺度内，秒级和分钟级风电功率的变化量较小。随着时间尺度的增加，风电出力波动呈现一定上升趋势增加，并且风电出力变化率分布不集中。以上结果分析表明，随着时间尺度的增大，风电功率的相对可变性呈现上升趋势，风电功率波动变化率，满足正态分布曲线。根据不同时间尺度下双馈风电机组出力变化，通过采取该时间尺度下n点求取功率平滑目标值Pref(t)为Pref(t)＝1/n[Pwind(t-1)+Pwind(t-2)+Pwind(t-3)…+Pwind(t-(n-1))+Pwind(t-n)]t≥n+1，其中Pwind(t-1)、Pwind(t-2)…分别为不同采样点的功率值，最佳时间尺度下的平均功率波动值ΔP为下式：ΔP(t)＝Pwind(t)-Pave(t)，根据平均功率波动值得到对应的风电机组输出功率波动量ΔP(t),通过实际风电机组输出功率P(t)与功率波动量ΔP(t)做差或求和得到风力发电机组输出参考功率Pref(t)。
图4为储能装置充放电功率及容量累计概率。由上述储能平抑风电出力控制策略，得出时间尺度为1min下单台风电机组储能充放电功率及容量的累计概率图，本发明将累计概率为1时，定为储能装置额定功率。通过对图4储能充放电功率概率统计确定储能额定功率，可知储能平抑单台风电机组(装机容量为1.5MW)出力在时间尺度为1min下的额定功率为0.375MW；其储能额定容量为6.25kWh。一次调频储能所需容量为1.25kWh，故储能额定总容量为7.5kWh。

Claims (7)

1.基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，包括以下步骤：在双馈风力发电机组直流母线上并联双钛酸锂电池储能装置，通过基于储能装置的控制系统使得双钛酸锂电池储能装置对外表现出频率响应特性，电力系统所需的惯量支撑、一次调频和平滑功率作用均通过双钛酸锂电池储能装置实现。
2.根据权利要求1所述的基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，通过基于储能装置的控制系统使得双钛酸锂电池储能装置对外表现出频率响应特性，增大整个电力系统的惯量，使得电力系统在负荷波动引起频率变化时，频率的变化速度变慢；一方面双钛酸锂电池储能装置用于抑制风电功率波动；而另一方面当电网频率越限时，控制系统使双钛酸锂电池储能装置响应电网频率的变化，参与系统一次调频过程，维持系统频率稳定。
3.根据权利要求2所述的基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，电力系统所需的惯量支撑、一次调频和平滑功率作用通过双钛酸锂电池储能装置进行实现的步骤如下：风电机组在正常运行工况下，转子侧变流器采用最大功率跟踪控制，得到参考功率Pw，当检测到系统频率fs高于或低于额定频率fN，通过计算频率偏差值，经过下垂控制得到一次频率的调节的功率值ΔP1，另一方面得到频率偏差变化率，根据虚拟惯性控制得到惯量支撑的功率值ΔP2，同时，根据风电机组实际的输出功率和平滑目标值下的功率做差得到功率平滑值ΔP3，控制偏差量附加在转子变流器控制上，实现风电机组的虚拟惯量、一次调频和功率平滑作用。
4.根据权利要求1所述的基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，还包括以下步骤：针对锂电池寿命衰减程度评价方法，确定钛酸锂电池在寿命周期内吞吐电量所对应的最佳运行充放电循环深度，并制定出双钛酸锂电池运行在最佳充放电深度内的运行控制策略。
5.根据权利要求4所述的基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，假定双钛酸锂电池的初始状态为A电池充电、B电池放电，A、B电池单元初始状态量分别为
Figure FDA0003485258730000021
阶段2和阶段3最佳临界转换状态1为：
Figure FDA0003485258730000022
阶段1和阶段4的最佳临界转换状态2为：
Figure FDA0003485258730000023
根据状态变量约束情况分为4个阶段，相应的运行控制策略如下：
阶段1：状态变量约束为
Figure FDA0003485258730000024
当电池储能参考功率为正时，实行AcBn模式，当参考功率为负时，实行AnBd模式；
阶段2：状态变量约束为
Figure FDA0003485258730000025
或
Figure FDA0003485258730000026
当电池储能参考功率为正时，实行AnBc模式，当参考功率为负时，实行AdBn模式；
阶段3：状态变量约束为
Figure FDA0003485258730000027
当电池储能参考功率为正时，实行AnBc模式，当参考功率为负时，实行AdBn模式；
阶段4：状态变量约束为
Figure FDA0003485258730000028
或
Figure FDA0003485258730000029
当电池储能参考功率为正时，实行AcBn模式，当参考功率为负时，实行AnBd模式；
其中，AcBn为A单元处于充电、B单元不工作状态，AnBd为A单元不工作、B单元放电状态，AnBc为A单元不工作、B单元充电状态，AdBn为A单元处于放电、B单元不工作状态；ΔSoc_opt为钛酸锂电池运行在最佳工作状态，S_ocA为双锂电池A单元的荷电状态，S_ocB为双锂电池B单元的荷电状态。
6.根据权利要求1所述的基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，还包括以下步骤：结合不同时间尺度下风电功率出力波动特性分析，得到相应时间尺度下风电功率波动出力变化率分布的最大概率和最大波动量，根据概率密度确定系统功率平滑目标，进而计算得到双钛酸锂电池储能装置的额定容量。
7.根据权利要求6所述的基于双钛酸锂电池储能控制的风电功率综合调控策略，其特征在于，随着时间尺度的增大，风电功率的相对可变性呈现上升趋势，风电功率波动变化率满足正态分布曲线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117039940A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 湖北工业大学 一种风氢火协同多目标优化负荷频率控制方法及装置

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