一種平抑風(fēng)電功率波動的混合儲能控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種平抑風(fēng)電功率波動的混合儲能控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，其功率波動對電網(wǎng)的沖擊越來越突出。而儲能系統(tǒng)具有的 短時快速吸收和釋放能量的特點，能夠有效彌補風(fēng)電輸出功率間歇性、波動性的缺點，因此 在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中配置儲能系統(tǒng)已經(jīng)成為平抑風(fēng)電輸出功率波動的有效手段之一。
[0003] 由于儲能系統(tǒng)成本較高，如何選擇最大發(fā)揮儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)利用價值，同時提高 儲能系統(tǒng)使用壽命，成為風(fēng)電運行企業(yè)急需考慮的問題。混合儲能系統(tǒng)可以對風(fēng)電場輸出 功率中某一特定頻段的波動成分進(jìn)行補償，從而實現(xiàn)風(fēng)電功率波動平抑。將儲能設(shè)定功率 分為頻繁波動部分和平滑部分，分別由超級電容和儲能電池承擔(dān)，可以實現(xiàn)對平抑需求的 快速響應(yīng)?；旌蟽δ芟到y(tǒng)設(shè)定功率可以由風(fēng)電場實時輸出功率經(jīng)濾波器得到。
[0004] 現(xiàn)有風(fēng)電功率平抑方法一般采用固定時間常數(shù)的低通濾波器，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組功率、 儲能系統(tǒng)工況等特性發(fā)生變化時，低通濾波器不能主動去調(diào)節(jié)濾波時間常數(shù)，從而不能實 現(xiàn)最佳的風(fēng)電功率平抑效果；不能綜合考慮平滑效果和電池的荷電狀態(tài)S0C、超級電容的 安全工作電壓是電池儲能系統(tǒng)的重要參數(shù)指標(biāo)，這些都對儲能電池的效率、壽命產(chǎn)生直接 的影響。
[0005] 專利《一種基于模糊控制規(guī)則的微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)功率分配方法》針對微電網(wǎng) 提出基于模糊控制規(guī)則的微電網(wǎng)混合儲能系統(tǒng)功率分配方法，但沒有考慮電池荷電狀態(tài)的 變化率和儲能系統(tǒng)功率調(diào)整中的限幅處理；專利《一種平抑風(fēng)電功率波動的電池儲能系統(tǒng) 的模糊控制方法》利用模糊控制和結(jié)合儲能系統(tǒng)的SOC來與低通濾波來進(jìn)行控制，但沒有考 慮電池荷電狀態(tài)、超級電容安全工作電壓等約束條件，儲能系統(tǒng)充放電功率需要功率最優(yōu) 動態(tài)調(diào)整。
[0006] 因此，如何在保證儲能電池處于正常荷電狀態(tài)S0C、超級電容安全工作電壓內(nèi)，既 實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)最佳平抑間歇式能源功率波動效果，又能針對不同充放電特性的儲能設(shè) 備進(jìn)行功率最佳分配，是實現(xiàn)混合儲能風(fēng)電功率平抑的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種平抑風(fēng)電功率波動的混合儲能控制系統(tǒng)及 控制方法，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)混合儲能系統(tǒng)的功率最優(yōu)、經(jīng)濟(jì)運行、壽命最佳等，同時避免了 儲能設(shè)備的過充過放、變流器自身保護(hù)等，提高風(fēng)電功率波動效率，減少大規(guī)模風(fēng)電功率 波動對電網(wǎng)的沖擊。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] -種平抑風(fēng)電功率波動的混合儲能控制系統(tǒng)，包括功率平滑采集單元和混合儲能 協(xié)調(diào)控制單元，功率平滑采集單元，包括實測風(fēng)機(jī)機(jī)組功率采集模塊、計算模塊和限幅管理 模塊，混合儲能協(xié)調(diào)控制單元包括卡爾曼自適應(yīng)低通濾波模塊、第一模糊控制器、第二模糊 控制器、SOC動態(tài)最優(yōu)調(diào)整模塊和功率最優(yōu)分配模塊，其中：
[0010] 所述實測風(fēng)機(jī)機(jī)組功率采集模塊，實時采集風(fēng)電機(jī)組功率實測值，傳遞給計算模 塊；
[0011] 所述計算模塊，用于將實測值與設(shè)定的期望功率進(jìn)行差值比較，將差值功率傳輸 給混合儲能協(xié)調(diào)控制單元；
[0012] 所述限幅管理模塊，用于預(yù)防風(fēng)電機(jī)組功率超限，限值管理器考慮風(fēng)電機(jī)組功率 波動的最大功率波動范圍，設(shè)定最大最小功率波動范圍，以保證風(fēng)電機(jī)組功率波動和波動 率在正常范圍內(nèi)；
[0013] 所述卡爾曼自適應(yīng)低通濾波模塊，用于接收功率平滑采集單元的輸出值，實時調(diào) 節(jié)卡爾曼濾波增益對輸出值進(jìn)行濾波處理；
[0014] 所述第一模糊控制器，連接卡爾曼自適應(yīng)低通濾波模塊，用于根據(jù)儲能系統(tǒng)SOC 的實時狀態(tài)信息，實時調(diào)整低通濾波時間常數(shù)；
[0015] 所述第二模糊控制器，接收卡爾曼自適應(yīng)低通濾波模塊的輸出功率和儲能電池荷 電狀態(tài)S0C，對混合儲能系統(tǒng)功率輸出值進(jìn)行修正；
[0016] 所述SOC動態(tài)最優(yōu)調(diào)整模塊，用于通過電量積累法，測量電池的功率，將每小段時 間能量變化的進(jìn)行積分累加，得出當(dāng)前的S0C，調(diào)整SOC變化率；
[0017] 所述功率最優(yōu)分配模塊，用于對超級電容和儲能電池進(jìn)行功率分配，實現(xiàn)混合儲 能系統(tǒng)的最優(yōu)功率配合。
[0018] 基于上述系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：
[0019] (1)功率平滑采集單元實時獲取風(fēng)電機(jī)組功率，與風(fēng)電機(jī)組功率輸出期望值比較 后，經(jīng)過限幅處理后，發(fā)送至混合儲能協(xié)調(diào)控制單元；
[0020] (2)混合儲能協(xié)調(diào)控制單元根據(jù)功率偏差值進(jìn)行卡爾曼自適應(yīng)低通濾波獲取風(fēng)電 機(jī)組功率輸出值；
[0021] (3)卡爾曼自適應(yīng)低通濾波由第一模糊控制器根據(jù)風(fēng)電機(jī)組功率低通濾波輸出 功率變化、儲能電池SOC調(diào)整，輸出為卡爾曼低通濾波器時間常數(shù)，第二模糊控制器獲得卡 爾曼低通濾波器輸出功率和儲能電池荷電狀態(tài)SOC后，對混合儲能系統(tǒng)功率輸出值進(jìn)行修 正；
[0022] (4)考慮儲能電池S0C、儲能電池SOC變化率與超級電容電壓，進(jìn)行儲能電池SOC 調(diào)整；
[0023] (5)第二模糊控制器獲得卡爾曼低通濾波器輸出功率和儲能電池荷電狀態(tài)SOC 后，對混合儲能系統(tǒng)功率輸出值進(jìn)行修正，經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)后儲能電池和超級電容獲取最優(yōu) 功率輸出，避免電池過度充電或過度放電。
[0024] 所述步驟（1)中，功率平滑采集單元實時采集風(fēng)電機(jī)組功率實測值Pw，并與設(shè)定 的期望功率P raf通過差值比較器比較，為混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制提供輸入功率A Pt。
[0025] 所述步驟⑴中，功率平滑采集單元采樣周期為At，在任一時刻t內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組 實測功率值為P w，經(jīng)過一個采樣周期后風(fēng)電機(jī)組功率實測值為Pw (t+A t)，風(fēng)電機(jī)組功率輸 出期望值為Praf，經(jīng)過差值比較器后功率平滑采集單元獲得功率輸出值A(chǔ) P，其計算值為：
[0026] AP = Pref-Pw
[0027]AP大于零，表示儲能需放電，AP小于零，表示儲能需充電。
[0028] 所述步驟（1)中，限幅處理的方法為：考慮風(fēng)電機(jī)組功率波動的最大功率波動范 圍，設(shè)定最大最小功率波動范圍，最大值、最小值分別為AP na3^ APnin，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組功率大于 最大值或小于最小值時，則限值管理模塊將其值限定為最大值A(chǔ) Pniax或最小值A(chǔ)P _，其余 限值管理模塊輸出輸入的混合儲能系統(tǒng)設(shè)定功率PHeSS_ref，以保證風(fēng)電機(jī)組功率波動和 波動率在正常范圍內(nèi)，減少混合儲能協(xié)調(diào)控制單元的儲能充放電次數(shù)。
[0029] 所述步驟（2)中，卡爾曼自適應(yīng)低通濾波的方法為：
[0030] 卡爾曼的時間更新方程：
[0031] =
[0032] P (t, t_l) = P(t_l, t_l)+Q
[0033] 卡爾曼的狀態(tài)更新方程：
[0034] 二1) +乃[/^ (/，/) - 6 (/，/ -.1)]
[0035] Tt= P(t, t-l)/(P(t, t-l)+R)
[0036] P(t, t) = P(t, t-1) ? (I-Tt)
[0037] 式中，P1U, t)是卡爾曼自適應(yīng)低通濾波器在t時刻輸出功率平滑值，/是在 t時刻的風(fēng)電場實時功率與期望輸出功率差值，作為卡爾曼低通濾波器的輸入；P 1U, t_l) 是卡爾曼自適應(yīng)低通濾波器在t_l時刻輸出功率平滑值，A (U-1)是在t_l時刻的風(fēng)電場 實時功率與期望輸出功率差值。
[0038] 1\是卡爾曼濾波器的增益，由第一模糊控制器提供；P (t，t_l)是前一時刻估計的 協(xié)方差，P(t，t)是先驗估計的協(xié)方差，Q和R分別是高斯白噪聲分布過程噪聲的協(xié)方差和量 測噪聲的協(xié)方差。
[0039] 所述步驟⑶中，第一模糊控制器根據(jù)儲能系統(tǒng)SOC的實時狀態(tài)信息，實時調(diào)整低 通濾波時間常數(shù)T t，保證儲能系統(tǒng)SOC的自動恢復(fù)、電池保護(hù)，第一模糊控制器的輸入為風(fēng) 電機(jī)組功率低通濾波輸出功率變化值A(chǔ) P p SOC最優(yōu)動態(tài)調(diào)整值，輸出為卡爾曼低通濾 波器時間常數(shù)Tt，風(fēng)電機(jī)組功率低通濾波輸出功率變化值A(chǔ)P 1模糊集的具體參數(shù)自設(shè)定， 風(fēng)電場輸出功率為：
[0040] P,UJ)=P,(tJ-1) +TAP1 (IJ)-P1 (U-1))+AM^Pralc
[0041] 式中A M為控制策略中加入的模糊調(diào)整量系數(shù)，A M根據(jù)SOC動態(tài)優(yōu)化調(diào)整得出。
[0042] 所述步驟（3)中，第二模糊控制器獲得卡爾曼低通濾波器輸出功率？1和儲 能電池荷電狀態(tài)SO