一种垂直轴风力发电系统的蓄电池充放电控制策略的制作方法

本发明专利属于输发电控制领域，特别涉及垂直轴风力发电系统中的网侧功率波动控制策略。

背景技术：

随着能源和环境对人类生存和发展的影响日益显著，可再生能源的开发利用已受到世界各国的高度重视。风能作为可再生能源中发展最快的清洁能源，推动风力发电技术取得了很大的发展。

风力发电系统中，风能的不稳定性和间歇性是阻碍风力发电的重要因素。当风速的变化很大时，风力发电系统的输出功率就会产生很大的波动，如果不采取任何措施，网侧功率的波动幅度就可能超出国家规定的范围，从而影响供电质量和供电系统的安全性。针对这一问题，传统的解决方法是在直流侧加入储能系统，当机侧发电功率过高时，储能系统储存能量，当机侧发电功率过低时，储能系统释放能量，保证网侧逆变器VSC2的输出功率在国家规定的范围内波动，增强电网供电的可靠性，提高经济效益。

常见的储能装置一般由蓄电池、超级电容、飞轮等储能设备单一的或者几者结合而成。其中，超级电容的储能容量较小，飞轮储能的能量密度比较低，保证系统安全性的费用很高，而蓄电池具有比较大的容量，且技术较为成熟；蓄电池不仅可以在低风速或无风时提供一定量的用电需求,还在一定程度上起缓冲器的作用。综上所述，采用蓄电池作为风力发电系统的储能设备是最为合适的。采用蓄电池作为储能设备时，蓄电池容量的配置是首要解决的难题。若选用的容量过大会造成投资成本急剧增加，而过小的容量又无法弥补风速不稳带来的能量波动，可能会出现蓄电池过度充放电的情况，从而损坏蓄电池，使其寿命大大减少。针对这一问题，传统控制方法是在直流侧电容上并联蓄电池，本文在此基础上进行改进，提出了基于功率平衡的蓄电池充放电策略。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于功率平衡的蓄电池控制方法，此控制方法不仅确保了网侧功率波动符合国家电网的要求规范，同时延长了蓄电池寿命，提高了电网供电的稳定性和安全性。

为实现上述目的，本发明所采取的控制方案是：

步骤1、计算出网侧逆变器VSC1输出功率的最大值P_max、最小值P_min，具体如下：

(1)假设当前时刻机侧整流器VSC1输出的功率为P₁(0)。

(2)对风能进行预测，得到接下来60秒内机侧整流器VSC1可输出的功率P1(t)，其中t取值为1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒，求出其平均值P_av：

其中，t取值为1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒。

(3)在接下来的60秒内，网侧逆变器VSC2的输出功率范围是计算方式如下所示：

(4)假设在过去的60秒内，网侧逆变器VSC2输出功率的最小值为最大值为为保证已经过去的60秒内，风力发电系统输出功率的波动范围也不超过10％×S₁^*，则当前时刻网侧逆变器VSC2的允许输出功率为计算如下：

(5)由上述可得，当前时刻网侧逆变器VSC2的最终允许输出功率为[P_min,P_max]，如下所示：

步骤2、根据步骤1所述，控制蓄电池的充放电功率：

状态1、蓄电池先放电后充电，假设0到t₁时刻风能低于t₁到t₂时刻，风能在到之间，t₂到t₃时刻，风能高于t₃到60秒时刻，风能在到之间；这种情况下，蓄电池放电能量W_A、充电能量W_B分别为：

状态2、蓄电池先充电后放电，假设0到t₁时刻风能低高于P¹_max；t₁到t₂时刻，风能在P¹_min到之间，t₂到t₃时刻，风能低于P¹_min，t₃到60秒时刻，风能在P¹_min到P¹_max之间；这种情况下，蓄电池充电能量W′_A、放电能量分别为W′_B，计算如下：

步骤3、蓄电池的具体控制过程包括以下：

(1)蓄电池先放电后充电

当W_A≥W_B时，蓄电池放电功率参考值为：

P_{3_forecast}＝P_min-P₁(0)

当W_A＜W_B时，蓄电池的放电功率参考值为：

(2)蓄电池先放电后充电

当W'_A≥W'_B时，蓄电池充电功率参考值为：

P_{3_forecast}＝P₁(0)-P_max

当W'_A＜W'_B时，蓄电池的充电功率参考值为：

(3)综上所述，在下一个控制周期，控制蓄电池的充电(或者放电)功率为P_{3_forecast}。

本发明的有益效果是：1)增加了蓄电池的寿命；2)在蓄电池容量一定的情况下，降低并网逆变器输出功率的波动率；3)保证整个电网的稳定性和安全性。

附图说明

图1为带储能的垂直轴风力发电系统结构图

图2为风电系统能量流向图

图3为蓄电池先放电后充电

图4为蓄电池先放电后充电且W_A＝W_B

图5为蓄电池先放电后充电且W_A>W_B

图6为蓄电池先放电后充电且W_A＜W_B(图a为W_A+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B时的充放电示意图，图b为W_A+(P_max-P_min)·ΔT>W_B时的充放电示意图)

图7为蓄电池先充电后放电

图8为蓄电池先充电后放电且W_A′＝W_B′

图9为蓄电池先充电后放电且W_A′>W_B′

图10为蓄电池先充电后放电且W_A′＜W_B′(图a为W_A′+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B′时的充放电示意图，图b为W_A′+(P_max-P_min)·ΔT>W_B′时的充放电示意图)

具体实施方式

如图1所示，垂直轴风力发电系统结构包括风力机、永磁同步电机、机侧整流器VSC1、直流侧电容、DC/DC变换器、储能设备、网侧逆变器VSC2；其中，双向DC/DC变换器将蓄电池并联在直流母线上，通过对蓄电池进行充放电控制，从而实现能量和功率的分配与管理。

由国家规定的网侧输出功率波动规范可知，1分钟内风力发电系统输出功率的波动范围是装机容量的10％；该系统中能量流动如图2所示，根据能量守恒原理：

P₂(t)＝P₁(t)+P₃(t)

其中，P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)分别是t时刻风力发电系统机侧整流器VSC1的输出功率、网侧逆变器VSC2的输出功率、蓄电池的放电功率。

为确保该系统中机侧整流器VSC1、网侧逆变器VSC2、蓄电池能够安全可靠运行，需满足：

其中，S₁^*、S₂^*、S₃^*分别表示机侧整流器VSC1、网侧逆变器VSC2、和蓄电池的额定功率，W₃^*是蓄电池的额定储能能量，W₃(t)表示t时刻蓄电池剩余的能量，ΔT是控制周期。

假设当前时刻，机侧整流器VSC1输出的功率为P₁(0)；对风能进行预测，得到接下来60秒内机侧整流器VSC1可输出的功率P₁(t)，其中t取值为1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒，求出其平均值P_av：

为确保网侧逆变器VSC2输出功率的波动范围不超过10％×S₁^*，在接下来60秒内，网侧逆变器VSC2的输出功率的范围是的计算如下：

为了保证已经过去的60秒内，风力发电系统输出功率的波动范围也不超过10％×S₁^*则当前时刻网侧逆变器VSC2的允许输出功率为假设在过去的60秒内，VSC2输出功率的最小值为最大值为则可通过下式计算得到：

由上述可得当前时刻网侧逆变器VSC2的最终允许输出功率为[P_min,P_max]，计算如下：

分析蓄电池在接下来的60秒内的充放电情况

(1)蓄电池先放电后充电，如图3所示：

当W_A＝W_B时，蓄电池充放电示意图如图4所示，蓄电池放电功率参考值为：

P_{3_forecast}＝P_min-P₁(0)

当W_A＜W_B时，蓄电池充放电示意图如图5所示，蓄电池的放电功率为参考值为：

P_{3_forecast}＝P_min-P₁(0)

当W_A>W_B时，蓄电池充放电示意图如图6所示，为减轻蓄电池过充问题，蓄电池的放电功率参考值为：

其中，当W_A+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B时，充放电示意图如图a所示；当W_A+(P_max-P_min)·ΔT>W_B时，充放电示意图如图b所示。

(2)当蓄电池先充电后放电时，如图7所示：

当W_A′＝W_B′时，蓄电池充放电示意图如图8所示，蓄电池充电功率参考值为：

P_{3_forecast}＝P₁(0)-P_max

当W_A′>W_B′时，蓄电池充放电示意图如图9所示，蓄电池的充电功率参考值为：

P_{3_forecast}＝P₁(0)-P_max

当W_A′＜W_B′时，蓄电池充放电示意图如图10所示，蓄电池的充电功率参考值为：

其中，当W_A′+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B′时，充放电示意图如图a所示；当W_A′+(P_max-P_min)·ΔT>W_B′时，充放电示意图如图b所示。

(3)在下一个控制周期，控制蓄电池的充电(或者放电)功率为P_{3_forecast}。

综上所述，在垂直轴风力发电系统中，通过上述蓄电池的充放电控制，削弱了网侧输出功率的波动，实现了系统供电的可靠性与安全性。