用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备的制作方法

本发明涉及一种用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备。

背景技术：

风能具有技术成熟、成本相对较低、清洁无污染以及环境友好型等优势，成为可再生清洁能源的代表。但由于风电受其自然条件限制，具有波动性、间歇性和不可精确预测等特点，随着大规模风电并网势必会对电力系统运行造成诸多不利影响，甚至会造成大规模的恶性事故，从而制约风电产业的发展。储能系统作为电力系统运行过程中继“采—发—输—配—用”五大环节后的第六环节，能有效地提高风电规模，使得电力系统变得“柔软”，极大程度上提高了电力系统安全稳定、经济性及灵活性。

受储能机理影响，锂电池能量密度高，功率密度、循环使用寿命低；超级电容器功率密度、循环寿命高，能量密度低。混合储能系统结合了两种储能介质的优点，提高了储能系统的整体性能，成为平抑风电功率波动的有效方法。为充分发挥不同类型储能介质的优势，如何设计合理有效的控制策略成为混合储能系统应用的关键。现有方案一是运用滑动平均值原理对混合储能系统进行功率分配，但在工程运用中，难以选取合适的时间常数，并且无法做到对输出功率的精确控制。现有方案二是根据电池的剩余容量划分等级，平滑的调节低通滤波时间常数，延长电池储能寿命，但无法保证并网功率维持在目标值。现有方案三是运用模糊原理对储能系统功率进行分配，实现混合储能系统功率的合理分配，延长储能系统寿命，但计算较繁琐，耗时长。功率小波动引起的电池过度调控影响其寿命。并且此策略是对功率的直接控制导致系统动态性能较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备，能够对储能系统保护的同时，维持并网功率在并网目标值左右。

为解决上述问题，本发明提供一种用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备，包括风电场和混合储能系统，其中，

由锂电池、超级电容器、双向整流/逆变器和第一、第二DC/DC变流器组成所述混合储能系统，第一DC/DC变流器的低压侧连接锂电池，所述第一DC/DC变流器的高压侧连接第二DC/DC变流器的低压侧，所述第一DC/DC变流器并与所述超级电容器并联，所述第二DC/DC变流器高压侧接于双向整流/逆变器的直流侧，双向整流/逆变器的交流侧并联在风电场出口的一阶低通滤波器；

充放电控制器，分别与电网、所述一阶低通滤波器、第一DC/DC变流器和所述第二DC/DC变流器连接；

接于锂电池和超级电容器输入侧的滑动平均值算法器，混合储能系统运行时，所述控制器以风电输出功率和并网参考功率为依据，所述充放电控制器运用模糊控制计算低通滤波时间常数，风电场输出功率经过所述一阶低通滤波器之后，通过滑动平均值算法器平抑控制目标，并且传递给DC/DC变流器，进而控制锂电池和超级电容器进行功率吞吐，最后把平抑后的功率送入电网。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，所述充放电控制器基于变时间常数的一阶低通滤波算法对风电输出功率进行平抑控制，即平抑的充放电功率为：

式中：Pwind(t)为t时刻风电功率经滤波前功率；Pwind(t-Δt)为上一时刻风电功率经滤波后功率；τ为滤波时间常数；

采用模糊控制来确定一阶低通滤波器的时间常数，定义一个新的变量：风电输出功率波动度P0(t)，表达式为：

式中：Pref(t)为并网参考功率，将其作为模糊控制的输入x(t)。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，所述充放电控制器将风电输出功率波动量分为五个等级，按模糊控制输出结果选择相对应的低通滤波时间常数。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，根据储能介质剩余容量情况规定相应的功率分配策略为：功率密度大、循环寿命长的超级电容器优先充放电；当锂电池剩余容量足够时，其用于功率平抑，设定锂电池、超级电容器剩余容量Soc-bat、Soc-cap。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，所述功率分配策略为：

当PHESS(t)>0时，即混合储能系统放电，根据超级电容器SOC变化界定不同的放电状态：

放电状态1:Soc-cap>0.1，超级电容器优先放电，锂电池不动作；

放电状态2:Soc-cap<0.1，Soc-bat>0.4，锂电池放电，超级电容器不工作；

放电状态3:Soc-bat<0.4，则都不工作；

当PHESS(t)≤0时，即混合储能系统充电。根据锂电池SOC变化界定不同的充电状态：

充电状态1:Soc-bat>0.8，超级电容器充电；

充电状态2:Soc-bat<0.8，锂电池充电。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，所述滑动平均值算法器用于：

n项时间序列PHESS(t+nΔt)计算多个连续m项序列的平均值，其中连续m项序列的第一项，是原来n序列的第一项PHESS(t)至第m项PHESS(t+mΔt)之和除以m；连续m项序列的第二项PHESS(t+Δt)是原来n序列的第二项至第m+1项PHESS(t+(m+1)Δt)之和除以m；以此类推，锂电池和超级电容器的滑动平均值算法表达式为：

式中：Preal-bat(t)、Preal-cap(t)分别为t时刻经过滑动平均值算法处理后的锂电池、超级电容器功率；Pbat(t)、Pcap(t)为t时刻未经过滑动平均值算法处理的锂电池、超级电容器功率。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，所述充放电控制器采用Buck－Boost双向DC/DC斩波控制器，并采用功率外环，电流内环的双闭环控制模式。

进一步的，在上述用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备中，所述功率外环用于维持输出功率的稳定，电流内环给定值由功率除以直流侧电压得到，然后电流给定值和检测电流做偏差，经过PI环节，得到调制电压，调制电压经过SPWM，得到控制信号，所述控制信号用于控制双向DC/DC斩波器，从而控制锂电池功率输出。

与现有技术相比，本发明在并网参考功率给定的情况下，运用模糊控制原理，根据风电输出功率与并网参考值的偏离程度选定低通滤波时间常数，计算简单、保持输出功率跟随调度目标值；运用超级电容器优先工作原则的控制策略对混合储能系统功率进行分配；通过把滑动平均值算法接于混合储能系统输入侧，用于平抑尖峰及往复性的风电波动，运用滑动平均值原理对平抑目标进行二次平抑，用于平抑尖峰及往复性风电功率波动，延长储能系统寿命；储能系统通过把功率量转变为电流量进行控制，可以实现其功率吞吐的快速、准确控制，提高系统动态性能。通过实施上述功率分配策略，使混合储能系统总能在条件允许下，优先超级电容器工作，既能有效平抑风电输出功率波动，又能避免锂电池过多的充放电任务，延长循环寿命，有效降低混合储能系统的成本。对储能系统保护的同时，维持并网功率在并网目标值左右。其仿真结果表明：本发明所提出的用于风电输出功率平抑的混合储能系统控制策略与传统控制策略相比，避免了储能系统过度调控，并网功率维持在并网目标值左右。

附图说明

图1是本发明一实施例的用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备的结构图；

图2a和2b分别是本发明一实施例的用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备的输入/输出曲面图；

图3是本发明一实施例的模糊控制系统输入/输出曲面图；

图4是本发明一实施例的将风电输出功率波动量分为五个等级控制流程流程图；

图5是本发明一实施例的功率分配策略的流程图；

图6是本发明一实施例的锂电池功率双环控制框图；

图7是本发明一实施例的功率波动信号发生器的示意图

图8是本发明一实施例的风电输出功率平抑图；

图9是本发明一实施例的传统滤波器和变时间常数滤波器功率平抑的对比图；

图10是本发明一实施例的风电输出功率Pwind(t)、根据储能系统荷电状态确定的并网功率P′out和本发明的并网功率Pout的对比图；

图11是本发明一实施例的功率直接控制P‘’out与双闭环控制Pout的对比图；

图12是本发明一实施例的锂电池和超级电容器充放电功率曲线图；

图13是本发明一实施例的有滑动平均值算法相比于无滑动平均值算法的功率对比图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种用于平抑风电输出功率的储能系统的控制设备，包括风电场和混合储能系统，其中，

由锂电池3、超级电容器4、双向整流/逆变器5和第一、第二DC/DC变流器组成所述混合储能系统，第一DC/DC变流器1的低压侧连接锂电池，所述第一DC/DC变流器的高压侧连接第二DC/DC变流器2的低压侧，所述第一DC/DC变流器并与所述超级电容器并联，所述第二DC/DC变流器2高压侧接于双向整流/逆变器的直流侧，双向整流/逆变器的交流侧并联在风电场6出口的一阶低通滤波器7；

充放电控制器8，分别与电网10、所述一阶低通滤波器、第一DC/DC变流器和所述第二DC/DC变流器连接；

接于锂电池3和超级电容器4输入侧的滑动平均值算法器9，混合储能系统运行时，所述控制器以风电输出功率和并网参考功率为依据，充放电控制器运用模糊控制计算低通滤波时间常数，风电场输出功率经过所述一阶低通滤波器之后，通过滑动平均值算法器平抑控制目标，并且传递给DC/DC变流器，进而控制锂电池和超级电容器进行功率吞吐，实现风电功率波动的平抑，最后把平抑后的功率送入电网。用滑动平均值算法充当“功率缓冲器”，接于锂电池和超级电容器输入侧。实现尖峰的平抑及往复性风电功率波动。将风电功率波动限定在一定范围内，避免储能系统对风电功率波动的过度调控，实现混合储能系统减少充放电次数和延长寿命的目的。本发明通过滑动平均值算法，避免了储能系统过度调控，有利于储能系统寿命的延长；两个DC/DC斩波控制器，通过把功率量转化为电流量进行控制，可实现对锂电池和超级电容器充放电任务的快速、准确控制，保证了控制策略的顺利实现。

优选的，控制目标即混合储能系统总出力，本发明所述充放电控制器基于变时间常数的一阶低通滤波算法对风电输出功率进行平抑控制，即平抑的充放电功率为：

式中：Pwind(t)为t时刻风电功率经滤波前功率；Pwind(t-Δt)为上一时刻风电功率经滤波后功率；τ为滤波时间常数；

为了使功率更加稳定输出，本发明采用模糊控制来确定一阶低通滤波器的时间常数。定义一个新的变量：风电输出功率波动度P0(t)，表达式为：

式中：Pref(t)为并网参考功率，将其作为模糊控制的输入x(t),输入隶属度函数和输出隶属度函数分别如图2a和2b所示，模糊控制系统输入/输出曲面如图3所示。

优选的，变时间常数的控制原则：根据风电输出功率波动度P0(t)的大小，分段调整合适的低通滤波时间常数，即动态调节混合储能系统充放电功率，实现平抑后功率更加稳定的输出。

优选的，本发明所述充放电控制器将风电输出功率波动量分为五个等级，按模糊控制输出结果选择相对应的低通滤波时间常数。将风电输出功率波动量分为五个等级控制流程如图4所示，在实际工程运用中，分段等级数量可以按实际风况，进行调整。针对不同地理位置的风电场，可对其历史发电功率曲线进行分析，求得主要波动频率范围，根据范围大小设置低通滤波时间常数的数量；时间常数的具体选取可以根据混合储能系统的具体特性和对并网功率波动率的要求，从而满足设计的滤波器在不同风况下并网波动率不超出国家规定。

优选的，根据储能介质剩余容量情况规定相应的功率分配策略，功率分配原则为：功率密度大、循环寿命长的超级电容器优先充放电；当锂电池剩余容量足够时，其用于功率平抑，设定锂电池、超级电容器剩余容量Soc-bat、Soc-cap。

优选的，功率分配策略的流程如图5所示：

当PHESS(t)>0时，即混合储能系统放电，根据超级电容器SOC变化界定不同的放电状态：

放电状态1:Soc-cap>0.1，超级电容器优先放电，锂电池不动作；

放电状态2:Soc-cap<0.1，Soc-bat>0.4，锂电池放电，超级电容器不工作；

放电状态3:Soc-bat<0.4，则都不工作；

当PHESS(t)≤0时，即混合储能系统充电。根据锂电池SOC变化界定不同的充电状态：

充电状态1:Soc-bat>0.8，超级电容器充电；

充电状态2:Soc-bat<0.8，锂电池充电。通过实施上述功率分配策略，使混合储能系统总能在条件允许下，优先超级电容器工作。既能有效平抑风电输出功率波动，又能避免锂电池过多的充放电任务，延长循环寿命。有效降低混合储能系统的成本。

优选的，所述滑动平均值算法器用于：

n项时间序列PHESS(t+nΔt)计算多个连续m项序列的平均值，其中连续m项序列的第一项，是原来n序列的第一项PHESS(t)至第m项PHESS(t+mΔt)之和除以m；连续m项序列的第二项PHESS(t+Δt)是原来n序列的第二项至第m+1项PHESS(t+(m+1)Δt)之和除以m；以此类推，锂电池和超级电容器的滑动平均值算法表达式为：

式中：Preal-bat(t)、Preal-cap(t)分别为t时刻经过滑动平均值算法处理后的锂电池、超级电容器功率；Pbat(t)、Pcap(t)为t时刻未经过滑动平均值算法处理的锂电池、超级电容器功率。

优选的，所述充放电控制器采用Buck－Boost双向DC/DC斩波控制器，为提高系统动态性能，保证锂电池和超级电容器输出功率的稳定，本发明的控制系统采用功率外环，电流内环的双闭环控制模式进行优化，通过把功率量转化为电流量的方式，提高系统响应速度。

优选的，以锂电池控制器为例，如图6所示，所述功率外环用于维持输出功率的稳定，电流内环给定值由功率除以直流侧电压得到，然后电流给定值和检测电流做偏差，经过PI环节，得到调制电压，调制电压经过SPWM，得到控制信号，所述控制信号用于控制双向DC/DC斩波器，从而控制锂电池功率输出。

如下是本发明的仿真分析：

1.参数设置

根据图1所示结构，在Matlab/Simulink环境下进行仿真验证。仿真参数设置如下：采样间隔T＝1×10^-5s，锂电池组250V，10Ah，初始SOC＝70％；超级电容器容量10F，耐压400V，初始电压400V；DC/DC(1)、DC/DC(2)中滤波电感10mH；PI控制器参数：Kp＝2，Ki＝10；滑动平均值算法m＝5。

2.混合储能系统控制策略及其系统的有效性验证

本发明设定储能系统放电功率为正，充电功率为负，风电功率为正。并网参考功率Pref(t)为12KW，波动频率50HZ，锂电池按50A恒流充放电。仿真目标：验证本发明控制策略的有效性，实现功率波动的平抑；验证混合储能系统在本发明设计的控制系统下，锂电池和超级电容器的功率快速、准确控制。

2.1功率波动平抑的验证

图7是设定的50HZ波动频率信号发生器。以0.2s为一个周期，输出不同幅值的信号，实现模拟风电功率波动的效果。图8中，Pwind(t)表示平抑前风电输出功率(－2～15KW)；PHESS为混合储能系统充放电功率；Pout为平抑后功率。当Pwind(t)大于Pref(t)，储能系统充电，吸收多余功率；当Pwind(t)小于Pref(t)，储能系统放电，补偿不足的功率。即控制平抑风电功率波动大小，保持输出功率跟随调度目标值。结果显示平抑后的功率Pout基本维持在12KW。

根据储能系统荷电状态的变化来确定并网功率，避免储能系统的过冲和过放。其主要优点在于对储能系统的保护，但并网功率无法维持在并网目标值。本发明提出的控制策略在保护储能系统的同时(由功率分配策略实现)，能够尽可能的维持在并网目标值。图10是风电输出功率Pwind(t)、根据储能系统荷电状态确定的并网功率P′out11和本发明的并网功率Pout12的对比。从图中可看出，由于储能系统剩余容量的限制，P′out无法保证维持在12KW，而Pout波形基本维持在12KW左右。

图9是传统滤波器和变时间常数滤波器功率平抑的对比。根据图2a、2b所示的模糊控制隶属度函数，对仿真系统在0～0.8s之间的运行过程分析。根据风电输出功率偏离并网参考功率的程度，通过模糊控制输出低通滤波时间常数。从图9中0.26s～0.305s可以看出，当风电输出功率在12KW附近时，定时间常数低通滤波和变时间常数低通滤波的平抑效果几乎相同；当风电输出功率波动的变化率较大时，变时间常数一阶低通滤波器的平抑效果更佳。其优点在于能“因地制宜”，根据不同的风电输出功率调整时间常数，设定不同的平抑目标。

2.2功率分配的验证

采用模糊控制理论将超出并网参考值的部分在混合储能系统中进行分配，能有效平抑风电功率波动，其优点在于避免储能系统状态越限现象，实现了保护储能系统的目的，但此策略是对功率的直接控制导致系统动态性能较差，并且尖峰及往复性风电功率波动会影响储能系统的过度调控，造成电池储能的寿命损耗。本发明基于优化设计的控制器在保护储能系统的同时，避免系统的过度调控。

通过DC/DC(1)和DC/DC(2)中的双闭环控制(功率外环，电流内环)，实现了对储能系统的快速、准确功率控制。图11将功率直接控制P‘’out与双闭环控制Pout进行对比，发现P‘’out由于功率的直接控制，造成功率偏差的累积。并且动态性能较差，功率曲线有明显的滞后。

结合图8，由图12中锂电池和超级电容器充放电功率曲线可知：超级电容器优先充放电，只有当超级电容器剩余容量不足时，锂电池补偿剩余控制目标，延长储能系统寿命的同时，保证输出功率跟随调度目标值；由0～0.1s之间的运行过程具体分析可知：储能系统放电，由于超级电容器剩余容量大于0.1，超级电容器优先放电，锂电池不动作。并且由于0s风速突变造成风电输出功率波动过大，为保护锂电池，其维持上一时刻充放电功率不变，由超级电容器承担整个风电波动量，避免锂电池受到冲击。其他时间段皆可进行类似分析。

由图13对比可知：由于尖峰及往复性风电功率波动会造成传统储能系统的过度调控；而接于锂电池和超级电容器输入侧的有滑动平均值算法12相比于无滑动平均值算法11可在一定程度上平抑此类功率波动。减少功率波动对混合储能系统的冲击，延长储能系统寿命。

由上述分析可知：该控制策略相对于采用时间常数随储能系统剩余容量变化的控制策略有一定的优势，在保护储能系统的前提下，能更好的维持并网功率在并网参考值，有利于电网稳定。

综上所述，本发明在并网参考功率给定的情况下，运用模糊控制原理，根据风电输出功率与并网参考值的偏离程度选定低通滤波时间常数，计算简单、保持输出功率跟随调度目标值；运用超级电容器优先工作原则的控制策略对混合储能系统功率进行分配；通过把滑动平均值算法接于混合储能系统输入侧，用于平抑尖峰及往复性的风电波动，运用滑动平均值原理对平抑目标进行二次平抑，用于平抑尖峰及往复性风电功率波动，延长储能系统寿命；储能系统通过把功率量转变为电流量进行控制，可以实现其功率吞吐的快速、准确控制，提高系统动态性能。通过实施上述功率分配策略，使混合储能系统总能在条件允许下，优先超级电容器工作，既能有效平抑风电输出功率波动，又能避免锂电池过多的充放电任务，延长循环寿命，有效降低混合储能系统的成本。对储能系统保护的同时，维持并网功率在并网目标值左右。其仿真结果表明：本发明所提出的用于风电输出功率平抑的混合储能系统控制策略与传统控制策略相比，避免了储能系统过度调控，并网功率维持在并网目标值左右。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。