用于平抑风电波动的混合储能系统的制作方法

本发明涉及风力发电储能系统，特别是用于平抑风电波动的混合储能系统。

背景技术：

随着传统能源的日益枯竭，风能发电这类可再生新能源的发电技术逐渐引起人们的重视。由于风能具有间歇性和随机性的特点，使得风电系统的输出功率处于波动的不稳定状态。当风电输出功率直接并入电网后，将对电力系统的稳定性、电网频率、电能质量、发电计划和调度等方面带来负面影响。因此，采用储能系统(energy storage system，ESS)平抑风电场输出功率波动问题具有重要的现实意义。不同的储能装置的特性和适用的场合不尽相同，单一储能技术很难满足风力发电多时间尺度功率的平抑需求。相关研究发现，通过将小容量、高功率比、高循环寿命和大容量、高能量比的储能系统结合，组成混合储能系统(hybrid energy storage system，HESS)，并通过适当的控制策略分别对功率波动中不同时间特性的波动进行补偿，能够得到相对于单一储能装置更好的控制效果。

中国专利公告号CN 201410391305.X，公告日是2014年11月19日，发明创造的名称为“一种混合储能平抑风电功率波动系统及其协调控制方法”，该申请案公开了一种混合储能平抑风电功率波动系统及其协调控制方法，其构成是：采集风机输出功率P_g，对风机输出功率采用移动平均值算法处理，获得风电输出期望功率P_desire，其二者差值作为储能补偿功率ΔP。将ΔP与超级电容器工作电压U_ess作为风储协调控制器的输入，分析判断启动风机调控系统或启动储能协调控制层进行功率平抑。在利用储能协调控制层进行功率平抑时，低通滤波器、模糊控制器将优化补偿功率分配，实现储能协调控制层内部协调控制。该申请案的不足之处是：包括协调控制器、控制风机、低通滤波器、模糊控制器A、模糊控制器B、蓄电池和超级电容器等技术特征，结构复杂，模糊控制器、滤波器的滚降引起较为明显的传递误差；另一方面，为了使超级电容器工作在指定荷电状态下，蓄电池需要通过频繁切换充放电动作来补偿超级电容器的功率输出，容易导致超级电容器荷电状态在充放电阈值附近来回震荡，使超级电容器和蓄电池的服役寿命缩短。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种解决复杂结构问题、优化储能系统工作状态的风力发电储能系统。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于平抑风电波动的混合储能系统，包括超级电容器和蓄电池，所述超级电容器和蓄电池串级相连；所述混合储能系统还包括滞回比较控制器，所述滞回比较控制器分别与超级电容器、蓄电池相连；

所述滞回比较控制器设有由小到大、与超级电容器的剩余电量对应的第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值；

所述滞回比较控制器用于在所述剩余电量超过第四阈值时，控制蓄电池从超级电容器内吸收电能；

所述滞回比较控制器还用于在所述剩余电量减小至第三阈值时，控制蓄电池停止吸收电能；

所述滞回比较控制器还用于在所述剩余电量小于第一阈值时，控制蓄电池对超级电容器进行充电；

所述滞回比较控制器还用于在所述剩余电量增加至第二阈值时，控制蓄电池停止充电。

所述混合储能系统设有限制管理模块，所述限制管理模块分别与超级电容器、蓄电池相连；

所述限制管理模块设有与所述超级电容器和蓄电池的剩余电量之和对应的下限阈值和上限阈值；

所述限制管理模块用于在所述剩余电量之和小于下限阈值时闭锁超级电容器对输出电网的放电，并控制超级电容器通过所述混合储能系统外部的风力发电网进行充电；

所述限制管理模块还用于在所述剩余电量之和大于上限阈值时闭锁超级电容器的充电，并控制超级电容器进行放电。

所述限制管理模块在所述下限阈值和上限阈值之间设有N个充放电阈值，N为正整数；所述限制管理模块还用于根据所述剩余电量之和对应的充放电阈值确定的区间，控制所述超级电容器的充电强度和放电强度。

所述N为2，并设为下限充放电阈值和上限充放电阈值；

所述限制管理模块还用于在所述剩余电量之和大于所述下限阈值且小于下限充放电阈值时，控制所述超级电容器放电强度为额定放电强度的A倍，A为大于0且小于1的有理数，同时控制充电强度为额定充电强度；

所述限制管理模块还用于在所述剩余电量之和大于下限充放电阈值且小于上限充放电阈值时，控制所述超级电容器放电强度为额定放电强度、控制充电强度为额定充电强度；

所述限制管理模块还用于在所述剩余电量之和大于上限充放电阈值且小于所述上限阈值时，控制所述超级电容器充电强度为额定充电强度的B倍，B为大于0且小于1的有理数，同时控制放电强度为额定放电强度。

所述限制管理模块设有额定容量单元、当前剩余容量单元、加法单元和反相单元；

所述额定容量单元分别与所述超级电容器和蓄电池相连，用于获得所述超级电容器和蓄电池的额定容量之和；

所述当前剩余容量单元分别与所述超级电容器和蓄电池相连，用于获得所述超级电容器和蓄电池的当前剩余容量之和；

所述反相单元与所述当前剩余容量单元相连，用于获得所述当前剩余容量之和的相反数；

所述加法单元将所述额定容量单元与反相单元相连，用于获得所述额定容量之和与当前剩余容量之和的差值，作为所述剩余电量之和。

所述剩余电量之和通过荷电状态参数表示，所述荷电状态参数为闭区间[0，1]内的有理数。

所述限制管理模块设有额定容量单元、当前剩余容量单元、比值单元、加法单元和反相单元；

所述额定容量单元分别与所述超级电容器和蓄电池相连，用于获得所述超级电容器和蓄电池的额定容量之和；

所述当前剩余容量单元分别与所述超级电容器和蓄电池相连，用于获得所述超级电容器和蓄电池的当前剩余容量之和；

所述反相单元与所述当前剩余容量单元相连，用于获得所述当前剩余容量之和的相反数；

所述加法单元将所述额定容量单元与反相单元相连，用于获得所述额定容量之和与当前剩余容量之和的差值；

所述比值单元将所述加法单元与所述额定容量单元相连，用于获得所述额定容量之和与当前剩余容量之和的差值与额定容量之和的比值，作为所述荷电状态参数。

所述蓄电池以额定功率对所述超级电容器充电或吸收电能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，混合储能系统仅由超级电容器、蓄电池和滞回比较控制器三个装置构成，超级电容器作为一级储能装置直接补偿风力发电的波动；蓄电池为二级储能装置，与超级电容串级相连进行能量交换，补偿超级电容器能量密度低的缺陷，降低超级电容器所需的额定容量，它们串级相连使得本发明结构简单。滞回比较控制器利用超级电容器的剩余电量来控制蓄电池工作状态：设置4个超级电容器剩余电量对应的阈值，避免蓄电池在阈值附近频繁动作与充放电，延长使用寿命，降低超级电容器的荷电状态波动，提高混合储能系统的整体经济性，优化储能系统工作状态。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是限制管理模块的阈值设置图；

图3是滞回比较控制器的滞回曲线图；

图4是混合储能系统的目标功率曲线示意图；

图5是未加入滞回比较控制器的蓄电池充放电状态示意图；

图6是加入滞回比较控制器的蓄电池充放电状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例设置额定功率为10MW的风力发电机组，利用本发明的混合储能系统补偿功率波动。混合储能系统包括超级电容器、蓄电池、滞回比较控制器和限制管理模块，如附图1所示。其中超级电容器和蓄电池串级相连(级联)，滞回比较控制器分别与超级电容器、蓄电池相连，限制管理模块分别与超级电容器、蓄电池相连；混合储能系统根据基尔霍夫电流定律(KCL定律)并入电网，混合储能系统需要补偿的目标功率曲线如附图4所示。设置混合储能系统初始荷电状态为50％，以发挥其最优性能。

为了保证蓄电池处于优化的工作状态，本实施例设定蓄电池仅以额定功率充放电；滞回比较控制器利用超级电容器的剩余电量(荷电状态，记为SOCsc)来控制蓄电池的工作状态。SOCsc代表的是超级电容器当前剩余容量与其额定容量的比值，其取值范围为0-1。当SOCsc＝0时表示超级电容器放电完全，当SOCsc＝1时表示超级电容器完全充满。

设置由小到大、与超级电容器的剩余电量对应的第一阈值D_on、第二阈值D_off、第三阈值C_off和第四阈值C_on，滞回曲线如附图3所示，其中横坐标代表超级电容器的SOCsc值，纵坐标P_ba代表蓄电池的输出功率。

1)当SOCsc处于D_off与C_off之间时，此时超级电容器能正常补偿目标功率，设为正常工作状态，滞回比较控制器和蓄电池无需动作。

2)当SOCsc逐渐增加，其数值超过C_on时，蓄电池以额定功率从超级电容器吸收电能，以加强超级电容器的放电，改善其电量过多的情况。此时由于蓄电池的动作，超级电容器的电量逐渐减少，恢复到正常工作状态，为了防止SOCsc在C_on附近频繁波动导致蓄电池充放电状态频繁改变，设定SOCsc减小到C_off时，控制蓄电池停止吸收电能。

3)SOCsc电量逐渐减少，当其数值低于D_on时，蓄电池以额定功率为超级电容器提供能量，以加强超级电容器的充电，改善其电量过低的情况。此时由于蓄电池的动作，超级电容器的电量逐渐增加，恢复到正常工作状态，为了防止SOCsc在D_on附近频繁波动导致蓄电池充放电状态频繁改变，设定SOCsc增加到D_off时，控制蓄电池停止充电。

过充和过放电都会对混合储能系统造成很大的损害。为了保护混合储能系统，可以在储能电量较少时限制其放电，达到电量下限时不再放电；而在储能电量较多时限制其充电功率，达到电量上限时不再充电，设置防止过充过放保护参数SOC。SOC代表的是混合储能系统(超级电容器与蓄电池)当前剩余容量与其额定容量的比值，其取值范围为0-1。当SOC＝0时表示混合储能系统放电完全，当SOC＝1时表示混合储能系统完全充满。如附图2所示，在限制管理模块内设置与超级电容器和蓄电池的剩余电量之和对应的下限阈值SOC_min和上限阈值SOC_max。限制管理模块在SOC小于SOC_min时闭锁超级电容器对输出电网的放电，并控制超级电容器通过所述混合储能系统外部的风力发电网进行充电。限制管理模块在SOC大于SOC_max时闭锁超级电容器的充电，并控制超级电容器进行放电。

为了进一步优化混合储能系统的充放电管理，限制管理模块在SOC_min和SOC_max之间设有2个充放电阈值，设为下限充放电阈值SOC_low和上限充放电阈值SOC_up，如附图2所示。

1)限制管理模块在SOC大于SOC_min且小于SOC_low时，控制超级电容器放电强度为额定放电强度的0.5倍，同时控制充电强度为额定充电强度。

2)限制管理模块在SOC大于SOC_low且小于SOC_up上限充放电阈值时，控制超级电容器放电强度为额定放电强度、控制充电强度为额定充电强度。

3)限制管理模块在SOC大于SOC_up且小于SOC_max时，控制超级电容器充电强度为额定充电强度的0.5倍，同时控制放电强度为额定放电强度。

为了得到SOC的值，限制管理模块设有额定容量单元、当前剩余容量单元、比值单元、加法单元和反相单元。额定容量单元分别与所述超级电容器和蓄电池相连，获得超级电容器和蓄电池的额定容量之和；当前剩余容量单元分别与超级电容器和蓄电池相连，获得超级电容器和蓄电池的当前剩余容量之和；反相单元与当前剩余容量单元相连，获得当前剩余容量之和的相反数；加法单元将额定容量单元与反相单元相连，获得额定容量之和与当前剩余容量之和的差值；比值单元将加法单元与额定容量单元相连，获得额定容量之和与当前剩余容量之和的差值与额定容量之和的比值，作为SOC的值。

本实施例设置滞回比较控制器，保证蓄电池处于优化的工作状态；参见附图5，为关闭滞回比较控制器时蓄电池充放电状态，为清晰表明蓄电池充放电状态，对图5中蓄电池频繁充放电状态区间进行局部放大。为了使超级电容器工作在指定荷电状态下，蓄电池需要通过频繁切换充放电动作来补偿超级电容器的功率输出，容易导致超级电容器荷电状态在充放电阀值附近来回震荡，这对超级电容器和蓄电池的循环使用寿命都极为不利。附图6为打开滞回比较控制器时蓄电池充放电状态，对比可明显看出加入蓄电池滞回比较控制器后，蓄电池充放电转换次数明显减少，超级电容器荷电状态波动也明显降低，有利于储能装置的长期使用。

本实施例将超级电容器和蓄电池串级相连，使得混合储能系统的结构变得简单；蓄电池能量密度大，但受其寿命影响不能频繁改变充放电状态；而超级电容器作为功率型储能装置，具有功率密度大、循环寿命长且响应速度快的优点。将两者结合不仅可以发挥各自的优势，同时可以有效的避免蓄电池频繁充放电，延长其使用寿命，提高储能系统的整体经济性。本实施例取得的经济效益如下：

将储能系统释放的能量折合成售电收益，将未满足期望输出部分的能量折合为惩罚成本，同时考虑储能设备的固有成本，建立以这三部分综合净收益最大为优化目标的模型：

1)售电收益。

相对于未安装混合储能系统的风电系统，当风机输出功率大于并网功率时，混合储能系统可以储存一部分能量，待风机能量不足时释放。这部分储能所释放的能量是安装了混合储能系统后增加的风电场总发电量，将其折合成售电收益，计算公式如下：f₁＝n_e·∑E_hess，E_hess＞0，式中，f₁为系统售电收益；E_hess为储能所释放的能量，n_e为售电系数。

2)惩罚成本。

惩罚成本是指经过混合储能系统补偿作用后，系统输出功率仍未达到期望输出，这部分未满足的能量称为惩罚能量，其对应的经济成本称为惩罚成本，是对未达到期望输出所设定的惩罚。惩罚能量包括两部分：

一是当混合储能系统能量达到最大限值，多余的风电无法继续存储到混合储能系统内，需要弃风，此时损失的一部分能量；二是当混合储能系统能量达到最小限值，缺失的风电不能由混合储能系统得到补偿，无法满足期望输出，此时损失的一部分能量。惩罚成本计算公式如下：f₂＝n_l·∑E_loss，式中，f₂为系统惩罚成本；E_loss为储能所释放的能量，n_l为惩罚成本系数。

3)固有成本。

固有成本主要是指储能系统的安装成本，与混合储能系统的容量有关。为体现合理性，将固有成本折算为计算时间尺度内的平均费用，具体表达式如下：f₃＝k_ba(n_b,pPr_ba+n_b,wWr_ba)+k_sc(n_s,pPr_sc+n_s,wWr_sc)，式中，f₃为系统计算时间尺度内的固有成本；Pr_ba、Wr_ba、Pr_sc和Wr_sc分别为蓄电池和超级电容器的额定功率、额定容量；n_b,p、n_b,w、n_s,p和n_s,w分别为蓄电池和超级电容器的功率单价和容量单价；k_ba和k_sc分别表示蓄电池和超级电容器的折旧系数。

综上，混合储能系统优化模型目标函数为系统计算时间尺度内的净收益，即F₁-f₂-f₃，建立以储能装置功率、容量及荷电状态为约束条件的优化配置模型。

功率平衡约束：为使系统总输出功率满足并网要求，混合储能系统的输出功率应当等于并网功率与风电功率之间的差值。

功率约束和容量约束：为使蓄电池和超级电容器正常运行，需要保证其输出功率和能量不超过额定值。

荷电状态约束：电池和超级电容器的荷电状态都应当在合理的限定范围内，过充过放会降低储能的使用寿命。

综上分析，约束条件可表示为下标ba为蓄电池对应的参数，下标sc为超级电容器对应的参数，下标grid代表并网参数，下标grid代表风电参数，P代表功率，W代表能量，SOC代表荷电状态。

为了比较利用单一储能方式和本实施例方式的差别，采用给出的相同原始数据分别对两种方式进行分析计算，最终计算结果下表所示：

从上表数据可以看出，在风力发电系统需储能装置补偿相同功率的情况下，采用超级电容器的单一储能方式的收益为28673元，所需配置额定功率和额定容量分别为2.059MW和1.9393MWh。而采用由本实施例组成的混合储能系统的收益为29859元，收益比单一储能方式增加约4％。需配置的蓄电池额定功率和容量分别为1MW、1.3358MWh；超级电容器额定功率和容量分别为1.9106MW、0.9334MWh。本实施例的蓄电池很好的弥补超级电容器能量密度低的缺陷，大大降低了超级电容器所需的额定容量，降低了容量成本，增加了风力发电系统的总收益。

本实施例在限制管理模块内设置下限阈值和上限阈值，防止混合储能系统过充过放电。

本实施例在限制管理模块内设置两个充放电阈值：上限充放电阈值和下限充放电阈值，优化混合储能系统的充放电管理，延长混合储能系统的使用寿命。

本实施例在限制管理模块内设置多个数据获取单元和运算单元，快速简单地求得SOC值。

本实施例蓄电池在额定功率下充放电，以发挥其最优性能。

实施例2：

本实施例设置额定功率为10MW的风力发电机组，利用本发明的混合储能系统补偿功率波动。混合储能系统包括超级电容器、蓄电池、滞回比较控制器和限制管理模块，如附图1所示。其中超级电容器和蓄电池串级相连(级联)，滞回比较控制器分别与超级电容器、蓄电池相连，限制管理模块分别与超级电容器、蓄电池相连；混合储能系统根据基尔霍夫电流定律(KCL定律)并入电网，混合储能系统需要补偿的目标功率曲线如附图4所示。设置混合储能系统初始荷电状态为50％，以发挥其最优性能。

为了保证蓄电池处于优化的工作状态，本实施例设定蓄电池仅以额定功率充放电；滞回比较控制器利用超级电容器的剩余电量(荷电状态，记为SOCsc)来控制蓄电池的工作状态。SOCsc代表的是超级电容器当前剩余容量与其额定容量的比值，其取值范围为0-1。当SOCsc＝0时表示超级电容器放电完全，当SOCsc＝1时表示超级电容器完全充满。

设置由小到大、与超级电容器的剩余电量对应的第一阈值D_on、第二阈值D_off、第三阈值C_off和第四阈值C_on，滞回曲线如附图3所示，其中横坐标代表超级电容器的SOCsc值，纵坐标P_ba代表蓄电池的输出功率。

1)当SOCsc处于D_off与C_off之间时，此时超级电容器能正常补偿目标功率，设为正常工作状态，滞回比较控制器和蓄电池无需动作。

2)当SOCsc逐渐增加，其数值超过C_on时，蓄电池以额定功率从超级电容器吸收电能，以加强超级电容器的放电，改善其电量过多的情况。此时由于蓄电池的动作，超级电容器的电量逐渐减少，恢复到正常工作状态，为了防止SOCsc在C_on附近频繁波动导致蓄电池充放电状态频繁改变，设定SOCsc减小到C_off时，控制蓄电池停止吸收电能。

3)SOCsc电量逐渐减少，当其数值低于D_on时，蓄电池以额定功率为超级电容器提供能量，以加强超级电容器的充电，改善其电量过低的情况。此时由于蓄电池的动作，超级电容器的电量逐渐增加，恢复到正常工作状态，为了防止SOCsc在D_on附近频繁波动导致蓄电池充放电状态频繁改变，设定SOCsc增加到D_off时，控制蓄电池停止充电。

过充和过放电都会对混合储能系统造成很大的损害。为了保护混合储能系统，可以在储能电量较少时限制其放电，达到电量下限时不再放电；而在储能电量较多时限制其充电功率，达到电量上限时不再充电，设置防止过充过放保护参数BASC。BASC代表混合储能系统的剩余电量(超级电容器与蓄电池的剩余电量之和)。在限制管理模块内设置与超级电容器和蓄电池的剩余电量之和对应的下限阈值BASC_min和上限阈值BASC_max。限制管理模块在BASC小于BASC_min时闭锁超级电容器对输出电网的放电，并控制超级电容器通过所述混合储能系统外部的风力发电网进行充电。限制管理模块在BASC大于BASC_max时闭锁超级电容器的充电，并控制超级电容器进行放电。

为了进一步优化混合储能系统的充放电管理，限制管理模块在BASC_min和BASC_max之间设有2个充放电阈值，设为下限充放电阈值BASC_low和上限充放电阈值BASC_up。

1)限制管理模块在BASC大于BASC_min且小于BASC_low时，控制超级电容器放电强度为额定放电强度的0.618倍，同时控制充电强度为额定充电强度。

2)限制管理模块在BASC大于BASC_low且小于BASC_up上限充放电阈值时，控制超级电容器放电强度为额定放电强度、控制充电强度为额定充电强度。

3)限制管理模块在BASC大于BASC_up且小于BASC_max时，控制超级电容器充电强度为额定充电强度的0.618倍，同时控制放电强度为额定放电强度。

为了得到BASC的值，限制管理模块设有额定容量单元、当前剩余容量单元、加法单元和反相单元。额定容量单元分别与所述超级电容器和蓄电池相连，获得超级电容器和蓄电池的额定容量之和；当前剩余容量单元分别与超级电容器和蓄电池相连，获得超级电容器和蓄电池的当前剩余容量之和；反相单元与当前剩余容量单元相连，获得当前剩余容量之和的相反数；加法单元将额定容量单元与反相单元相连，获得额定容量之和与当前剩余容量之和的差值，作为BASC的值。

本发明提供一种解决复杂结构问题、优化储能系统工作状态的风力发电储能系统，有效避免蓄电池频繁充放电，延长使用寿命，降低超级电容器的荷电状态波动，提高混合储能系统的整体经济性，优化储能系统工作状态。本发明适用于风力发电系统的研发设计、运行控制、电能计量与费用管理等环节，具有结构简单、稳定性好与环保可再生的特点，有着较高的产学研价值。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。