改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法
【专利摘要】本发明涉及一种改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法,其特点是：随着风电渗透率显著增加，集群风电并网对电力系统电能质量尤其是电压质量带来严重影响。飞轮储能具有有功和无功独立调节能力，本发明设计了应用于改善电网电能质量场景下飞轮储能系统的能量管理优化模型，该模型以双层决策模型为基础，以改善用电质量为前提，上层利用模糊算法通过储能装置状态和风电功率波动量求解出储能装置的充放电功率，下层根据飞轮储能系统的数学模型设计了能量管理系统下层控制方案。利用该模型可以使风电?储能通过合作运行提高储能装置的利用效率，提升风电并网电能质量。具体方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。
【专利说明】
改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力技术领域，是一种改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系 统的设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着风电装机快速增长，我国已形成八个千万千瓦级风电基地，风电功率的强波 动性和不确定性，使得大规模风电汇集区域呈现高风电渗透、局部电网薄弱的典型的特征。 高渗透率风电接入情况下，风电功率的变化进一步导致电网电压的激增或者骤降，必然会 引起一系列的电压质量问题，甚至有可能超出国家有关标准。因此，保证风电并网电压质 量，增强风电功率的电网友好性，提高风电的接纳规模，是保障风电可持续、大规模发展亟 需解决的问题。
[0003] 传统发电端的调节手段难以完全满足电网动态支撑的要求，储能系统具备快速的 功率响应能力，能够实现功率的双向调节。利用储能装置对并网风电功率进行调控，能够获 得相对更好的功率特性和经济性，储能技术的应用为提高风电并网电能质量提供了一条有 效途径。飞轮储能相对于其他储能方式而言，具有无污染、长寿命、效率高、易于安装与维护 等优点，近年来在电力系统领域得到广泛研究和应用。
[0004] 飞轮储能(Flywheel Energy Storage System，FESS)在电力系统中发挥的作用主 要有削峰填谷、备用电源、提高电网的消纳能力以及提高电能质量，其中飞轮储能系统的能 量管理系统设计是充分利用储能装置能力的关键一环。
【发明内容】
[0005] 为了充分发掘利用飞轮储能在解决改善高风电渗透下电网电能质量的能力，本发 明的目的是，提供一种改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法，充分 利用了飞轮储能在改善电网电能质量方面的能力，并且避免了飞轮储能频繁充放电的问 题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的一种改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系 统的设计方法，其特征在于:它包括以下内容：
[0007] 1)飞轮储能能量管理系统的结构设计
[0008] 飞轮储能能量管理系统以储能系统的状态为约束，通过平抑风电功率波动改善电 网电能质量为目标计算储能装置的充放电功率参考值，储能系统在接到调控指令后，联网 运行改善电网电能质量；
[0009] 其中，对于飞轮储能系统的约束条件为：
[0010]
\* MERGEF0RMAT (1)
[0011] 其中Pfess为飞轮储能系统的充放电功率;PFESSrate(^飞轮储能系统的额定功率；Ω 为飞轮的转速；Qrated为飞轮的额定转速；
[0012] 其中风电功率波动量Δ Pwg，
[0013] APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEF0RMAT(2)
[0014] 其中P(t)是t时刻的风电功率，P(t-l)是t-1时刻的风电功率；
[0015] 2)飞轮储能能量管理系统上层控制方案
[0016]通过监测系统功率变化信号和飞轮的转速，采用模糊推理的法确定飞轮储能系统 的输出功率的参考值，其中模糊逻辑推理控制器的输入为风电功率变化量和飞轮的转速， 输出为飞轮储能系统输出功率参考值PrefFESS，取值范围为-1~Ipil，放电为正，充电为负；
[0017] 其中，逻辑推理结果决定了飞轮储能系统充放电的功率输出指令，不同的模糊逻 辑推理规则会导致不同的储能控制效果，其基本的推理规则：当系统波动偏差较大且为正 值时，或者是飞轮转速较低时，尽可能使储能处于充电状态；当系统波动偏差较大且为负值 时，或者是飞轮转速较高时，尽可能使储能处于放电状态；当系统波动偏差较低时，或者是 飞轮转速适中时，储能装置处于保持状态；
[0018] 3)飞轮储能能量管理系统下层控制方案
[0019] 结合风-储联合系统的结构，飞轮储能系统的控制分为电网侧变流器控制和电机 侧变流器控制两部分，在预充电、预并网阶段，电网侧变流器均采用不控整流方式；电机侧 变流器在充电阶段采用速度外环控制方式，在预并网阶段采用电压外环控制方式，在并网 运行阶段，电网侧变流器控制采用基于电网侧电流外环、变流器侧电流内环的直接功率控 制，控制储能系统与电网间的有功功率交换；电机侧变流器控制采用直流母线电压外环、电 流内环的双闭环控制，控制直流母线电压。
【附图说明】
[0020] 本发明的改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法，按本发明 的设计方法设计的应用于改善电网电能质量场景下飞轮储能系统的能量管理优化模型，该 模型以双层决策模型为基础，以改善用电质量为前提，上层利用模糊算法通过储能装置状 态和风电功率波动量求解出储能装置的充放电功率，下层根据飞轮储能系统的数学模型设 计了能量管理系统下层控制方案。利用该模型可以使风电-储能通过合作运行提高储能装 置的利用效率，提升风电并网电能质量，并且避免了飞轮储能频繁充放电的问题，具体方法 科学合理，适用性强，效果佳等优点。
[0021 ]图1飞轮储能系统能量管理系统示意图；
[0022]图2飞轮储能系统控制流程图；
[0023]图2飞轮储能系统能量管理系统示意图；
[0024]图3模糊推理原理图；
[0025]图4模糊推理结果示意图；
[0026] 图5风-储能系统联合运行主电路图；
[0027] 图6飞轮储能系统联网运行控制示意图；
[0028]图7风电功率曲线示意图；
[0029]图8风电功率波动量曲线示意图；
[0030]图9飞轮储能系统输出功率参考值PrefFESS曲线示意图；
[0031 ]图10飞轮储能系统转速曲线示意图；
[0032] 图IlPCC处电压变化曲线示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面利用附图和实施例对本发明的一种改善风电并网电能质量的飞轮储能能量 管理系统的设计方法作进一步说明。
[0034]本发明的改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法，飞轮能量 管理系统的模型以双层决策模型为基础，上层是利用模糊算法通过储能装置状态和风电功 率波动量求解出储能装置的充放电功率，下层是根据飞轮储能系统的数学模型设计能量管 理系统下层控制方案，具体包括以下内容：
[0035] 1)飞轮储能能量管理系统的结构
[0036]能量管理系统总体结构如附图1所示，飞轮储能能量管理系统以储能系统的状态 为约束，通过平抑风电功率波动改善电网电能质量为目标计算储能装置的充放电功率参考 值。储能系统在接到调控指令后，联网运行改善电网电能质量。具体控制流程如图2所示。
[0037] 其中对于飞轮储能系统的约束条件为：
[0038]
\* MERGEF0RMT (1)
[0039] 其中Pfess为飞轮其中储能系统的充放电功率;PFESSrated为飞轮储能系统的额定功 率；Ω为飞轮的转速；Q rated为飞轮的额定转速。
[0040] 其中风电功率波动量APwg，
[0041] APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEF0RMAT(2)
[0042] 其中:P(t)是t时刻的风电功率，P(t-l)是t-1时刻的风电功率。
[0043] 2)飞轮储能能量管理系统上层控制方案
[0044] 通过监测系统功率变化信号和飞轮的转速，采用如图3所示的模糊推理的方法确 定飞轮储能系统的输出功率的参考值。其中模糊逻辑推理控制器的输入为风电功率变化量 和飞轮的转速，输出为飞轮储能系统的输出参考值PreFESS，取值范围为:-I~Ipil，放电为正， 充电为负。
[0045] 其中逻辑推理结果决定了飞轮储能系统充放电的功率输出指令，不同的模糊逻辑 推理规则会导致不同的储能控制效果。其基本的推理规则：当系统波动偏差较大且为正值 时，或者是飞轮转速较低时，尽可能使储能处于充电状态；当系统波动偏差较大且为负值 时，或者是飞轮转速较高时，尽可能使储能处于放电状态；当系统波动偏差较低时，或者是 飞轮转速适中时，储能装置处于保持状态。其推理结果如附图4所示。
[0046] 3)飞轮储能能量管理系统下层控制方案
[0047] 结合风-储联合系统的结构，如附图5,飞轮储能系统的控制分为电网侧变流器控 制和电机侧变流器控制两部分。在预充电、预并网阶段，电网侧变流器均采用不控整流方 式；电机侧变流器在充电阶段采用速度外环控制方式，在预并网阶段采用电压外环控制方 式。在并网运行阶段，电网侧变流器控制采用基于电网侧电流外环、变流器侧电流内环的直 接功率控制策略，控制储能系统与电网间的有功功率交换；电机侧变流器控制采用直流母 线电压外环、电流内环的双闭环控制策略，控制直流母线电压。如附图6所示。
[0048] 本实例采用如附图5的风-储联合系统单机无穷大模型，结合东北某风场实际风电 场功率，通过模糊算法对风电功率波动量和飞轮储能转速状态进行处理作为飞轮储能系统 运行输出的目标功率的场景下，验证飞轮储能能量管理系统的有效性以及飞轮储能在改善 风电系统电能质量的作用。
[0049] 实施例计算条件说明如下：
[0050] (1)风电场由6台2MW双馈感应风力机组组成;数据采样时间间隔Ts = Is;其输出功 率如图7所示；
[0051] (2)飞轮储能系统采用的是永磁同步电机，设定飞轮储能的额定功率为2MW;飞轮 储能系统初始转速为4000r/min。
[0052] 在上述计算条件下，应用本发明方法对提高风电电能质量的飞轮储能能量管理系 统运行优化控制的相关计算结果如下：
[0053] 1.求解风电功率的波动量
[0054]根据实际风电场数据和式（1)计算得到风电功率波动曲线如图8所示。图8表明，风 电功率的波动情况，在采样间隔内，波动量在-174~270kW间剧烈
[0055] 2.计算飞轮储能系统的输出功率参考值
[0056] 根据图4、图5,按照上述计算条件，可计算出飞轮储能系统在运行周期内随风电功 率波动量变化输出功率的参考值，其具体值如图9所示。
[0057] 3.飞轮储能系统飞轮转速Ω的确定
[0058] 由飞轮储能系统的工作原理，根据式(3)、式(4)计算可知，飞轮储能系统飞轮转速 具体数值如图10所示。
[0059] 4.飞轮储能系统在采样周期内完成完整的充放电过程时的运行状态
[0060] 由图2飞轮储能系统充放电循环过程可以看出：飞轮储能能量管理系统通过采集 风电功率的波动量以及飞轮转速状态，飞轮储能系统在充电状态、放电状态和维持状态之 间交替变化。
[0061] 由图9和图10可知：图9是飞轮充放电功率其中正值为放电，负值为充电，图10是飞 轮的转速。图9、图10表明FESS在接到调控制定功率后的充、放电情况，且与图8对照容易看 出：当风电电功率波动为正值时，飞轮充电，转速升高，当风电电功率波动为负值时，飞轮放 电，转速降低，且飞轮转速始终维持在限定范围内。通过飞轮储能系统在循环充放电过程中 运行的仿真分析仿真，验证了飞轮储能能量管理系统的上层控制策略，通过能量管理系统 采集的波动量以及飞轮转速的信号，能很好地控制飞轮储能的充放电状态。
[0062] 5.飞轮储能联网运行前后的PCC电压变化确定
[0063] 根据图11可知：没有接入FESS时，PCC电压随风电功率波动而发生波动，28 %时间 段电压范围低于〇.95pu，不满足电压质量的要求;在接入FESS，由于在一定有功的波动得到 抑制，PCC处电压波动相对变小，但仍有一定程度的波动，但电压低于0.95pu的概率减小为 14%，从而很大程度地改善了风电系统的电压稳定性。
[0064]本发明实施例中的计算条件、图例、表等仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷 举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示， 不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。
【主权项】
1. 一种改善风电并网电能质量的飞轮储能能量管理系统的设计方法，其特征在于：它 包括以下内容： 1) 飞轮储能能量管理系统的结构设计 飞轮储能能量管理系统以储能系统的状态为约束，通过平抑风电功率波动改善电网电 能质量为目标计算储能装置的充放电功率参考值，储能系统在接到调控指令后，联网运行 改善电网电能质量， 其中，对于飞轮储能系统的约束条件为： y\PPESs\-PFESSrated \* MERGEFORMT (1) (0<Ω<Ω_Ι? 其中Pfess为飞轮储能系统的充放电功率;PFESSrated为飞轮储能系统的额定功率；Ω为飞 轮的转速；Qrated为飞轮的转速； 其中风电功率波动量A Pwg， APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEFORMAT (2) 其中P(t)是t时刻的风电功率，P(t_l)是t_l时刻的风电功率； 2) 飞轮储能能量管理系统上层控制方案 通过监测系统功率变化信号和飞轮的转速，采用模糊推理的方法确定飞轮储能系统的 输出功率的参考值，其中模糊逻辑推理控制器的输入为风电功率变化量和飞轮的转速，输 出为飞轮储能系统输出功率参考值PrefFESS，取值范围为-1~lpU，放电为正，充电为负； 其中，逻辑推理结果决定了飞轮储能系统充放电的功率输出指令，不同的模糊逻辑推 理规则会导致不同的储能控制效果，其基本的推理规则：当系统波动偏差较大且为正值时， 或者是飞轮转速较低时，尽可能使储能处于充电状态；当系统波动偏差较大且为负值时，或 者是飞轮转速较高时，尽可能使储能处于放电状态；当系统波动偏差较低时，或者是飞轮转 速适中时，储能装置处于保持状态； 3) 飞轮储能能量管理系统下层控制方案 结合风-储联合系统的结构，飞轮储能系统的控制分为电网侧变流器控制和电机侧变 流器控制两部分，在预充电、预并网阶段，电网侧变流器均采用不控整流方式；电机侧变流 器在充电阶段采用速度外环控制方式，在预并网阶段采用电压外环控制方式，在并网运行 阶段，电网侧变流器控制采用基于电网侧电流外环、变流器侧电流内环的直接功率控制，控 制储能系统与电网间的有功功率交换；电机侧变流器控制采用直流母线电压外环、电流内 环的双闭环控制，控制直流母线电压。
【文档编号】H02J3/30GK106067679SQ201610511810
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月3日 公开号201610511810.2, CN 106067679 A, CN 106067679A, CN 201610511810, CN-A-106067679, CN106067679 A, CN106067679A, CN201610511810, CN201610511810.2
【发明人】李军徽, 毕江林, 穆钢, 严干贵
【申请人】东北电力大学