专利名称：锂电池储能的风电场功率平滑控制方法及装置和工作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于解决风电场功率输出波动和负荷需求的控制方法、装置和装置的工作方法，依据风电功率单位小时预测结果和负荷功率需求构造了动态参考有功电流，通过对电池储能系统有功电流的跟踪控制，最终实现风电场输出功率平滑控制目标的同时还能响应系统的功率平衡需求，属于改善风电场电能质量领域。
背景技术：
风电场并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但风电场输出功率取决于风速，具有随机性和不可控性。随着高比例的风电机组接入电网，风电功率的波动更为明显， 并且系统电力供应与负荷需求的矛盾更为突出，系统调峰和反调峰需求也在增加，这些必然会给电力系统的调度运行带来严峻考验。为了缓解电力系统的调峰、调频压力，提高风能利用率和风电场的经济效益，我国已经开发并安装了风电功率预测系统，目前各种时间尺度的预测均方根误差大约在20%左右。利用储能系统对风电场输出功率进行控制已成为近年来的研究热点。电池储能系统具有设置灵活、控制方便等特点，既可以实现风电的功率平滑控制，又能在一定程度上参与系统调峰任务。发明内容
本发明的目的是针对上述背景提出一种锂电池储能的风电场功率平滑控制方法， 平滑风电场输出功率波动同时还能响应系统的功率平衡需求。
本发明的技术方案是，首先从某风场单位小时功率预测结果出发，对风电场输出的有功功率和系统负荷需求进行分析，提出对锂电池的运行状况进行控制的指令，以达到平滑风场的功率波动同时并能满足系统功率平衡需求的目的；其次，采用PWM控制技术控制由全控型功率开关器件IGBT(IGBT为全控型功率开关器件，是组成变流器结构的基本单元，AC/DC中，6个IGBT组成的三相桥式逆变电路，DC/DC中，2个IGBT组成双向斩波电路) 组成的AC/DC变流器以及双向斩波电路，从而实现了锂电池与系统之间的功率交换。
为了实现上述目的，本发明首先提供一种锂电池储能的风电场功率平滑控制方法，其特征在于，包括如下步骤
步骤A、统计待研究风电场单位小时的功率波动率，结合地区电网的调度要求，设定功率波动率0的值；
步骤B、在第一预测周期0 ti内，利用风功率预测系统根据前一时段的实际功率和功率预测值对第一预测周期0 h进行功率预测得到该预测周期的功率预测值Ptl， 根据功率波动率 3 的定义 3 = (Ptlmax-Ptlmin)/Pu，得到 Pti = 0. 5 (Ptl—+Ptlniin)，则 Ptlmax = (1+0. 5 0 )Ptl,Ptlmin= (1-0. 5P)Ptl，根据步骤A对P值的设定，计算出功率波动平滑上、下限 Ptlmax 和 Ptlmin ;
步骤C、采集风电场输出的有功功率Pg、锂电池的荷电状态SOC以及负荷需求P，设定SOC最大允许值SOCmax和最小允许值SOCmin ；CN 102545250 A
步骤D、对采集到的数据进行分析，对P、Pg和SOC的大小进行判定，并通过判定的结果决定锂电池的运行状态，具体方法是
I)当P彡Pshave时，其中，Pshave为系统发电功率和风力发电功率之和的参考值，系统满足负荷需求，系统处于平滑控制策略，当Ptlnlin ^ Pg ^ Ptlnlax，锂电池储能系统停止运行， 锂电池充放电停止；当Pg > Ptlmax，且SOC彡SOCmax，锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当Pg > Ptlmax，且SOC < SOCmax，锂电池储能系统投入运行，锂电池充电，直到SOC = SOCmax,锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当Pg < Ptlmin,且SOC ( SOCmin,锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当Pg < Ptlmin,且SOC > SOCmin,锂电池储能系统投入运行，锂电池放电，直到SOC = SOCmin，锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；
2)当P > Pshave时，系统满足不了负荷需求，系统处于调峰控制策略，锂电池参与系统调峰，将系统需要调峰量P-Pshave与原风电场功率预测值相加形成新的平滑限定参考值， 即P' ^ Ptl+P-Pshave ^ U■，式中P' Umax和P ' Umin分别为电池参与调峰情况下，功率波动平滑控制的上、下限，在此新的平滑限定条件下，锂电池的运行过程如前述I)所示；
步骤F、在下一预测周期内，重复步骤B F。
本发明还提供了锂电池储能的风电场功率平滑控制装置及其工作方法，所述装置包括
数据采集器，用于采集风电场输出的有功功率Pg、锂电池的荷电状态SOC以及负荷需求P，并将P输出给数据分析器B作为判断电池是否投入调峰控制策略用，Pg输出给风功率预测系统作为功率预测参考值，Pg、SOC输出给数据分析器A作为判断电池是否投入平滑控制策略用；
数据分析器A，根据风功率预测系统提供的预测周期内的功率预测值Pt和设定的功率波动0计算在预测周期内功率波动平滑控制的上、下限Ptmax和Ptmin，结合输入的S0C、 &进行分析，根据分析结果产生充放电选择信号并输出到控制模块A、B的充放电选择单元， 产生断路控制信号并输出到断路器，对锂电池的运行状态进行控制；
数据分析器B，根据系统发电功率和风力发电功率之和的参考值Pshave，对输入的 P进行分析，根据分析结果产生平滑调峰选择信号并输出到控制模块A的平滑调峰选择单元，对钾电池的运行状态进行控制；
控制模块A，结合输入的充放电选择信号和平滑调峰选择信号，进行直接电流跟踪控制，产生PWM控制信号作为控制变流器结构中的6个IGBT开关信号，从而控制AC/DC变流器的运行状态；
控制模块B,根据输入的充放电选择信号,产生决定DC/DC双向斩波电路工作模式的控制信号。
本发明提出的锂电池储能的风电场功率平滑控制方法及装置和工作方法，依据待测风电场功率单位小时预测结果和负荷功率需求构造动态参考有功电流，通过对电池储能系统有功电流的跟踪控制，可实现风电场输出功率平滑控制目标的同时还能响应系统的功率平衡需求，当在调峰区间以外，电池投入平滑控制策略，使风电场平滑稳定输出；当负荷需要调峰时，电池马上投入负荷调峰控制策略，同时在时段内电池系统检测到负荷尖峰，同时投入平滑控制策略，使风电场在调峰时段内既达到负荷需求，又能使风电场平滑输出。
图I为基于锂电池储能的风电场功率平滑控制装置的结构框图2为控制模块A的控制结构图3为DC/DC双向斩波电路的结构图4为控制模块B的控制结构图5为基于风电功率预测参考的锂电池储能系统充放电控制流程图6为风功率预测系统说明图7为基于锂电池储能的风电场进行平滑控制后的有功功率输出示意图8为待研究地日负荷需求及调峰需求曲线；
图9为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统在平滑控制时的风电场有功功率输出的仿真结果图10为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统在调峰与平滑统一控制时的风电场有功功率输出的仿真结果图11为应用软件PSCAD构建的本发明控制系统的风电场配置锂电池储能系统的平滑(20%的平滑度)和调峰控制策略下的有功功率输出的放大图。
图中标号1、数据采集器；2、风功率预测系统；3、数据分析器A ;4、数据分析器B ; 5、控制模块A ;6、控制模块B ;7、锂电池；8、DC/DC双向斩波电路；9、AC/DC变流器；10、坐标变换；11、断路器；12、风电场；13、电网；14、充放电选择单元；15、平滑调峰选择单元；16、 除法器；17、加法器；18、减法器；19、PI调节器；20、PWM控制信号；21、二极管；22、可关断元件IGBT ;23、比较器；24、双向斩波电路工作模式控制信号。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述
如图I所示，本发明基于锂电池储能的风电场功率平滑控制装置包括
数据采集器，用于采集风电场输出的有功功率Pg、锂电池的荷电状态SOC以及负荷需求P，并将P输出给数据分析器B作为判断电池是否投入调峰控制策略用，Pg输出给风功率预测系统作为功率预测参考值，Pg、SOC输出给数据分析器A作为判断电池是否投入平滑控制策略用；
数据分析器A，根据风功率预测系统提供的预测周期内的功率预测值Pt和设定的功率波动率P计算在预测周期内功率波动平滑控制的上、下限Ptmax和Ptmin，结合输入的 30(、&进行分析，根据分析结果产生充放电选择信号并输出到控制模块A、B的充放电选择单元，产生断路控制信号并输出到断路器，对锂电池的运行状态进行控制；
数据分析器B，根据系统发电功率和风力发电功率之和的参考值Pshave，对输入的 P进行分析，根据分析结果产生平滑调峰选择信号并输出到控制模块A的平滑调峰选择单元，对锂电池的运行状态进行控制；
控制模块A，结合输入的充放电选择信号和平滑调峰选择信号，进行直接电流跟踪控制，产生PWM控制信号作为控制变流器结构中的6个IGBT开关信号，从而控制AC/DC变流器的运行状态；
控制模块B,根据输入的充放电选择信号,产生决定DC/DC双向斩波电路工作模式的控制信号。
结合图I、图2、图3，数据分析器A分析及控制过程如下当Pg > Ptfflax,且SOC < SOCmax时，风电场12发出的功率过多，需要将多余的功率储存起来，数据分析器A输出充电选择信号给控制模块A、B的充放电选择单元14，锂电池7充电，直到SOC = SOCmax，锂电池7处于充满状态，数据分析器A输出断路控制信号控制断路器11断开，锂电池7充电停止；当Pg < Ptlmin，且SOC > SOCmin时，风电场12发出的功率不足，需要填补这部分的功率， 数据分析器A输出放电选择信号给控制模块A、B的充放电选择单兀14,锂电池7放电,直到SOC = SOCmin，锂电池7处于最大放电深度状态，数据分析器A输出断路控制信号控制断路器11断开，锂电池7放电停止；当Ptmin ^ Pg ^ Ptfflax时，数据分析器A输出断路控制信号控制断路器11断开，锂电池7充放电停止；其中，SOC = Qt/Qb，Qt为电池的剩余容量，Qb为电池标称容量，SOCmax和SOCmin为设定的SOC的最大、最小允许值，基于电池寿命考虑，选取 SOCmax = 90%, SOCmin = 10%。
结合图I、图2、图3，数据分析器B分析及控制过程是当P > Pshave时，系统满足不了负荷需求，数据分析器B输出调峰控制信号给控制模块A的平滑调峰选择单元15，电池投入调峰控制；当P < Pshave时，系统满足负荷需求，数据分析器B输出平滑控制信号给控制模块A的平滑调峰选择单元15，继续进行平滑控制。
上述充放电选择单元和平滑调峰选择单元采用可控开关元件实现。
锂电池储能系统中的AC/DC变流器9采用直接电流控制，将交流侧的三相电压、电流通过坐标变换10转换为DQ两相，即Usd和IV id和，其中，Usq为交流侧三相电压通过坐标变换得到的D轴电压，Usq为交流侧三相电压通过坐标变换得到的Q轴电压，id为控制有功电流，与有功功率Pi成正比并有Pi = I. 5usdid, i,为控制无功电流，与无功功率Qi成正比并有Qi = -I. 5usdiQO整个平滑控制过程依据风电场单位小时功率预测结果和负荷功率需求构造电池储能系统有功电流id的有功动态参考电流idMf，通过对id的跟踪控制，实现风电场输出功率平滑控制目标的同时，响应系统的功率平衡需求，当锂电池需要充电时， 以itof = (Pg-Ptlmax)/I- 5usd作为id的参考值,式中Usd为交流侧三相电压通过坐标变换得到的D轴电压；当锂电池需要放电时，以idMf = (Ptlmin-Pg)/I. 5usd作为id的参考值；当系统需要调峰时，电池投入调峰控制，并形成id新的参考电流i' dref = itof+(P-PshaJ/Us，式中 Us为电池端电压，再进行变流器控制得到PWM开关信号20。如图2所示，有功动态参考电流 idMf采用直接电流控制跟踪负反馈量有功电流id，再通过PI (比例积分)控制器19处理后取反，加上耦合电压《 Liq、电网D轴电压Usd，得到输入AC/DC变流器D轴控制电压U^1 ;无功动态参考电流i_f采用直接电流控制跟踪负反馈量无功电流i,，两者通过减法器相减， 再通过PI控制器19处理后取反，加上耦合电压- Lid、电网Q轴电压usq，得到输入AC/DC 变流器Q轴控制电压其中，《为电网电压角频率，L为变流器输出端电感，id为交流侧三相电流通过坐标变换得到的D轴电流，即为控制有功电流，i,为交流侧三相电流通过坐标变换得到的Q轴电流，即为控制无功电流。再将得到的uri、u 经过坐标变换分别得到三相电压uM、urb, urc,再将ura、urb, Urc分别与幅值为土 I的三角波进行比较得到PWM脉冲信号， 再利用该信号控制变流器的开关器件IGBT。当锂电池7需要充电时，控制模块A中的充放电选择单元14在数据分析器A输出的充电选择信号控制下工作于充电状态，锂电池吸收功率为Pg-P一 ；当锂电池7需要放电时，控制模块A中的充放电选择单元14在数据分析器A输出的放电选择信号控制下工作于放电状态，锂电池发出功率为pg-ptmin。如图4所示，控制模块B采用电压外环与电流内环的双闭环控制。当锂电池7需 要充电时，电源两端参考电压Usref跟踪控制负反馈量电源端电压Us,再通过PI控制器与电 池输出电流Is相减，经过PI控制器，并与幅值为士 1的三角波进行比较得到双向斩波电路 工作模式控制信号，即开关Sl导通、开关S2关断，此时DC/DC双向斩波电路8工作于降压 模式；当锂电池7需要放电时，直流侧参考电压Udcref跟踪控制负反馈量电源端电压Ud。，再 通过PI控制器与电池输出电流Is相减，经过PI控制器，并与幅值为士 1的三角波进行比 较得到双向斩波电路工作模式控制信号，即开关S2导通、开关Sl关断，此时DC/DC双向斩 波电路8工作于升压模式。下面结合图5和具体实施例对本发明基于锂电池储能的风电场功率平滑控制方 法进行详细说明步骤A、统计待研究风电场单位小时的功率波动率，结合地区电网的调度要求，设 定功率波动率0的值；如果把风电场看作为负的负荷，根据地区电网的调度要求，短期负荷预测的准确
率A1要满足
权利要求
1.一种锂电池储能的风电场功率平滑控制方法，其特征在于，包括如下步骤步骤A、统计待研究风电场单位小时的功率波动率，结合地区电网的调度要求，设定功率波动率3的值；步骤B、在第一预测周期内，利用风功率预测系统根据前一时段的实际功率和功率预测值对第一预测周期O-I1进行功率预测得到该预测周期的功率预测值Pfl，根据功率波动率#的定义#=d-ik， 得到=则= (1 ,根据步骤A对卢值的设定，计算出功率波动平滑上、下限％ 和U ;步骤C、采集风电场输出的有功功率4、锂电池的荷电状态SOC以及负荷需求八设定最大允许值^^ 和最小允许值^Cnfc ；步骤D、对采集到的数据进行分析，对八&和SOC的大小进行判定，并通过判定的结果决定锂电池的运行状态，具体方法是1)当■时，其中为系统发电功率和风力发电功率之和的参考倌，系统满足负荷需求，系统处于平滑控制策略，当■，锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当且锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当■，且SOCcSOQhi,锂电池储能系统投入运行，锂电池充电，直到- = SOqwt,锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当4<1,且 SOC<SOC—’锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；当4KSOC，锂电池储能系统投入运行，锂电池放电，直到^oc=Soqlil,锂电池储能系统停止运行，锂电池充放电停止；2)当时，系统满足不了负荷需求，系统处于调峰控制策略，锂电池参与系统调峰，将系统需要调峰量U与原风电场功率预测值相加形成新的平滑限定参考值，即1<44夂-，式中巧_和I分别为电池参与调峰情况下，功率波动平滑控制的上、下限，在此新的平滑限定条件下，锂电池的运行过程如前述I)所示；步骤F、在下一预测周期内，重复步骤B卞。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法依据风电场单位小时功率预测结果和负荷功率需求构造电池储能系统有功电流&的有功动态参考电流W，通过对U的跟踪控制，实现风电场输出功率平滑控制目标的同时，响应系统的功率平衡需求，当锂电池需要充电时，以作为&的参考值，式中ay为交流侧三相电压通过坐标变换得到的D轴电压；当锂电池需要放电时，以W=^作为Ilf的参考值；当系统需要调峰时，电池投入调峰控制，并形成b新的参考电流+俨-‘)/仏，式中A 为电池端电压，再进行变流器控制得到PWM开关信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电池储能系统中的AC/DC变流器采用直接电流控制，将交流侧的三相电压、电流通过坐标变换转换为DQ两相，即Bar和，其中为交流侧三相电压通过坐标变换得到的D轴电压为交流侧三相电压通过坐标变换得到的Q轴电圧， 力交流侧三相电流通过坐标变换得到的D轴电流，即为控制有功电流，与有功功率巧成正比并有;*V为交流侧三相电流通过坐标变换得到的Q轴电流，即为控制无功电流，与无功功率这成正比并有
4.根据权利要求f3任一所述的方法，其特征在于，电池储能系统中AC/DC变流器的运行状态采用PWM控制技术控制，当锂电池需要充电时，AC/DC变流器工作于充电状态；当锂电池需要放电时，AC/DC变流器工作于放电状态。
5.根据权利要求f3任一所述的方法，其特征在于，电池储能系统中DC/DC双向斩波电路的运行状态采用PWM控制技术控制，当锂电池需要充电时，DC/DC双向斩波电路工作于降压模式；当锂电池需要放电时，DC/DC双向斩波电路工作于升压模式。
6.一种锂电池储能的风电场功率平滑控制装置，其特征在于包括数据采集器，用于采集风电场输出的有功功率4、锂电池的荷电状态以及负荷需求 P，并将/7输出给数据分析器B作为判断电池是否投入调峰控制策略用，怂输出给风功率预测系统作为功率预测参考值，输出给数据分析器A作为判断电池是否投入平滑控制策略用；数据分析器A，根据风功率预测系统提供的预测周期内的功率预测值1^和设定的功率波动率艮计算在预测周期内功率波动平滑控制的上、下限1和沪_，结合输入的5 二 & 进行分析，根据分析结果产生充放电选择信号并输出到控制模块A、B的充放电选择单元， 产生断路控制信号并输出到断路器，对锂电池的运行状态进行控制；数据分析器B，根据系统发电功率和风力发电功率之和的参考值Pito，对输入的P进行分析，根据分析结果产生平滑调峰选择信号并输出到控制模块A的肀滑调峰选择单元，对锂电池的运行状态进行控制；控制模块A，结合输入的充放电选择信号和平滑调峰选择信号，进行直接电流跟踪控制，产生PWM控制信号作为控制AC/DC变流器结构中的6个IGBT开关信号，从而控制AC/DC 变流器的运行状态；控制模块B，根据输入的充放电选择信号，产生决定DC/DC双向斩波电路工作模式的控制信号。
7.权利要求6所述装置的工作方法，其特征在于，当巧>&丨，且时， 数据分析器A输出充电选择信号给控制模块A、B的充放电选择单兀,锂电池充电,直到 SOC:SOCa^数据分析器A输出断路控制信号控制断路器断开，锂电池充放电停止；当 &<1，且5^>5!0^时，数据分析器A输出放电选择信号给控制模块A、B的充放电选择单元，锂电池放电，直到SOC = SOCUi，数据分析器A输出断路控制信号控制断路器断开， 锂电池充放电停止；当SjU吋，数据分析器A输出断路控制信号控制断路器断开，锂电池充放电停止;其中30^ 和50^为设定的SOC的最大、最小允许值。
8.权利要求6所述装置的工作方法，其特征在于，当时，系统满足不了负荷需求，数据分析器B输出调峰控制信号给控制模块A的平滑调峰控制单元，电池投入调峰控制；当 时，系统满足负荷需求，数据分析器B输出平滑控制信号给控制模块A的平滑调峰控制单元，继续进行平滑控制。
9.权利要求6所述装置的工作方法，其特征在于，当锂电池需要充电时，AC/DC变流器工作于充电状态；当锂电池需要放电时，AC/DC变流器工作于放电状态。
10.权利要求6所述装置的工作方法，其特征在于，控制模块B采用电压外环与电流内环的双闭环控制结构，当锂电池需要充电时，控制模块B产生开关SI导通、开关S2关断的控制信号，DC/DC双向斩波电路工作于降压模式；当锂电池需要放电时，控制模块B产生开关S2导通、开关SI关断的控制信号，DC/DC双向斩波电路工作于升压模式。
全文摘要
本发明公开一种锂电池储能的风电场功率平滑控制方法及装置和工作方法，属于改善风电场电能质量领域，依据待测风电场功率单位小时预测结果和负荷功率需求构造动态参考有功电流，通过对电池储能系统有功电流的跟踪控制，可实现风电场输出功率平滑控制目标的同时还能响应系统的功率平衡需求，当在调峰区间以外，电池投入平滑控制策略，使风电场平滑稳定输出；当负荷需要调峰时，电池马上投入负荷调峰控制策略，同时在时段内电池系统检测到负荷尖峰，同时投入平滑控制策略，使风电场在调峰时段内既达到负荷需求，又能使风电场平滑输出。
文档编号H02J3/28GK102545250SQ201110363749
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者何海平, 傅中兴, 冯博, 吴松鹤, 吴雨, 张阳, 潘文霞, 郭欢 申请人:河海大学