应用于飞轮储能系统的控制策略、储能系统、终端、介质的制作方法

1.本发明属于风电场的技术领域，特别是一种应用于飞轮储能系统的控制策略。


背景技术：

2.近年来，国家针对环境污染和全球气候变化问题，提出大力发展新能源发电，压缩火电的电力建设发展政策，淘汰了一大批容量不大于100mw的机组，这使得新能源发电在发电中的占比快速提升。但随之而来新的问题，比如新能源发电受环境限制而固有存在的不稳定性，会对电网的稳定运行造成一定影响。在此背景下，《华北区域风电场并网运行管理实施细则(2019年修订版)》中，第三章第十三条明确规定，“接入35kv及以上电压等级的并网风电机组应具备一次调频功能，新投产风电机组不具备一次调频功能不允许并网运行。现有风电机组应按照要求进行一次调频功能改造。”3.通过储能系统进行功率调节进而实现调频功能，是新能源发电厂调频的主要途径，但目前电厂普遍采用锂电池储能，而锂电池存在严重的安全隐患。据统计，韩国锂电储能调频装置，已经发生了30多起火灾、爆炸等严重事故。其原因是锂电池不能承受过于频繁的充放电循环。
4.因此，许多风场宁可不再响应电网的一次调频指令，承受考核性惩罚也不愿意使用锂电储能系统进行频繁的调频操作。根据相关的电网应用调研，风电场调频指令高峰时可达到每天2000次，而其中70％是时间短、功率小的一次调频指令。
5.由此可见，风电场中的储能系统急需使用一种新的储能手段来完成频率高、时间短、功率小的一次调频指令，而飞轮储能系统完全可以满足这个要求：飞轮可以在秒级完成深度充放电，并且不会存在过度充电和过度放电的情况，完全符合电网要求的3秒内开始响应，12秒达90％目标值，15秒稳定。且飞轮工作在真空环境，摩擦损耗几乎为零，工作效率高，使用寿命长，机械储能的方式也不会产生温室气体或者有害物质，是当前储能领域最具发展前景的储能方式之一，可以预见，锂电池+飞轮的混合储能方式将是未来新能源发电厂普遍采用的一种储能方式。
6.解决上述技术问题的难度在于：飞轮储能原理是将电网的电能以机械能的形式存储在高速旋转的飞轮转子中；当转子达到额定转速时，速度不再继续增加，由于转子轴承采用低损耗的高速轴承，且套筒内是真空环境，所以高速转子的机械损耗非常低，只需很小的功率即可维持额定转速，系统处于能量保持状态；转子维持旋转直到接收到释放能量的信号时，将存储在飞轮转子中的机械能转换成电能。单台飞轮存储的能量可以使用刚体绕定轴旋转公式来表示，从公式可以看出，想获得更高的储能量就意味着需要更高的转速或更大的转动惯量，这就需要更大的飞轮体积，更坚韧的转子材料，同时也意味着更高的潜在危险性，并且研发成本增加。
7.但如果将两台或多台同样参数的低功率储能飞轮并联，理论上仍然可以达到高功率输出的目的。这种并机的模块化思想可以在现有飞轮的基础上进行设计，不仅可以降低成本，减小储能飞轮的研发难度，同时还提升了系统稳定性和安全性。
8.解决上述技术问题的意义在于：将传统的锂电池储能系统改进为锂电池+飞轮的混合储能系统，并进行了飞轮储能系统与pcs联调的充放电试验，增强了储能系统面对一次调频需求的能力，增加了系统安全性和稳定性。


技术实现要素：

9.本发明为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种应用于飞轮储能系统的控制策略。
10.本发明的技术方案是：
11.一种应用于飞轮储能系统的控制策略，包括以下步骤：
12.步骤101：获取能量管理系统ems信息，计算总功率指令；
13.飞轮储能系统总控单元采集能量管理系统ems下发信号，计算总功率指令值；
14.步骤102：判断总功率指令是否有效；
15.判断总功率指令是否有效，当飞轮的充电和放电指令小于或等于额定最大功率指令值，则指令有效，否则令充电和放电指令为0；
16.步骤103：指令有效时，对飞轮状态进行状态判断；
17.飞轮状态符合要求，执行下一步步骤104；
18.飞轮状态有问题，中断执行回到开始；
19.步骤104：进行soe功率分配策略算法；
20.飞轮储能系统总控单元根据soe功率策略分配算法，计算每台飞轮的充电和放电控制指令；
21.步骤105：进行功率校正算法；
22.对每台飞轮的充电和放电功率指令值，进行多项式拟合校正；
23.步骤106：发送指令；
24.将校正后的功率指令值发送给对应飞轮，使其按照指令进行充电和放电；
25.步骤107：判断校正后的充电和放电控制指令发送是否超时，如发送超时，返回步骤106重新执行；如发送成功，返回开始。
26.优选的，所述步骤103中，至少包括以下步骤：
27.步骤201：判断某台飞轮是否在线，在线则执行步骤202，否则返回开始。
28.步骤202：判断飞轮是否有故障，如没有故障，则执行步骤203，否则发出警报，并返回开始；
29.步骤203：判断是否可以充放电；
30.判断飞轮转速是否在额定充放电转速允许范围内，且接触器是否合闸，如果是，则可以允许充放电，如果不是，返回开始。
31.优选的，所述步骤104中，所述soe功率策略分配算法是在等时长控制策略的基础上，按照剩余能量之比进行分配，进而计算可以进行充放电的每台飞轮需要的功率指令值。
32.优选的，所述步骤105中，所述多项式拟合校正为一次多项式拟合，其公式是y＝kx+b。
33.本发明的另一目的在于：提供了一种飞轮储能系统，所述飞轮储能系统实施权利要求1-4任意一项所述的应用于飞轮储能系统的控制策略，所述飞轮储能系统包括飞轮储
能系统总控制器，所述飞轮储能系统总控制器包括io扩展模块和飞轮储能系统总控单元，所述飞轮储能系统总控单元连接多台飞轮。
34.优选的，所述飞轮连接有储能变换器pcs，所述储能变换器pcs连接所述飞轮储能系统总控单元。
35.本发明的另一目的在于：提供了一种储能系统，包括风力发电机组、锂电池组和飞轮储能系统，所述飞轮储能系统实施应用于飞轮储能系统的控制策略。
36.本发明的另一目的在于：提供了一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述应用于飞轮储能系统的控制策略。
37.本发明的另一目的在于：提供了一种计算机可读存储介质，其上储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述应用于飞轮储能系统的控制策略的步骤。
38.本发明的另一目的在于：提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述应用于飞轮储能系统的控制策略的步骤。
39.本发明的的有益效果是：
40.本发明用飞轮储能系统的控制策略实现了控制算法，并进行了飞轮储能系统与储能变换器pcs联调的充放电试验，试验结果表明，可以实现风电场一次调频的需求，增加了系统安全性和稳定性。
附图说明
41.图1是飞轮储能系统总控单元的控制策略流程图；
42.图2是储能系统的硬件结构连接示意图；
43.图3是飞轮储能系统拓扑结构示意图；
44.图4是飞轮储能阵列的拓扑结构示意图。
具体实施方式
45.首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.下面结合附图1-4具体说明本发明。
48.实施例1：
49.一种应用于飞轮储能系统的控制策略，包括以下步骤：
50.步骤101：获取能量管理系统ems信息，计算总功率指令；
51.飞轮储能系统总控单元采集能量管理系统ems下发信号，计算总功率指令值；
52.步骤102：判断总功率指令是否有效；
53.判断总功率指令是否有效，当飞轮的充电和放电指令小于或等于额定最大功率指令值，则指令有效，否则令充电和放电指令为0；
54.步骤103：指令有效时，对飞轮状态进行状态判断；
55.飞轮状态符合要求，执行下一步步骤104；
56.飞轮状态有问题，中断执行回到开始；
57.步骤104：进行soe功率分配策略算法；
58.飞轮储能系统总控单元根据soe功率策略分配算法，计算每台飞轮的充电和放电控制指令；
59.步骤105：进行功率校正算法；
60.对每台飞轮的充电和放电功率指令值，进行多项式拟合校正；
61.步骤106：发送指令；
62.将校正后的功率指令值发送给对应飞轮，使其按照指令进行充电和放电；
63.步骤107：判断校正后的充电和放电控制指令发送是否超时，如发送超时，返回步骤106重新执行；如发送成功，返回开始。
64.工作原理：
65.本技术方案中，能量管理系统ems负责调频策略的实现，感知电网态势，计算补偿功率，并将补偿指令下发到风电场风电变流器、pcs等执行装置。混合储能系统以“集装箱”形式集成安装，储能飞轮系统主要包含储能飞轮、pcs、配电、空调、加热、消防设施等。
66.在飞轮储能系统总控单元的控制策略流程图中，控制算法包含soe功率分配策略的算法和功率校正的算法。
67.执行算法程序开始后，首先飞轮储能系统总控单元采集能量管理系统ems下发的模拟量信号和干接点信息，计算总功率指令值；对计算得到的总功率指令值进行判断，如果充放电指令均小于等于额定最大功率指令值，则认为该指令有效，否则令充放电指令为0；
68.当指令有效时，则开始判断飞轮状态，状态正常时，则使用总功率指令值对当前所有可以进行充放电的飞轮进行soe功率分配算法，计算出当前每一台飞轮的充放电功率指令，并对上述的每台飞轮的充放电功率指令值进行对应的一次多项式拟合校正，校正后将功率指令值通过以太网发送给对应飞轮，使其按照指令进行充放电，如果指令发送成功，则完成后返回控制算法的开始，如果发送超时，则返回上一步重新发送。
69.进一步的，还可在本实施例中考虑，所述步骤103中，至少包括以下步骤：
70.步骤201：判断某台飞轮是否在线，在线则执行步骤202，否则返回开始。
71.步骤202：判断飞轮是否有故障，如没有故障，则执行步骤203，否则发出警报，并返回开始；
72.步骤203：判断是否可以充放电；
73.判断飞轮转速是否在额定充放电转速允许范围内，且接触器是否合闸，如果是，则可以允许充放电，如果不是，返回开始。
74.设某台飞轮为i号，飞轮储能系统由n台飞轮构成，本实施例中飞轮设为8台，这8台
飞轮由一台飞轮储能系统总控单元控制协调工作，飞轮储能系统总控单元接受ems下发指令，从而计算出总功率指令值，然后判断当前飞轮的在线状况和故障情况，接着判断在线的、无故障的飞轮是否在额定转速的区间内，以及所有接触器是否均合闸，然后对已判断通过的飞轮进行功率分配。
75.首先判断第i号飞轮是否在线(i＝1,2
…
,n)，假如i号飞轮在线，则进行下一步，否则返回控制算法的开始；
76.上述第i号飞轮在线，继续判断第i号飞轮是否有故障(i＝1,2
…
,n)，判断第i号飞轮是否有故障(i＝1,2
…
,n)，假如没有故障，则进行下一步，否则发出警报，并返回控制算法的开始；
77.上述第i台飞轮正常无故障，则判断第i号飞轮转速是否在额定充放电转速允许范围内，且接触器是否合闸，如果是，则可以允许充放电，如果不是，返回控制算法的开始。
78.进一步的，还可在本实施例中考虑，所述步骤104中，所述soe功率策略分配算法是在等时长控制策略的基础上，按照剩余能量之比进行分配，进而计算可以进行充放电的每台飞轮需要的功率指令值。
79.进一步的，还可在本实施例中考虑，所述步骤105中，所述多项式拟合校正为一次多项式拟合，其公式是y＝kx+b。
80.soe算法是基于剩余能量之比来进行功率分配的。
81.根据风电场的能量管理系统ems(energy management system)下发的指令，获得总功率指令值，将总功率指令值按剩余能量之比来分配即得每台飞轮放电功率指令值。假设有n台飞轮，其中第i台飞轮当前转速为ωi，速度下限为ω
min
，速度上限为ω
max
，那么可以定义系数，根据得到的定义系数和总功率指令值计算所述飞轮进行充电或放电所需的功率指令值，定义系数如下计算：
82.1.根据飞轮当前的转速计算出soefwp[i]参数和1-soefwp[i]参数，假设第i台飞轮当前转速为ωi，速度下限为ω
min
，速度上限为ω
max
，定义系数，如公式(1)所示，
[0083][0084]
2.根据soefwp[i]参数和1-soefwp[i]参数计算soet和soetm，如公式(2)和公式(3)所示，
[0085]
soet＝-soefw[1]+soefw[2]+
…
+soefw[n]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0086]
soetm＝(1-soefw[1])+(1-soefw[2]+
…
+(1-soefw[n])
ꢀꢀꢀ
(3)
[0087]
3.计算第i台飞轮的充电系数，如公式(4)所示，
[0088][0089]
4.根据步骤203中的充电系数计算出第i台飞轮的充电功率值，如公式(5)所示，
[0090][0091]
5.计算第i台飞轮的放电系数，如公式(6)所示，
[0092][0093]
6.根据步骤203中的放电系数计算出第i台飞轮的放电功率值，如公式(7)所示，
[0094][0095]
步骤105中的功率校正包括以下步骤：
[0096]
步骤1，指定单台飞轮，按照充电或放电的功率指令，分别做充电或放电试验，记录每一组功率指令相对应的储能变换器pcs的交流侧充放电功率值；
[0097]
步骤2，得到各台阶的功率指令值与其对应的pcs交流侧功率值后，分别取其对应的稳定充电和稳定放电时的pcs交流侧功率值，对稳定的充电或放电的功率值计算平均值，分别得到充电或放电的控制指令曲线、实际储能变换器pcs的交流侧充放电功率平均值曲线；
[0098]
步骤3，对得到的充电或放电的控制指令曲线、实际储能变换器pcs的交流侧充放电功率平均值曲线进行一次多项式拟合，其公式是y＝kx+b；
[0099]
步骤4，经过上述单台飞轮的功率校正后，对多台飞轮并机，继续进行二次功率校正，最终完成所有飞轮的功率校正。
[0100]
实施例2：
[0101]
一种飞轮储能系统，所述飞轮储能系统实施所述的应用于飞轮储能系统的控制策略，所述飞轮储能系统包括飞轮储能系统总控制器，所述飞轮储能系统总控制器包括io扩展模块和飞轮储能系统总控单元，所述飞轮储能系统总控单元连接多台飞轮。
[0102]
能量管理系统ems下发指令时，飞轮储能系统总控制器的io扩展模块采集模拟量信号和干接点信号，经计算得到控制量，通过can总线传给飞轮储能系统总控单元，飞轮储能系统总控单元根据soe功率分配策略，计算每台飞轮的充放电控制指令并进行一次多项式校正，然后将校正后的指令采用modbus协议通过以太网传递给飞轮；当能量管理系统ems接收飞轮反馈信号时，飞轮储能系统总控单元通过以太网获取飞轮信息，经过综合计算，再通过can总线将信息传回给io扩展模块，io扩展模块再将信息转换成模拟量信号反馈给能量管理系统ems。
[0103]
进一步的，还可在本实施例中考虑，所述飞轮连接有储能变换器pcs，所述储能变换器pcs连接所述飞轮储能系统总控单元。
[0104]
对充放电指令做功率校正时，记录每一组功率指令相对应的储能变换器pcs的交流侧充放电功率值，得到功率指令值与其对应的pcs交流侧功率值后，分别取其对应的稳定充电和稳定放电时的pcs交流侧功率值，对稳定的充电或放电的功率值计算平均值，分别得到充电或放电的控制指令曲线、实际储能变换器pcs的交流侧充放电功率平均值曲线，然后对得到的曲线进行一次多项式拟合。
[0105]
实施例3：
[0106]
一种储能系统，包括风力发电机组、锂电池组和飞轮储能系统，所述飞轮储能系统实施应用于飞轮储能系统的控制策略。
[0107]
飞轮储能系统采用锂电池+飞轮的混合储能系统，且采用并联连接方式，风力发电机组组通过变流变换器生成400v交流电，继而通过400v—35kv变压器并入35kv电网。
[0108]
飞轮储能系统与锂电池组成混合储能系统，分别通过各自的储能变换器pcs逆变为400v交流电，再分别通过各自的400v—35kv双分裂并网升压变压器并入35kv电网。
[0109]
综上所述，本发明提供了一种应用于飞轮储能系统的控制策略、储能系统、终端、介质。
[0110]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0111]
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。