本發(fā)明專利屬于輸發(fā)電控制領(lǐng)域，特別涉及垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的網(wǎng)側(cè)功率波動(dòng)控制策略。

背景技術(shù)：

隨著能源和環(huán)境對人類生存和發(fā)展的影響日益顯著，可再生能源的開發(fā)利用已受到世界各國的高度重視。風(fēng)能作為可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了很大的發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)能的不穩(wěn)定性和間歇性是阻礙風(fēng)力發(fā)電的重要因素。當(dāng)風(fēng)速的變化很大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率就會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，如果不采取任何措施，網(wǎng)側(cè)功率的波動(dòng)幅度就可能超出國家規(guī)定的范圍，從而影響供電質(zhì)量和供電系統(tǒng)的安全性。針對這一問題，傳統(tǒng)的解決方法是在直流側(cè)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)側(cè)發(fā)電功率過高時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存能量，當(dāng)機(jī)側(cè)發(fā)電功率過低時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量，保證網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的輸出功率在國家規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，增強(qiáng)電網(wǎng)供電的可靠性，提高經(jīng)濟(jì)效益。

常見的儲(chǔ)能裝置一般由蓄電池、超級(jí)電容、飛輪等儲(chǔ)能設(shè)備單一的或者幾者結(jié)合而成。其中，超級(jí)電容的儲(chǔ)能容量較小，飛輪儲(chǔ)能的能量密度比較低，保證系統(tǒng)安全性的費(fèi)用很高，而蓄電池具有比較大的容量，且技術(shù)較為成熟；蓄電池不僅可以在低風(fēng)速或無風(fēng)時(shí)提供一定量的用電需求,還在一定程度上起緩沖器的作用。綜上所述，采用蓄電池作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能設(shè)備是最為合適的。采用蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，蓄電池容量的配置是首要解決的難題。若選用的容量過大會(huì)造成投資成本急劇增加，而過小的容量又無法彌補(bǔ)風(fēng)速不穩(wěn)帶來的能量波動(dòng)，可能會(huì)出現(xiàn)蓄電池過度充放電的情況，從而損壞蓄電池，使其壽命大大減少。針對這一問題，傳統(tǒng)控制方法是在直流側(cè)電容上并聯(lián)蓄電池，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了基于功率平衡的蓄電池充放電策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種基于功率平衡的蓄電池控制方法，此控制方法不僅確保了網(wǎng)側(cè)功率波動(dòng)符合國家電網(wǎng)的要求規(guī)范，同時(shí)延長了蓄電池壽命，提高了電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性和安全性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的控制方案是：

步驟1、計(jì)算出網(wǎng)側(cè)逆變器VSC1輸出功率的最大值P_max、最小值P_min，具體如下：

(1)假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻機(jī)側(cè)整流器VSC1輸出的功率為P₁(0)。

(2)對風(fēng)能進(jìn)行預(yù)測，得到接下來60秒內(nèi)機(jī)側(cè)整流器VSC1可輸出的功率P1(t)，其中t取值為1,2,3….,60,表示從當(dāng)前時(shí)刻開始的第t秒，求出其平均值P_av：

其中，t取值為1,2,3….,60,表示從當(dāng)前時(shí)刻開始的第t秒。

(3)在接下來的60秒內(nèi)，網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的輸出功率范圍是計(jì)算方式如下所示：

(4)假設(shè)在過去的60秒內(nèi)，網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2輸出功率的最小值為最大值為為保證已經(jīng)過去的60秒內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)范圍也不超過10％×S₁^*，則當(dāng)前時(shí)刻網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的允許輸出功率為計(jì)算如下：

(5)由上述可得，當(dāng)前時(shí)刻網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的最終允許輸出功率為[P_min,P_max]，如下所示：

步驟2、根據(jù)步驟1所述，控制蓄電池的充放電功率：

狀態(tài)1、蓄電池先放電后充電，假設(shè)0到t₁時(shí)刻風(fēng)能低于t₁到t₂時(shí)刻，風(fēng)能在到之間，t₂到t₃時(shí)刻，風(fēng)能高于t₃到60秒時(shí)刻，風(fēng)能在到之間；這種情況下，蓄電池放電能量W_A、充電能量W_B分別為：

狀態(tài)2、蓄電池先充電后放電，假設(shè)0到t₁時(shí)刻風(fēng)能低高于P¹_max；t₁到t₂時(shí)刻，風(fēng)能在P¹_min到之間，t₂到t₃時(shí)刻，風(fēng)能低于P¹_min，t₃到60秒時(shí)刻，風(fēng)能在P¹_min到P¹_max之間；這種情況下，蓄電池充電能量W′_A、放電能量分別為W′_B，計(jì)算如下：

步驟3、蓄電池的具體控制過程包括以下：

(1)蓄電池先放電后充電

當(dāng)W_A≥W_B時(shí)，蓄電池放電功率參考值為：

P_{3_forecast}＝P_min-P₁(0)

當(dāng)W_A＜W_B時(shí)，蓄電池的放電功率參考值為：

(2)蓄電池先放電后充電

當(dāng)W'_A≥W'_B時(shí)，蓄電池充電功率參考值為：

P_{3_forecast}＝P₁(0)-P_max

當(dāng)W'_A＜W'_B時(shí)，蓄電池的充電功率參考值為：

(3)綜上所述，在下一個(gè)控制周期，控制蓄電池的充電(或者放電)功率為P_{3_forecast}。

本發(fā)明的有益效果是：1)增加了蓄電池的壽命；2)在蓄電池容量一定的情況下，降低并網(wǎng)逆變器輸出功率的波動(dòng)率；3)保證整個(gè)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

附圖說明

圖1為帶儲(chǔ)能的垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2為風(fēng)電系統(tǒng)能量流向圖

圖3為蓄電池先放電后充電

圖4為蓄電池先放電后充電且W_A＝W_B

圖5為蓄電池先放電后充電且W_A>W_B

圖6為蓄電池先放電后充電且W_A＜W_B(圖a為W_A+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B時(shí)的充放電示意圖，圖b為W_A+(P_max-P_min)·ΔT>W_B時(shí)的充放電示意圖)

圖7為蓄電池先充電后放電

圖8為蓄電池先充電后放電且W_A′＝W_B′

圖9為蓄電池先充電后放電且W_A′>W_B′

圖10為蓄電池先充電后放電且W_A′＜W_B′(圖a為W_A′+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B′時(shí)的充放電示意圖，圖b為W_A′+(P_max-P_min)·ΔT>W_B′時(shí)的充放電示意圖)

具體實(shí)施方式

如圖1所示，垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步電機(jī)、機(jī)側(cè)整流器VSC1、直流側(cè)電容、DC/DC變換器、儲(chǔ)能設(shè)備、網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2；其中，雙向DC/DC變換器將蓄電池并聯(lián)在直流母線上，通過對蓄電池進(jìn)行充放電控制，從而實(shí)現(xiàn)能量和功率的分配與管理。

由國家規(guī)定的網(wǎng)側(cè)輸出功率波動(dòng)規(guī)范可知，1分鐘內(nèi)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)范圍是裝機(jī)容量的10％；該系統(tǒng)中能量流動(dòng)如圖2所示，根據(jù)能量守恒原理：

P₂(t)＝P₁(t)+P₃(t)

其中，P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)分別是t時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)整流器VSC1的輸出功率、網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的輸出功率、蓄電池的放電功率。

為確保該系統(tǒng)中機(jī)側(cè)整流器VSC1、網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2、蓄電池能夠安全可靠運(yùn)行，需滿足：

其中，S₁^*、S₂^*、S₃^*分別表示機(jī)側(cè)整流器VSC1、網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2、和蓄電池的額定功率，W₃^*是蓄電池的額定儲(chǔ)能能量，W₃(t)表示t時(shí)刻蓄電池剩余的能量，ΔT是控制周期。

假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻，機(jī)側(cè)整流器VSC1輸出的功率為P₁(0)；對風(fēng)能進(jìn)行預(yù)測，得到接下來60秒內(nèi)機(jī)側(cè)整流器VSC1可輸出的功率P₁(t)，其中t取值為1,2,3….,60,表示從當(dāng)前時(shí)刻開始的第t秒，求出其平均值P_av：

為確保網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2輸出功率的波動(dòng)范圍不超過10％×S₁^*，在接下來60秒內(nèi)，網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的輸出功率的范圍是的計(jì)算如下：

為了保證已經(jīng)過去的60秒內(nèi)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)范圍也不超過10％×S₁^*則當(dāng)前時(shí)刻網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的允許輸出功率為假設(shè)在過去的60秒內(nèi)，VSC2輸出功率的最小值為最大值為則可通過下式計(jì)算得到：

由上述可得當(dāng)前時(shí)刻網(wǎng)側(cè)逆變器VSC2的最終允許輸出功率為[P_min,P_max]，計(jì)算如下：

分析蓄電池在接下來的60秒內(nèi)的充放電情況

(1)蓄電池先放電后充電，如圖3所示：

當(dāng)W_A＝W_B時(shí)，蓄電池充放電示意圖如圖4所示，蓄電池放電功率參考值為：

P_{3_forecast}＝P_min-P₁(0)

當(dāng)W_A＜W_B時(shí)，蓄電池充放電示意圖如圖5所示，蓄電池的放電功率為參考值為：

P_{3_forecast}＝P_min-P₁(0)

當(dāng)W_A>W_B時(shí)，蓄電池充放電示意圖如圖6所示，為減輕蓄電池過充問題，蓄電池的放電功率參考值為：

其中，當(dāng)W_A+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B時(shí)，充放電示意圖如圖a所示；當(dāng)W_A+(P_max-P_min)·ΔT>W_B時(shí)，充放電示意圖如圖b所示。

(2)當(dāng)蓄電池先充電后放電時(shí)，如圖7所示：

當(dāng)W_A′＝W_B′時(shí)，蓄電池充放電示意圖如圖8所示，蓄電池充電功率參考值為：

P_{3_forecast}＝P₁(0)-P_max

當(dāng)W_A′>W_B′時(shí)，蓄電池充放電示意圖如圖9所示，蓄電池的充電功率參考值為：

P_{3_forecast}＝P₁(0)-P_max

當(dāng)W_A′＜W_B′時(shí)，蓄電池充放電示意圖如圖10所示，蓄電池的充電功率參考值為：

其中，當(dāng)W_A′+(P_max-P_min)·ΔT≤W_B′時(shí)，充放電示意圖如圖a所示；當(dāng)W_A′+(P_max-P_min)·ΔT>W_B′時(shí)，充放電示意圖如圖b所示。

(3)在下一個(gè)控制周期，控制蓄電池的充電(或者放電)功率為P_{3_forecast}。

綜上所述，在垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過上述蓄電池的充放電控制，削弱了網(wǎng)側(cè)輸出功率的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)供電的可靠性與安全性。