混合儲能系統(tǒng)及風力發(fā)電功率平滑控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于風儲聯(lián)合發(fā)電技術領域，尤其涉及一種混合儲能系統(tǒng)及風力發(fā)電功率 平滑控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著能源的日益枯竭以及人類對能源需求的不斷增加，可再生能源已經得到了人 們的廣泛青睞，其中風力發(fā)電以其綠色、可持續(xù)性等特點受到了人們較多的關注。但是，由 于風電自身具有的波動性、隨機性，因此大規(guī)模的風電并網會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行 帶來一系列技術難題，如電壓波動、電壓偏差和諧波等等。為了提高風電場的并網運行能 力，越來越多的研宄人員采用儲能技術對風電機組的輸出功率進行調控，使風電場實現效 益最大化。對風電輸出功率進行"削峰填谷"的平抑時，需儲能系統(tǒng)兼具有高功率密度、高 能量密度、高循環(huán)壽命的特點。
[0003] 但是，現今而言，單一的儲能設備無法滿足這一需要。儲能設備可分為功率型儲能 和能量型儲能。功率型儲能設備具有響應速度快、循環(huán)壽命長的特點，但是其儲能能量不 足，致使其無法長時間的提供能量；能量型儲能設備的雖然能量密度高，但是響應速度慢、 循環(huán)壽命短。因此，使用混合儲能平抑風電功率波動逐漸成為人們研宄這重點。
[0004] 蓄電池作為傳統(tǒng)儲能設備，以其成熟的技術和較低的成本獲得了廣泛的應用。但 是，頻繁的充放電以及過充過放會嚴重影響蓄電池的使用壽命。超級電容器作為一種介于 物理儲能和化學儲能之間的儲能方式，具有功率密度高、充放電效率高、可深度充放電、循 環(huán)使用壽命長等特點。但其能量密度低、價格昂貴，致使其不適于長時間供電。由于超級電 容與蓄電池各自具有的鮮明特點，因此將蓄電池與超級電容組成混合儲能系統(tǒng)已經成為了 許多專家學者的研宄重點。然而，僅以蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)，僅能解決提 高風電功率、電壓穩(wěn)定等局部問題，從全局角度提高電網對風電消納的能力仍顯不足。微 型壓縮空氣儲能（CAES)是近年來逐漸興起的壓縮空氣儲能技術為解決風電系統(tǒng)大規(guī)模儲 能難題提供了新的技術手段，壓縮空氣儲能具有儲能容量大、儲能周期長、壽命長、成本低、 環(huán)境友好等優(yōu)點，是目前唯一綜合效益可媲美抽水蓄能而又不受地理限制的大規(guī)模儲能技 術。壓縮空氣儲能、蓄電池以及超級電容混合儲能的特性如表1所示：
[0005] 表1儲能系統(tǒng)特性參數
【主權項】
1. 混合儲能系統(tǒng)的風力發(fā)電功率平滑控制方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟（1):將風電場輸出功率與電網調度功率做差，得到需要混合儲能系統(tǒng)平抑的功 率； 步驟（2):通過經驗模式分解的方法將步驟（1)的需要平抑的功率進行多尺度分解并 重構，得到風電功率的高頻、中頻和低頻信號； 步驟（3):利用支持向量機分別對步驟（2)的高頻、中頻和低頻信號進行一個可信周期 為TO時長的預測，得到TO時間段內的高頻、中頻和低頻信號的預測值，該預測值用以指導 混合儲能系統(tǒng)的能量分配，實現超前控制。
2. 如權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)的風力發(fā)電功率平滑控制方法，其特征是，所述 步驟（1)的電網調度功率的計算公式為：
式中：Pw，k為微網中風電機組的第k個采樣點輸出功率；p 1;k為本地負載第k個采樣點 的功率;η為樣本數據總數。
3. 如權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)的風力發(fā)電功率平滑控制方法，其特征是，所述 步驟（2)的經驗模式分解法的步驟如下： 步驟（2-1):將風電功率視為一個時間序列，設該時間序列為X(t)，取得所有的局部極 值點； 步驟（2-2):找出信號X(t)的所有極大值點，利用三次樣條函數擬合出極大值點包絡 線emax(t);同理，擬合極小值點包絡線emin(t);計算上包絡線和下包絡線的平均值m(t):
步驟（2-3):將原始信號X(t)與包絡線平均值m(t)做差得到去除了低頻信號的新的 信號，即： h\(t) = X(t)-m{t) (2 ) 步驟（2-4):判斷新的信號λ!(〇是否為一個基本模式分量；若是就直接進入步驟 (2-5)； 若新的信號乂 W并非一個基本模式分量，即包絡線平均值m(t)中仍存在非對稱波，則 以新的信號/?丨(0為待處理數據，重復步驟（2-1)-(2-3)，得到V⑴，得到/?12(?)后重復步驟 (2-4)，直至第k次得到的信號M(〇為一個基本模式分量，則原始信號的第一個本征模函數 頂F分量記為： C1(Z) = im1\{t) -(I) ； (3) 步驟（2-5):從原始信號X(t)中減去第一個本征模函數MF分量imfjt)之后，所得信 號為X1U),將X1U)作為新的被處理信號，重復步驟（2-2)-(2-4)，直至X n(t)為單調信號； 原始信號余項為： rn(t) = Xn (t) (4) 由于實際計算過程中，上下包絡線的均值無法為零，因此引入停止迭代的閾值Sd作為 停止標志：
其中hk(t)為第k個本征模函數分量； 最終X(t)被分解為η個本征模函數IMF分量cjt)，i = 1，2,…，η和一個剩余分量 rn(t)：
然后將分解后的信號進行重構得高頻、中頻和低頻信號。
4. 如權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)的風力發(fā)電功率平滑控制方法，其特征是，所述 步驟（3)的步驟包括： 步驟（3-1):利用支持向量機對高頻、中頻和低頻信號分別進行短期預測，得到高頻信 號的預測值、中頻信號的預測值和低頻的預測值；其中， 高頻信號預測值表示超級電容需要吸收/釋放的功率， 中頻信號預測值表示蓄電池需要吸收/釋放的功率， 低頻信號預測值表示壓縮空氣儲能需要吸收/釋放的功率； 對預測值進行判斷，若為正則表示需要儲能單元吸收功率，反之則表示需要儲能單元 釋放功率； 步驟（3-2):根據混合儲能系統(tǒng)的電池當前的荷電狀態(tài)Soc容量將預測的結果進行修 正； 步驟（3-3):依次對修正后的值進行判斷： 若高頻信號為正，則表示需要超級電容吸收功率，控制第一 DC/DC轉換器工作在反向 Buck模式，對超級電容進行恒功率充電；反之，則表示需要超級電容放電，控制第一 DC/DC 轉換器工作在Boost模式，超級電容對外恒功率放電； 若中頻信號為正，則表示需要電池吸收功率，控制第二DC/DC轉換器工作在反向Buck 模式，對電池進行恒功率充電；反之，則表示需要電池放電，控制第二DC/DC轉換器工作在 Boost模式，電池對外恒功率放電； 若低頻信號為正，則表示需要壓縮空氣儲能吸收功率，控制第三DC/DC轉換器工作在 反向Buck模式，對壓縮空氣儲能進行恒功率充電；反之，則表示需要壓縮空氣儲能放電，控 制第三DC/DC轉換器工作在Boost模式，壓縮空氣儲能對外恒功率放電。
5. 如權利要求1所述的混合儲能系統(tǒng)的風力發(fā)電功率平滑控制方法，其特征是，所述 步驟（3-2)的修正方法為： 根據電池的荷電狀態(tài)制定充電限值與放電限值；電池荷電狀態(tài)估計采用安時積分法進 行估算，即經過t時間的充/放電后電池荷電狀態(tài)SOC為：
其中，SOCtl為初始荷電狀態(tài)，C為電池額定容量，I為電池電流，η為充放電效率，τ為 積分變量； 當超級電容荷電狀態(tài)超過充電限值且下一周期需要充電時，改由蓄電池吸收這部分功 率；當超級電容荷電狀態(tài)低于放電下限且下一周期需要放電時，改由蓄電池提供這部分功 率。
6. 混合儲能系統(tǒng)，其特征是，包括：電網，所述電網通過依次連接的并網開關和三相四 線變壓器與交流母線連接，所述交流母線通過DC/AC逆變器與第一直流母線連接，所述第 一直流母線通過第一 DC/DC轉換器與超級電容儲能系統(tǒng)連接；所述第一直流母線還通過第 二DC/DC轉換器與蓄電池連接，所述第一直流母線還通過第三DC/DC轉換器與第二直流母 線連接，所述第二直流母線通過第一 AC/DC轉換器與風力發(fā)電機連接，所述第二直流母線 還通過第二AC/DC轉換器與壓縮空氣儲能系統(tǒng)連接；將超級電容儲能系統(tǒng)與壓縮空氣儲能 系統(tǒng)結合在一起，實現了大容量的能量型儲能與功率型儲能的結合。
7. 如權利要求6所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征是，所述DC/DC轉換器為雙向半橋DC/DC 轉換器；所述AC/DC轉換器為雙向AC/DC轉換器；所述三相四線變壓器為220V/380V三相四 線變壓器。
8. 如權利要求6所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征是，所述交流母線為380V交流母線連接。
9. 如權利要求6所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征是，所述第一直流母線為700V直流母線； 所述第二直流母線為350-500V直流母線。
10. 如權利要求6所述的混合儲能系統(tǒng)，其特征是，所述超級電容為350-500V超級電 容。
【專利摘要】本發(fā)明公開了混合儲能系統(tǒng)及風力發(fā)電功率平滑控制方法，首先通過快速傅里葉方法取得風電功率信號的頻譜，對風電輸出功率的幅頻特性進行分析；然后通過經驗模式分解的方法將風電功率進行多尺度分解并重構為風電場期望并網功率以及高頻、中頻和低頻的風電波動功率；之后根據超級電容Soc容量對功率分配進行相應調整后通過超級電容器、蓄電池和壓縮空氣儲能分別吸收所述高頻、中頻和低頻的波動信號功率；當風電場的輸出功率小于所述期望并網功率信號時，用模型算法控制超級電容-蓄電池-CAES混合儲能系統(tǒng)放電；當風電場的輸出功率大于所述期望并網功率時，用模型算法控制超級電容-蓄電池-CAES混合儲能系統(tǒng)充電。本發(fā)明提高了并網運行的安全性和經濟性。
【IPC分類】H02J3-28, H02J3-32, H02J3-24
【公開號】CN104734166
【申請?zhí)枴緾N201510068245
【發(fā)明人】李珂, 張承慧, 嚴毅, 田崇翼
【申請人】山東大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年2月9日