CN102368617A - 基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制系统，包括数据采集器、风功率预测系统、数据分析器、控制模块、蓄电池、风电场和断路器，数据采集器采集风电场输出的有功功率和蓄电池的荷电状态，并将结果送入风功率预测系统和数据分析器；风功率预测系统根据接收到的数据以及前一时间段的实际数据及预测值对当前时段进行预测，并将结果送入数据分析器；数据分析器根据接收到的数据进行比较判断，并根据比较结果向控制模块输出控制指令；控制模块的输出端连接断路器，而断路器连接在蓄电池与电网之间，控制模块根据指令控制断路器的通断。此系统可降低功率波动及电池容量，提高电能质量。本发明还公开一种蓄电池控制方法。

Description

基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制方法及系统

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降低电池容量的控制方法及系统，属于改善风电场电能质量领域。

背景技术

由于风电受自然气象条件的影响较大，所以风力发电场(也即风电场)的功率输出波动很大，因此可能导致电网频率、电压的偏差和稳定问题，同时增大了电力系统调度、储备和电能质量相关指标控制的难度。

为了减轻由风电功率波动给电力系统带来的影响，储能系统期望被广泛应用于风电场中，储能系统容量太大会增加风力发电系统的成本，因此根据系统要求，设法减少储存容量对风电系统的经济、安全稳定运行具有重要意义。

有鉴于此，本发明人针对现有风力发电场和蓄电池组成的系统中蓄电池的控制方式及原理进行深入研究，并经多次改进，本案由此产生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制方法及系统，其可降低功率波动及电池容量，提高电能质量。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制系统，包括数据采集器、风功率预测系统、数据分析器、控制模块、蓄电池、风电场和断路器，其中，数据采集器采集风电场输出的有功功率和蓄电池的荷电状态，并将结果分别送入风功率预测系统和数据分析器；风功率预测系统根据接收到的数据以及前一时间段的实际数据及预测值对当前时段进行预测，并将结果送入数据分析器；数据分析器的输出端连接控制模块，根据接收到的数据进行比较判断，并根据比较结果向控制模块输出控制指令；控制模块的输出端连接断路器，而断路器连接在蓄电池与电网之间，控制模块根据接收到的指令控制断路器的通断。

一种基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制方法，包括如下步骤：

(1)采集风电场输出的有功功率P_g和蓄电池的荷电状态SOC；

(2)检测蓄电池的充满状态SOC_tmax和最大放电深度状态SOC_tmin，并判断SOC是否处于SOC_tmax和SOC_tmin之间，若是，则保持蓄电池的当前工作状态不变，否则将断开蓄电池与电网的连接，控制蓄电池退出运行；

(3)在0～t₁时间段内，风功率预测系统利用风电场在前一时间段的实际功率和功率预测值对0～t₁时间段进行功率预测得到风功率预测值P_t1，并根据平滑度要求β计算得到功率平滑上限值P_t1max和功率平滑下限值P_t1min；

(4)判断风电场的输出功率P_g是否在P_t1max与P_t1min之间，当P_g≥P_t1max时，将蓄电池投入运行并处于充电状态，然后进一步判断蓄电池的实际荷电状态SOC与SOC_tmax的大小关系，当SOC达到SOC_tmax时，扩充蓄电池5的容量直到满足平滑度要求为止；

当P_g≤P_t1min时，将蓄电池投入运行并处于放电状态，然后进一步判断蓄电池的荷电状态SOC与SOC_tmin的大小关系，当SOC降到SOC_tmin时，扩充蓄电池5的容量直到满足平滑度要求为止；

(5)到达t₁时刻后，循环到步骤(1)。

采用上述方案后，本发明首先从风电场和蓄电池组成的系统出发，对该系统输出的有功功率和蓄电池的剩余容量进行分析，利用预测法得到各时间段的预测功率，再根据得到的预测功率提出对蓄电池的运行状况进行控制的指令，以达到平滑风电场的功率波动、降低蓄电池容量以及提高电能质量的目的；其次，采用PWM控制技术控制由全控型功率开关器件IGBT组成的三相桥式电路，从而提高了功率因数。

附图说明

图1为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统的整体结构框图；

图2为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中AC/DC变流器的控制结构图；

图3为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中DC/DC变流器的结构图；

图4为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中DC/DC变流器的控制框图；

图5为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中风电场发出的有功功率和预测功率；

图6为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中风电场经蓄电池功率平滑控制后得到的有功功率；

图7为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中，风电场48小时实际发出的有功功率；

图8为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中，利用风功率预测法，预测时间周期为4小时，平滑度β＝20％时，风电场经蓄电池功率平滑控制后得到的有功功率；

图9为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中，利用风功率预测法，预测时间周期为4小时，平滑度β＝20％时，蓄电池的荷电状态SOC的变化曲线；

图10为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中，利用风功率预测法，预测时间周期为2小时，平滑度β＝20％时，风电场经蓄电池功率平滑控制后得到的有功功率；

图11为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中，利用风功率预测法，预测时间周期为2小时，平滑度β＝20％时，蓄电池的荷电状态SOC的变化曲线；

图12为本发明基于风功率预测平滑风电场功率波动的蓄电池控制系统中，通过仿真计算得到的预测时间周期与电池容量的关系曲线。

图中：1为数据采集器；2为风功率预测系统；3为数据分析器；4为控制模块；5为蓄电池；6为DC/DC变流器；7为AC/DC变流器；8为坐标变换；9为风电场；10为断路器；11为电网。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的具体内容和有益效果进行详细说明。

配合图1所示，是本发明基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制系统的结构框图，包括数据采集器1、风功率预测系统2、数据分析器3、控制模块4、蓄电池5、风电场9和断路器10，其中，数据采集器1用于采集风电场9输出的有功功率和蓄电池5的荷电状态，并将结果分别送入风功率预测系统2和数据分析器3；风功率预测系统2根据接收到的数据以及前一时间段的实际数据及预测值对当前时段进行预测，并将结果送入数据分析器3；数据分析器3的输出端连接控制模块4，根据接收到的数据进行比较判断，并根据比较结果向控制模块4输出控制指令；控制模块4的输出端连接断路器10，而断路器10连接在蓄电池5与电网11之间，控制模块4根据接收到的指令控制断路器10的通断，从而控制蓄电池5对电网11的供电情况。

以下将结合图示，对基于前述控制系统的控制方法的内容进行详细说明。所述控制方法的步骤为：

(1)利用数据采集器1采集风电场9输出的有功功率P_g和蓄电池5的荷电状态SOC(state of charge)，同时送入风功率预测系统2和数据分析器3；

(2)检测蓄电池5的充满状态SOC_tmax和最大放电深度状态SOC_tmin，并由控制模块4判断SOC是否处于SOC_tmax和SOC_tmin之间，若是，则保持蓄电池5的当前工作状态不变，否则将向断路器10发出指令，断开蓄电池5与电网11的连接，控制蓄电池5退出运行；

(3)在0～t₁时间段内，风功率预测系统2利用风电场9在前一时间段的实际功率和功率预测值对0～t₁时间段进行功率预测得到风功率预测值P_t1，并将预测值送入数据分析器3，由数据分析器3根据平滑度要求β计算得到功率平滑上限值P_t1max和功率平滑下限值P_t1min，具体来说，设P_t1＝0.5(P_t1max+P_t1min)，则P_t1max＝(1+0.5β)P_t1，P_t1min＝(1-0.5β)P_t1；

将风电场看作一个吸收负的有功功率的负荷，根据地区电网调度的要求，短期负荷预测的准确率A₁要满足：

其中，n为一个预测周期内的采样点数，E_i为某一点的相对误差，计算公式为：

当按照两个极端条件计算，即P_t1在一个周期内保持最小值P_t1min，此时E_i＝β/(2-β)，通过计算得到β小于等于19％，当按照P_t1max计算时，β小于等于23％，所以β最大不能超过23％，计算得到P_t1max和P_t1min的值；

(4)通过数据分析器3判断风电场9的输出功率P_g是否在P_t1max与P_t1min之间，如图2所示，当P_g≥P_t1max时，表示风电场6发出的功率过多，需要将多余的功率储存起来，此时将蓄电池5投入运行并处于充电状态，然后进一步判断蓄电池5的实际荷电状态SOC与SOC_tmax的大小关系，当SOC达到SOC_tmax时，表示蓄电池5处于充满状态，此时扩充蓄电池5的容量直到满足平滑度要求为止；

当P_g≤P_t1min时，表示风电场9发出的功率不足，需要填补这部分的功率，因此将蓄电池5投入运行并处于放电状态，然后进一步判断蓄电池5的荷电状态SOC与SOC_tmin的大小关系，当SOC降到SOC_tmin时，表示蓄电池5处于最大放电深度状态，此时扩充蓄电池5的容量直到满足平滑度要求为止；

(5)AC/DC变流器7采用直接电流控制，将交流侧的三相电压、电流通过坐标变换器8转换为dq两相，即U_d和U_q，I_d和I_q。其中I_d为有功电流，与有功功率P_I成正比并有P_I＝1.5U_dI_d，I_q为无功电流，与无功功率Q_I成正比并有Q_I＝-1.5U_dI_q；U_d为d轴电压，U_q为q轴电压；

(6)蓄电池充电时，以I_dref＝(P-P_max)/1.5U_d作为I_d的参考值，且I_dref为正值；蓄电池放电时，I_dref＝(P-P_min)/1.5U_d作为I_d的参考值，且I_dref为负值；I_qref＝0作为I_q的参考值，这样就可以保持无功功率恒定为0，对I_d、I_q进行跟踪控制并得到PWM开关信号，用PWM开关信号控制AC/DC变流器；

(7)DC/DC变流器6有两种工作模式，如图3所示，当电池充电时，双向DC/DC变流器工作于Buck电路模式；当电池放电释能时，双向DC/DC变换器应工作于Boost电路模式，如图4所示，当双向DC/DC变换器工作在Buck电路模式时，S₁工作在PWM模式，S₂始终关断；当双向DC/DC变换器工作在Boost电路模式时，S₁始终关断，S₂工作在PWM模式；

(8)当系统运行到t₁时刻后，循环到步骤(1)。

配合图5所示，若以P_g、P_t为系统中风电场发出的有功功率和预测功率，则该系统中风电场经蓄电池功率平滑控制后得到的有功功率的曲线如图6所示。

结合某风电场48小时实际运行情况为例。如图7所示，为风电场48小时实际发出的有功功率，如果利用风功率预测法，预测时间周期为4小时，平滑度β＝20％时，风电场经蓄电池功率平滑控制后得到的有功功率如图8所示，此时蓄电池的荷电状态SOC的变化曲线如图9所示。如果利用风功率预测法，预测时间周期为2小时，平滑度β＝20％时，风电场经蓄电池功率平滑控制后得到的有功功率如图10所示，此时蓄电池的荷电状态SOC的变化曲线如图11所示。通过仿真计算得到的预测时间周期与电池容量的关系曲线如图12所示。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制系统，其特征在于：包括数据采集器、风功率预测系统、数据分析器、控制模块、蓄电池、风电场和断路器，其中，数据采集器采集风电场输出的有功功率和蓄电池的荷电状态，并将结果分别送入风功率预测系统和数据分析器；风功率预测系统根据接收到的数据以及前一时间段的实际数据及预测值对当前时段进行预测，并将结果送入数据分析器；数据分析器的输出端连接控制模块，根据接收到的数据进行比较判断，并根据比较结果向控制模块输出控制指令；控制模块的输出端连接断路器，而断路器连接在蓄电池与电网之间，控制模块根据接收到的指令控制断路器的通断。

2.一种如权利要求1所述的基于风功率预测平滑功率波动的蓄电池控制系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采集风电场输出的有功功率P_g和蓄电池的荷电状态SOC；

(2)检测蓄电池的充满状态SOC_tmax和最大放电深度状态SOC_tmin，并判断SOC是否处于SOC_tmax和SOC_tmin之间，若是，则保持蓄电池的当前工作状态不变，否则将断开蓄电池与电网的连接，控制蓄电池退出运行；

(3)在0～t₁时间段内，风功率预测系统利用风电场在前一时间段的实际功率和功率预测值对0～t₁时间段进行功率预测得到风功率预测值P_t1，并根据平滑度要求β计算得到功率平滑上限值P_t1max和功率平滑下限值P_t1min；

(4)判断风电场的输出功率P_g是否在P_t1max与P_t1min之间，当P_g≥P_t1max时，将蓄电池投入运行并处于充电状态，然后进一步判断蓄电池的实际荷电状态SOC与SOC_tmax的大小关系，当SOC达到SOC_tmax时，扩充蓄电池5的容量直到满足平滑度要求为止；

当P_g≤P_t1min时，将蓄电池投入运行并处于放电状态，然后进一步判断蓄电池的荷电状态SOC与SOC_tmin的大小关系，当SOC降到SOC_tmin时，扩充蓄电池5的容量直到满足平滑度要求为止；

(5)到达t₁时刻后，循环到步骤(1)。

Images