专利名称：基于快速储能的风电潮流优化系统及其控制方法
技术领域：
一种基于快速储能的风电潮流优化系统及其控制方法，属于新能源发电技术中风电功率调节控制的技术领域。
背景技术：
作为能源，风能最大的缺陷在于其不稳定性、不连续性和不可控性，并网运行的风电机组达到一定的渗透度后，其输出功率的波动会导致电网潮流大小、方向频繁变化，将引起电网电压的波动、闪变以及频率的不稳定。此外，由于大多数风电机组需要通过功率变换装置与系统连接，这些功率变换装置在控制机组有功、无功的同时会给电网带来较多的谐波污染。一定渗透容量的风电系统在遭遇发电单元或负荷突变、系统故障或结构变化，以及并网或离网过程等扰动时，则会给自身或公共电网造成了较严重的稳定性和电能质量问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够改善电网电能质量，提高系统稳定性和安全性的基于快速储能的风电潮流优化系统及其控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该基于快速储能的风电潮流优化系统，其特征在于包括蓄电池组、直流功率调节系统、超级电容器组、交直流功率调节系统， 直流功率调节系统采用多组相并联的双向Buck-Boost变流拓扑，蓄电池组位于直流功率调节系统低压侧，超级电容器组位于直流功率调节系统高压侧，储能环节与公共电网通过交直流功率调节系统连接。所述的直流功率调节系统采用三组相并联的双向Buck-Boost变流拓扑功率调节单元S1-S6，每组双向Buck-Boost变流拓扑功率调节单元由带反并联二极管的2支相串联的三极管IGBT和1支电感Lde组成，相串联的2支三极管IGBT连接点与电感Lde的一端相连，电感Lde的另一端接蓄电池的正极，相串联的上端三极管IGBT的集电极C和下端三极管 IGBT的发射极E分别同超级电容器组的正、负端连接。一种权利要求1基于快速储能的风电潮流优化系统的控制方法，其特征在于包括储能功率分配控制方法和潮流优化控制方法，所述的储能功率分配控制方法根据超级电容器组荷电状态SOC所属区域，采用基于超级电容器电压低频波动抑制的功率分配策略， 控制直流功率调节系统实现两种储能元件间的功率分配；所述的潮流优化控制方法，根据蓄电池组荷电状态SOC所属区域，基于系统及电网间能量流动的动态调整规则，柔性控制交直流功率调节系统与公共电网间的有功功率交换。所述的储能元件荷电状态SOC区域划分方法为潮流优化控制过程中，超级电容器组荷电状态SOC与电压存在着确定的对应关系5 c = |c_f/〗，因此依据超级电容器的电压值划分其荷电状态SOC区域，在本系统中，超级电容器组的额定电压IPU为其最高工作电压Ucmax;超级电容器组位于直流功率调节系统O)高压侧，因此其最低工作电压UMn 0.4PU即为蓄电池组电压；超级电容器组荷电状态SOC区间的近似中间值所对应电压设定为参考电压Utof，本系统取为0. 7倍额定电压 0. 7PU ；其中设定超级电容器组电压低于0. 98倍额定电压UeA0. 98PU为安全荷电状态SOC区域S ；高于0. 98倍额定电压UCA0. 98PU进入荷电状态SOC警戒区域A ；蓄电池组荷电状态SOC区域的划分蓄电池组的额定荷电状态IPU为其荷电状态最高值SOCmax，取0. 1倍额定荷电状态0. IPU为其荷电状态最低值SOCmin，高于0.9倍额定荷电状态值SOCa 0. 9PU为荷电状态SOC警戒区域A ；低于0. 3倍额定荷电状态值SOCb 0. 3PU 为警戒SOC区域B ；0. 3PU-0. 9PU为荷电状态SOC安全区域S。所述的潮流优化系统及电网间能量流动的动态调整规则为如果蓄电池组实时荷电状态位于荷电状态SOC安全区域S时idMf= idrefl，如果蓄
电池组实时荷电状态位于荷电状态SOC警戒区域A时若idrefl >0
权利要求
1.一种基于快速储能的风电潮流优化系统，其特征在于包括蓄电池组(1)、直流功率调节系统O)、超级电容器组(3)、交直流功率调节系统G)，直流功率调节系统(2)采用多组相并联的双向Buck-Boost变流拓扑，蓄电池组(1)位于直流功率调节系统(2)低压侧， 超级电容器组(3)位于直流功率调节系统(2)高压侧，储能环节与公共电网通过交直流功率调节系统(4)连接。
2.根据权利要求1所述的基于快速储能的风电潮流优化系统，其特征在于直流功率调节系统(2)采用三组相并联的双向Buck-Boost变流拓扑功率调节单元S1-S6，每组双向 Buck-Boost变流拓扑功率调节单元由带反并联二极管的2支相串联的三极管IGBT和1支电感Ld。组成，相串联的2支三极管IGBT连接点与电感Ld。的一端相连，电感Ld。的另一端接蓄电池的正极，相串联的上端三极管IGBT的集电极C和下端三极管IGBT的发射极E分别同超级电容器组的正、负端连接。
3.—种权利要求1基于快速储能的风电潮流优化系统的控制方法，其特征在于包括储能功率分配控制方法和潮流优化控制方法，所述的储能功率分配控制方法根据超级电容器组荷电状态SOC所属区域，采用基于超级电容器电压低频波动抑制的功率分配策略，控制直流功率调节系统(2)实现两种储能元件间的功率分配；所述的潮流优化控制方法，根据蓄电池组荷电状态SOC所属区域，基于系统及电网间能量流动的动态调整规则，柔性控制交直流功率调节系统(4)与公共电网间的有功功率交换。
4.根据权利要求3基于快速储能的风电潮流优化系统的控制方法，其特征在于储能元件荷电状态SOC区域划分方法为潮流优化控制过程中，超级电容器组荷电状态SOC与电压存在着确定的对应关系5 c = |c_f/〗，因此依据超级电容器的电压值划分其荷电状态SOC区域，在本系统中，超级电容器组的额定电压IPU为其最高工作电压Ucmax ；超级电容器组位于直流功率调节系统O) 高压侧，因此其最低工作电压Ucmin 0. 4PU即为蓄电池组电压；超级电容器组荷电状态SOC 区间的近似中间值所对应电压设定为参考电压Uttrf，本系统取为0. 7倍额定电压0. 7PU ；其中设定超级电容器组电压低于0. 98倍额定电压UCA0. 98PU为安全荷电状态SOC区域S ；高于0. 98倍额定电压UCA0. 98PU进入荷电状态SOC警戒区域A ；蓄电池组荷电状态SOC区域的划分蓄电池组的额定荷电状态IPU为其荷电状态最高值SOCmax，取0. 1倍额定荷电状态0. IPU为其荷电状态最低值SOCmin，高于0.9倍额定荷电状态值SOCa 0. 9PU为荷电状态SOC警戒区域A ；低于0. 3倍额定荷电状态值SOCb 0. 3PU为警戒SOC区域B ；0. 3PU-0. 9PU为荷电状态SOC安全区域S。
5.根据权利要求3基于快速储能的风电潮流优化系统的控制方法，其特征在于潮流优化系统及电网间能量流动的动态调整规则为如果蓄电池组实时荷电状态位于荷电状态SOC安全区域S时idMf = idMfl，如果蓄电Z1 ASOC、池组实时荷电状态位于荷电状态SOC警戒区域A时若idrefl > 0,W =hrefl-(\-^ZTT-)；若idMfl<0，idref = idMfl，如果蓄电池组实时荷电状态位于荷电状态SOC警戒区域B时/SSOC若 idrefl > 0，idref = IdrefI ；若 idrefl < 0，W = UrefX ‘ (1 ~ ΤΓ^；~)，其中idrefl 为交直流功率调节系统有功指令的原始计算值；idMf为交直流功率调节系统有功指令的调整值；Δ SOC 为蓄电池组实时荷电状态SOC与参考荷电状态SOCref的差值，即ASOC= SOC-SOCref ； SOCpm或SOCnm为自SOCref起可充/放电的最大容量空间，即SOCpm = SOCmax-SOCref, SOCnm = SOCref-SOCmin0
6.根据权利要求3-5任一所述的基于快速储能的风电潮流优化系统的控制方法，其特征在于所述基于超级电容器电压低频波动抑制的功率分配策略的电压外环调节控制步骤如下步骤2101，开始执行直流功率调节系统电压外环调节流程；步骤2102，判断是否开关周期中间时刻到，如果没到，执行其他程序，如果到了，执行步骤 2103 ；步骤2103，对超级电容器电压采样、直流功率调节系统电感电流采样； 步骤2104，判断超级电容器组荷电状态SOC是否位于安全区域S，如果不是，将低通滤波时间常数调整为0，如果是，执行步骤2105 ；步骤2105，低通滤波时间常数为正常低通滤波值； 步骤2106，低通滤波计算得到超级电容器低频电压反馈值； 步骤2107，给定超级电容器低频电压值； 步骤2108，求取给定值与反馈值差值； 步骤2109，对差值进行积分累计计算；步骤2110，判断积分累计值是否超出限定值，如果是，积分累计限幅，如果不是，执行步骤 2111 ；步骤2111，对差值进行比例放大计算； 步骤2112，求取比例部分与积分累计部分和值；步骤2113，判断和值是否超出限定值，如果是，进行比例积分和值限幅，如果不是，执行步骤2114 ；步骤2114，将比例积分和值作为电压外环调节输出； 步骤2115，结束；所述基于超级电容器电压低频波动抑制的功率分配策略的电流内环调节控制步骤如下步骤2201，开始执行直流功率调节系统电流内环调节流程；步骤2202，将电压调节输出经量级调整作为直流功率调节系统电流内环总的电流指令；步骤2203，按并联单元个数对电流指令平均后作为单元电流指令； 步骤2204，将开关周期中点电感电流值作为反馈值； 步骤2205，求取给定值与反馈值差值； 步骤2206，对差值进行积分累计计算；步骤2207，判断积分累计值是否超出限定值，如果是，进行积分累计限幅，直至积分累计值小于限定值，如果不是，执行步骤2208 ； 步骤2208，对差值进行比例放大计算； 步骤2209，求取比例部分与积分累计部分和值；步骤2210，判断和值是否超出限定值，如果是，进行比例积分和值限幅，直至和值小于限定值，如果不是，执行步骤2211 ；步骤2211，将比例积分和值作为电流内环调节输出； 步骤2212，调节输出经量级调整后作为CPU寄存器给定值； 步骤2213，结束。
7.根据权利要求5所述的基于快速储能的风电潮流优化系统的控制方法，其特征在于所述基于蓄电池组荷电状态SOC的系统与电网间能量动态调整规则的有功、无功电流指令生成步骤步骤4101 开始交直流功率调节系统有功与无功电流指令生成； 步骤4102 判断是否按调度指令向电网注入恒定有功，如果是，按调度指令给定有功功率指令值，执行步骤4106，如果不是，执行步骤4103 ；步骤4103，对风电机组注入电网电流、接入点电压及蓄电池组荷电状态SOC检测，执行步骤4104 ；步骤4104，进行基于瞬时无功理论的有功功率计算；步骤4105，利用低通滤波器对风电机组输出有功滤波，得到交直流功率调节系统的有功功率指令；步骤4106，将有功功率指令经量级调整转换为有功电流指令； 步骤4107，根据基于蓄电池组荷电状态SOC的有功电流调整规则调整计算有功指令； 步骤4108，判断是否按风电机组输出无功等值补偿，如果是，按风电机组输出无功给定无功功率指令值，执行步骤4114，如果不是，执行步骤4109 ； 步骤4109，将接入点额定电压与实际电压作差； 步骤4110，对差值进行积分累计计算； 步骤4111，对差值进行比例放大计算； 步骤4112，求取比例部分与积分累计部分和值；步骤4113，比例积分和值限幅后作为交直流功率调节系统无功功率指令； 步骤4114，将无功功率指令经量级调整后作为无功电流指令； 步骤4115，结束；所述基于蓄电池组荷电状态SOC的动态能量调整方法的有功、无功电流指令跟踪步骤步骤4201，开始交直流功率调节系统有功和无功电流指令跟踪程序； 步骤4202，对交直流功率调节系统输出电流、电压检测；步骤4203，将基于瞬时无功理论分解的交直流功率调节系统输出电流的有功分量和无功分量分别作为反馈值；步骤4204，将有功电流和无功电流的给定值与反馈值作差值； 步骤4205，对差值进行积分累计计算；步骤4206，判断积分累计值是否超出限定值，如果是，进行积分累计限幅，直至积分累计值小于限定值，如果不是，执行步骤4207 ； 步骤4207，对差值进行比例放大计算； 步骤4208，求取比例部分与积分累计部分和值；步骤4209，判断和值是否超出限定值，如果是，进行比例积分和值限幅，直至和值小于限定值，如果不是，执行步骤4210 ；步骤4210，将比例积分和值作为有功电流和无功电流的调节输出； 步骤4211，基于瞬时无功理论将有功电流和无功电流分量折算为三相电流输出值； 步骤4212，将三相电流输出值折算为CPU寄存器给定值； 步骤4213，结束。
全文摘要
一种基于快速储能的风电潮流优化系统及其控制方法，属于新能源发电技术中风电功率调节控制的技术领域。包括蓄电池组(1)、直流功率调节系统(2)、超级电容器组(3)、交直流功率调节系统(4)，直流功率调节系统(2)采用多组相并联的双向Buck-Boost变流拓扑，蓄电池组(1)位于直流功率调节系统(2)低压侧，超级电容器组(3)位于直流功率调节系统(2)高压侧，储能环节与公共电网通过交直流功率调节系统(4)连接。本系统控制方法包含储能功率分配控制方法和潮流优化控制方法，涉及储能元件荷电状态SOC区域划分方法和系统及电网间能量流动的动态调整规则。能够改善电网电能质量，提高系统的稳定性和安全性。
文档编号H02J3/46GK102496967SQ201110390509
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者张磊, 李海东, 赵艳雷, 韦统振 申请人:山东理工大学