应用于平抑风电功率波动的多类型储能系统容量配置与协调控制研究

摘要

随着经济的发展，对传统能源的消耗日益增长，造成全球能源供应紧张，也带来严重的环保问题。开发利用间歇式能源为解决世界性能源危机与环境污染问题提供了新思路，对改善能源结构、促进国民经济可持续发展具有重要的战略意义。而储能系统可以吸收、释放功率，为平抑功率波动、提高间歇式电源接入电网的能力提供了有效的手段。目前各种储能技术差异较大，将性能互补性强的多类型储能技术组合起来，可以取长补短，提高储能的功率输出能力、增加放电时间、延长使用寿命、降低全寿命周期费用等。研究多类型储能系统（HESS）的容量配置与协调控制算法，具有重要的理论和应用价值。
　　 本文主要研究内容如下:
　　 (1)提出了一种基于离散小波变换的多类型储能系统容量配置算法，以风电场历史功率数据为研究对象，首先采用基于熵权法的小波函数优化选择算法，得到优化小波，接着对风功率曲线进行离散小波变换，符合1分钟与30分钟两个时间尺度功率波动平抑指标的风功率低频部分作为平滑合成输出，然后依据风功率波动的变化频率分配HESS的充放电指令值，充分发挥超级电容的动态适应性强和锂电池的能量密度高的特点，再经过统计分析，最终形成经济、有效的容量配置方案;
　　 (2)与基于离散小波变换的多类型储能系统容量配置算法相对应，提出了基于实时小波的HESS分时段协调控制算法，利用两级实时小波滤波:基础级小波滤波，有效保证合成输出满足平抑指标;提高级小波滤波，去除因风功率随机波动以及滤波窗口滚动而产生的噪声，从而进一步平滑了合成输出;同时提出了主动式能量反馈控制，将储能的荷电状态保持在安全充放区间。算例分析表明:在保证并网标准技术指标的前提下，比常规的算法更经济也更能跟踪风功率的变化;
　　 (3)提出了基于模型预测控制的多类型储能系统分时段优化控制算法:计算时段以未来一个控制时段使用的两种储能代价最小为优化目标，调用IPOPT解法器求解，优化得到一阶滤波的时间常数从而得到超级电容器的出力，并同时优化锂电池的出力;非计算时段利用上一个计算时段得到的时间常数计算超级电容器的充放电指令值，以未来一个控制时段使用的锂电池出力最小为目标，只优化锂电池的出力。利用滚动时域控制策略实现实时控制，增强应对各种扰动和不确定性的能力。采用一定策略将平抑波动约束等效转化为线性约束，结合约束松弛技术，提高了算法的优化成功率。为利于HESS的长期运行，提出了基于区间缩减技术的电池储能容量反馈优化控制算法和自适应粗糙度惩罚的改进，进一步平滑了输出，减小了储能容量，从而在满足波动平抑指标的同时，提高系统运行经济性。通过算例分析可以发现，该算法只需配置较小的容量，且算法简单，计算量小，便于工程在线实现。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外储能技术发展现状

1．2．2 国内外的风电功率波动指标

1．2．3 储能应用于平抑波动的研究

1．2．4 多类型储能系统容量配置的研究

1．2．5 多类型储能系统协调控制的研究

1．3 论文的主要工作

第2章 基于离散小波变换的多类型储能系统容量配置

2．1 引言

2．2 多类型储能系统

2．2．1 锂电池

2．2．2 超级电容器

2．2．3 多类型储能系统的结构

2．3 小波变换的原理

2．3．1 尺度函数和小波函数

2．3．2 小波变换的分类

2．4 基于离散小波变换的多类型储能系统容量配置算法

2．4．1 离散小波变换与频带划分

2．4．2 最初层与最佳层

2．4．3 多类型储能系统的容量配置算法

2．4．4 算法总体流程

2．5 基于熵权法的小波函数优化选择算法

2．5．1 母小波函数族

2．5．2 小波函数优化选择评价指标

2．5．3 基于熵权法的小波优化选择算法

2．6 算例分析

2．6．1 数据分析

2．6．2 小波优化选择

2．6．3 容量配置

2．7 本章小节

第3章 基于实时小波滤波的多类型储能系统协调控制

3．1 引言

3．2 含储能的风电发电系统

3．3 小波滤波

3．3．1 短时小波变换

3．3．2 两级滤波

3．3．3 连续变换时间窗(CTTW)

3．3．4 边界处理

3．3．5 分时段

3．3．6 功率平抑波动区间

3．4 算法流程

3．4．1 数据预处理

3．4．2 分时段

3．4．3 一级小波滤波(PF)

3．4．4 二级小波滤波(SF)

3．4．5 能量管理

3．4．6 储能剩余能量反馈控制

3．4．7 移动窗口

3．5 储能系统的评估

3．5．1 累积损伤疲劳模型

3．5．2 等效循环次数

3．6 算例分析与算法比较

3．6．1 基础数据

3．6．2 算法比较分析

3．6．3 算例CASE1仿真分析

3．7 本章小结

第4章 基于模型预测控制的多类型储能系统协调控制

4．1 引言

4．2 模型预测控制

4．2．1 基本思想

4．2．2 实现方法

4．3 应用于平抑波动的多类型储能系统优化控制模型

4．3．1 一阶滤波环节的离散模型

4．3．2 基于MPC的多类型储能系统优化控制模型

4．3．3 基于MPC的单一储能系统优化控制模型

4．4 模型的求解

4．4．1 控制器设置

4．4．2 约束的软化与调整

4．4．3 主动式储能能量反馈优化控制

4．4．4 基于自适应粗糙度惩罚因子的改进

4．5 算法比较与算例分析

4．5．1 基础数据

4．5．2 算法比较分析

4．5．3 算例CASE1比较分析

4．5．4 算例CASE1仿真分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 后续工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果