基于变化率控制储能电站平滑风光发电波动的方法及系统

摘要

本发明涉及基于变化率控制储能电站平滑风光发电波动的方法及系统，包括步骤A读取数据并对数据进行存储和管理；B基于风力发电机和光伏发电机的运行状态及额定功率，确定动态斜率限制器限制信号的变化速率；C计算风光发电总功率平滑目标值；D基于风光发电总功率平滑目标值计算电池储能电站总功率需求；E数据输出。该系统包括：通讯模块、数据存储与管理模块、变化率界限计算模块、动态斜率限制器模块以及功率分配控制器模块等。本发明能够将风光发电波动率有效抑制在波动率限制值以下，可以有效平滑风光发电出力，从而实现平滑风光发电出力的同时，有效减少储能电池的使用负担，便捷、灵活的控制电池储能电站系统。

说明书

技术领域

本发明属于智能电网以及能量存储与转换技术领域，具体涉及一种基于大功率大容量储 能系统的风光发电出力平滑控制方法，其适用于大规模风光储联合发电系统中风光发电出力 平滑及兆瓦级储能电站的电池实时功率计算方法。

背景技术

由于风能和光伏发电等的不确定性和不稳定性等特点，风光发电产生功率的瞬时上升或 跌落将造成输出功率不平稳，使得风电和光伏发电并网功率随之不断波动。而且，随着风能 和光伏发电在电网中所占比例不断增加，风电及太阳能发电输出功率的平滑控制越来越受到 关注。

随着电池及其集成技术的不断发展，应用电池储能电站去平滑风电及太阳能发电输出逐 渐成为了一种可行方案。通过合理控制连接在储能设备上的变流器，高效实现储能系统的充 放电，能在很大程度上解决由于风电及光伏发电随机性、间歇性及波动性等带来的风光发电 输出功率不稳定问题，以满足风力及太阳能发电的平滑输出要求，并有效解决由于风电及光 伏发电波动给电网频率波动带来的电能质量等问题。风光储联合发电系统本质上是一种多能 源系统，如何协调各个电源系统的工作，是多能源混合发电系统研发上一个关键问题。从电 池的角度来说，过度的充电和过度的放电都会对电池的寿命造成影响。因此，监控好电池荷 电状态(State of Charge：SOC)，并将电池的荷电状态控制在一定范围内是必要的。而且，在 风光储联合发电系统中，如果没有合理有效的控制策略去监控储能电池的剩余电量，则会增 加不必要的电池容量和使用成本。

电池储能电站可根据风电及光伏发电出力的平滑要求和储能电池剩余容量SOC，对风光 发电功率进行波动平滑。因此，有必要开展风光储联合发电系统的研究并提出相关控制方法。 目前有关基于兆瓦级大功率大容量电池储能电站的风光发电出力平滑控制方面的专利、文献、 技术报告等非常少，需要深入研究和探索。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的之一在于提供一种能够抑制风光发电出力波动，有效减少 电池储能电站的利用率，延长电池储能电站使用寿命的控制电池储能电站平滑风光发电波动 方法及系统。

本发明的控制方法是通过下述技术方案实现的：

一种基于变化率控制储能电站平滑风光发电波动的方法，包括以下步骤：

A、读取风光发电场及电池储能电站的相关数据，并对数据进行存储，所述风光发电场 包括并网运行的风力发电机组和光伏发电机组；

B、实时确定出风光发电总功率的变化速率限制值；

C、实时计算出风光发电总功率平滑目标值；

D、实时计算出电池储能电站总功率实时需求值；

E、将步骤D计算出的电池储能电站总功率实时需求值以及步骤C计算出的风光发电总 功率平滑目标值输出至外部监控平台。

进一步地，所述步骤A中，读取的相关数据包括：风光发电波动率限制值，风力发电总 功率值，光伏发电总功率值，风光发电场中各风力发电机组的运行状态值和额定功率值，光 伏发电场中各光伏发电机组的运行状态值和额定功率值以及电池储能电站的最大允许充电功 率和最大允许放电功率等等。

进一步地，所述步骤B的具体步骤包括：

B1)计算当前并网运行的风力发电机组和光伏发电机组的总额定功率，即风光发电总额 定功率；

B2)通过风光发电总额定功率，实时计算风光发电总功率的变化速率限制值。

进一步地，所述步骤C的具体步骤包括：

C1)将第一个被采样、并输入到动态斜率限制器模块的风光发电总功率值设置为初始时 刻经过变化速率限制后的输出功率

C2)基于下式计算当前采样时刻风光发电总功率的变化速率：

上式中，P_风光总(t)、P_风光总(t-1)分别为当前采样时刻t、前一采样时刻t-1的风光发电总 功率值，所述风光发电总功率值等于风力发电总功率值与光伏发电总功率值之和；Δt为风光 发电总功率值的采样周期；

C3)基于变化速率限制条件进行判断，直至求得当前采样时刻经过变化速率限制后的输 出功率为止；对每一次经过变化速率限制后的输出功率进行存储，供下一采样时间 基于变化速率限制条件进行判断时调用；

C4)将当前时刻经过变化速率限制后的输出功率设为当前时刻的风光发电总功 率平滑目标值即

进一步地，所述步骤D的具体步骤包括：

D1)将步骤C所得输出功率与当前采样时刻的风光发电总功率值P_风光总(t)之差 作为当前采样时刻t的电池储能电站总功率实时需求值P_储能总(t)；

D2)基于当前采样t时刻的电池储能电站最大允许充、放电功率，对当前时刻的电池储 能电站总功率实时需求值P_储能总(t)进行修正。

进一步地，所述步骤E中，将步骤D计算出的储能电站总功率实时需求值以及步骤C计 算出的风光发电总功率平滑目标值发送给通讯模块，再由通讯模块输出至外部监控平台，以 执行对电池储能电站的功率控制，同时实现对风光发电出力的平滑功能。

本发明的另一目的在于提出一种基于变化率控制储能电站平滑风光发电波动的系统，该 系统包括：

通讯模块，用于接收风光发电场和电池储能电站的相关数据，并与外部监控平台进行数 据传输和通信；

数据存储与管理模块，用于存储和管理风光发电场和电池储能电站的相关数据；并将计 算出的风光发电总功率平滑目标值和电池储能电站总功率实时需求值输出至外部监控平台；

变化率界限计算模块，用于实时确定出风光发电总功率的变化速率限制值，并传至动态 斜率限制模块；

动态斜率限制器模块，用于实时计算出风光发电总功率平滑目标值；和

功率分配控制器模块，用于实时计算电池储能电站总功率实时需求值。

与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供一种基于变化率控制储能电站平滑风光发电波动的方法及系统，该方法和系 统主要是基于风光发电波动率限制值以及动态斜率限制器模块，计算风光发电总功率平滑目 标值以及储能电站总功率需求值；实现了根据风光发电并网需求平抑风光发电波动，只有当 风光发电波动率违反并网限制条件时，才通过储能系统平滑风光发电波动，从而实现了抑制 风光发电出力波动的同时，有效减少电池储能电站的利用率，延长电池储能电站使用寿命等 益处。

附图说明

图1是本发明风光储联合发电系统的结构示意图；

图2是本发明基于动态斜率限制器的电池储能电站平滑风光发电出力波动的实施框图；

图3是本发明基于储能电站平滑风光发电波动的控制效果示意图；

图4是本发明基于储能电站平滑风光发电波动时抑制波动率效果示意图；

图5是本发明基于储能电站平滑一整天光伏发电波动的控制效果示意图；

图6是本发明基于储能电站平滑一整天光伏发电波动时抑制波动率效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。本例中以锂离子电池储能电 站为例进行说明。

如图1所示，风光储联合发电系统包括风光发电场(为风力发电场和光伏发电场的简称)、 电池储能电站和电网；风力发电场、光伏发电场及电池储能电站分别通过变压器与电网连接。 风力发电场中设有多台风力发电机组，每台风力发电机组分别通过一变流器与变压器相连； 光伏发电场中设有多台光伏发电机组，每台光伏发电机组分别通过一变流器与变压器相连； 风力发电机组和光伏发电机组采用并网运行方式，风力发电场和光伏发电场的内部连接示意 图在此省略。电池储能电站中的各锂离子电池储能子单元与双向变流器连接。

图2是基于动态斜率限制器模块的电池储能电站平滑风光发电出力波动的实施框图。如 图2所示，本发明是通过设置在工控机中的通讯模块10、数据存储与管理模块20、变化率界 限计算模块30、动态斜率限制器模块40及功率分配控制器模块50实现的。

通讯模块10负责接收风电、光伏发电及电池储能电站相关运行数据，以及向外部监控平 台发送风光发电总功率平滑目标值和电池储能子单元功率命令值，监控平台设置在通讯模块 左侧，与通讯模块连接，实现监测和控制通讯模块的作用；

数据存储与管理模块20用于存储和管理风力发电场相关数据、光伏发电场相关数据及电 池储能电站运行时的实时数据和历史数据；而且负责将计算出的风光发电总功率平滑目标值 和储能电站总功率需求值按事先设定的协议赋值给相关接口变量，供外部监控平台进行调用；

变化率界限计算模块30用于实时计算出风光发电总功率的变化速率限制值(即动态斜率 限制器模块所需的限制信号上升/下降变化率限制值)，并传至动态斜率限制模块；

动态斜率限制器模块40用于实时计算风光发电总功率平滑目标值；

功率分配控制器模块50用于实时计算电池储能电站总功率实时需求值。

本发明提供的基于变化率控制的储能电站平滑风光发电波动方法及系统，包括下述步骤：

步骤A：通过通讯模块10读取风力发电场、光伏发电场及电池储能电站运行的相关数据， 主要包括：风力发电总功率值、光伏发电总功率值、各风力发电机组运行状态值、各风力发 电机组额定功率值、各光伏发电机组运行状态值、各光伏发电机组额定功率值、风光发电波 动率限制值以及电池储能电站的最大允许放电功率值和最大允许充电功率值等，然后将上述 相关数据传至数据存储与管理模块20进行存储和管理。

步骤B：基于当前并网运行的风光发电机组总额定功率和风光发电波动率限制值，实时 计算风光发电总功率的变化速率限制值(即：动态斜率限制器中所需的限制信号的上升/下降 变化率限制值)。

步骤C：首先计算风光发电总功率的变化速率；然后根据变化速率限制条件确定出经过 变化速率限制后的输出功率；其次将经过变化速率限制后的输出功率设为当前时刻的风光发 电总功率平滑目标值。

步骤D：基于功率分配控制器模块计算储能电站总功率实时需求值。即，将动态斜率限 制器的输出值与风光发电总功率的差值作为储能电站总功率实时需求。

步骤E：将步骤D计算出的储能电站总功率实时需求值以及步骤C计算出的风光发电总 功率平滑目标值发送给通讯模块，再由通讯模块输出至外部监控平台，以执行对电池储能电 站的功率控制，同时实现对风光发电出力的平滑功能。

步骤B的具体步骤如下：

B1)基于各风力发电机组运行状态信号、各风力发电机组额定功率值、各光伏发电机组 运行状态信号以及各光伏发电机组额定功率值，基于下式(1)计算出当前并网运行的风光发 电机组总额定功率：

上述式(1)中，为风机机组k的额定功率；u_风电k为风机机组k的运行状态，当 该风机机组k运行可控时，此状态值为1，其他值为0；为光伏机组k的额定功率；u_光伏k为光伏机组k的运行状态，当该光伏机组k运行可控时，此状态值为1，其他值为0；上述各 数值均通过步骤A直接读取。W为风机机组个数；V为光伏机组个数。

B2)基于当前并网运行的风光发电机组总额定功率和风光发电波动率限制值，实时计算 动态斜率限制器中所需的限制信号的变化速度，即，上升/下降变化率限制值分别下式(2)- (3)计算：

式(2)-(3)中，为动态斜率限制器输入信号的上升变化率限制值；为 动态斜率限制器输入信号的下降变化率限制值；为风光发电波动率限制值；T_时间尺度为 变化率的考察时间间隔。

下面对本步骤进行举例说明：例如、当前并网运行的风光发电机组总额定功率为 100MW(100×1000＝100000kW)、风光发电波动率限制值为7％/15分、变化率的考察时间间隔 T_时间尺度设置为15分钟，即15×60＝900秒(s)，上升/下降变化率限制值分别计算如下：

步骤C的具体方法包括：

C1)将第一个被采样、并输入到动态斜率限制器模块的风光发电总功率值设置为初始时 刻(t＝1)经过变化速率限制后的输出功率

C2)所述动态斜率限制器模块基于下式计算t采样时刻的风光发电总功率的变化速率：

式(8)中，P_风光总(t)为当前采样时刻t的风光发电总功率值(单位kW)，该风光发电总 功率值等于t采样时刻风力发电总功率值与光伏发电总功率值之和，风力发电总功率值和光 伏发电总功率值通过步骤A(通讯模块)进行读取；P_风光总(t-1)为前一个采样时刻的风光发电总 功率值(单位kW)；Δt为被限制信号(即风光发电总功率值信号)采样周期。

下面对本步骤进行举例说明：例如、当前采样时刻t的风光发电总功率值为10050kW、 前一个采样时刻(t-1)的风光发电总功率值为10000kW、被限制信号(风光发电总功率值 信号)采样周期为5秒时，风光发电总功率的变化速率计算结果如下：

C3)基于变化速率限制条件进行判断，直至求得当前采样时刻经过变化速率限制后的动 态斜率限制器模块输出功率为止；对每一次经过变化速率限制后的输出功率进行存 储，作为基础数据供下一采样时刻基于变化速率限制条件进行判断时调用。所述基于变化速 率限制条件进行判断的具体方法如下：

如果则

如果则

如果则

式中，为当前采样时刻(即t采样时刻)经过变化速率限制后的输出功率(即t 采样时刻的动态斜率限制器模块输出功率)；为前一采样时刻经过变化速率限制后 的输出功率(即t-1采样时刻的动态斜率限制器模块输出功率)。每两个相邻采样时刻之间为 一个采样时间(即采样周期)Δt，本例中可以取值为5s。

C4)将当前采样时刻(即t采样时刻)经过变化速率限制后的输出功率设为当前采样时 刻(即t采样时刻)的风光发电总功率平滑目标值即

步骤D的具体步骤包括：

D1)基于步骤C所得当前采样时刻(即t采样时刻)经过变化速率限制后的输出功率 与当前采样时刻(即t采样时刻)风光发电总功率值P_风光总(t)，通过下式计算出当前 采样时刻(即t采样时刻)电池储能电站总功率实时需求值：

D2)基于当前采样时刻(即t采样时刻)电池储能电站的最大允许放电功率和最大允许充电功率对式(14)所得t采样时刻电池储能电站总功率实时需求 值进行修正：

如果满足：P_储能总(t)＞0且

则

如果满足：P_储能总(t)＜0且

则

图3所示为基于储能电站平滑风光发电波动的控制效果示意图；图4所示为基于储能电 站平滑风光发电波动时抑制波动率效果示意图。图3和4所示结果为风机额定功率为3MW、 光伏发电机额定功率为200kW的风光联合发电系统的输出功率波动平滑效果。

图5所示为基于储能电站平滑一整天光伏发电波动的控制效果示意图；图6所示为基于 储能电站平滑一整天光伏发电波动时抑制波动率效果示意图。图5和6所示结果为光伏发电 场额定功率为2000kW的光伏发电系统的输出功率波动平抑效果。

从图3～图6可以看出，本例中基于变化率控制储能电站平滑风光发电波动方法及其系统， 能够将风光发电波动率有效抑制在波动率限制值以下，并且具有基于风光发电出力波动率限 制条件，有效平滑风光发电出力的功能，从而实现平滑风光发电出力的同时，有效减少储能 电池的使用负担，便捷、灵活的控制电池储能电站系统。在实际工程应用上易于实现和掌握， 可以同时满足风光储联合发电系统的风光出力平滑控制需求及大容量兆瓦级电池储能电站需 求的实时计算要求。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，结合上述 实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员依 然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的 权利要求保护范围之中。