CN104836245B - 一种电池储能控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池储能控制***，属于电力***技术领域。所述***包括：用于风机并入多机***后引起的强迫功率振荡的分析模块；与所述强迫功率振荡分析模块相连，用于解决所述强迫功率振荡问题的电池储能***模型；与所述电池储能***模型相连，用于实现所述电池储能***平抑风功率波动的控制***模块；本发明公开了一种适用于锂离子电池储能设备的充放电控制的方法，用于解决大规模风电并网引起的***强迫功率振荡问题。

Description

一种电池储能控制***

技术领域

本发明涉及一种电池储能控制***，属于电力***技术领域。

背景技术

风力发电作为绿色电力中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的一种发电方式，具有减轻环境污染、调整能源结构、解决偏远地区居民用电问题等突出的作用，使世界各国越来越重视风电的研究，进而使得其得到了迅猛的发展。

然而，风电出力具有随机性和波动性。当风速扰动的频率与***功率振荡的固有频率一致或接近时，会引起***大规模功率振荡，且振荡幅值随着扰动幅值增大而增大。大规模风电并网引起的强迫功率振荡问题使得电网的电压安全裕度减小，这样容易引起***发生电压崩溃的现象，降低了电网运行的稳定性和安全性。现阶段的“弃风”做法不能高效地利用风力资源，严重制约了风电大规模开发与应用。

对于上述问题，现阶段主要采用电力***稳定器(PSS)的控制来增强***阻尼，从而提高***的动态稳定性。然而，由于大多数风电场位于电网末端，网络结构薄弱，同时风电场规模日益增大，单台容量小数量多，其造成的强迫功率振荡影响也相应增大，使得PSS控制的实现和成效都可能无法达到预期。随着锂离子电池技术的发展，锂电池寿命长、环境适应性强、自放电率低、环境污染小等特点使其成为解决大规模风电并网造成***强迫功率振荡问题的有效方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对大规模风电并网造成***强迫功率振荡问题，提出了一种电池储能控制***，该***采用锂离子电池储能设备，实时控制和提高***的稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种电池储能控制***，该***包括：用于风机并入多机***后引起的强迫功率振荡的分析模块；与所述强迫功率振荡分析模块相连，用于解决所述强迫功率振荡问题的电池储能***模型；与所述电池储能***模型相连，用于实现所述电池储能***平抑风功率波动的控制***模块；

所述强迫功率振荡的分析模块包括大规模风电并网造成***强迫功率振荡现象分析：

所述风电场并入多机***的等效模型包含由两条联络线相连的两个相似区域，每个区域包含两个发电机组G1、G2、G3、G4，在所述***7号节点位置并入双馈感应风力发电机组；

利用李亚普诺夫线性化方法得到所述***的状态方程如公式所示：

其中，X为所述***的状态变量矢量；A是所述***的状态矩阵，其特征值反应了***的稳定性：实数特征根对应一个非振荡模式，负实数特征根表示衰减模式，正实数特征根表示非周期性不稳定，复特征根以共轭对形式出现：

λ＝α±j2πf

其中，α为阻尼，α>0表示增幅振荡，α<0表示阻尼振荡，f为***固有振荡频率，由于风速扰动具有周期性波动分量如公式所示，当风速扰动频率与***固有振荡频率相同或相近时，可以观察到***强迫功率振荡现象；

v_cos＝(v_wgmax/2){1-cos2π[(t/T_G)-(T_1G/T_G)]}

其中，v_wg为阵风风速，m/s；T_G为周期，s；T_1G为启动时间，s；v_wgmax为阵风最大值，m/s；

参考***实时状态以及风速预测值，设计控制方法平滑功率波动，使***满足实时功率平衡；

所述电池储能***模型和其控制***模块为锂离子电池储能设备及其控制***；

所述控制***模块采用PQ控制的DC/AC逆变器，控制电池储能设备根据***功率需求进行充放电，实现平滑风电场并入***引起的强迫功率振荡。

优选的，所述锂离子电池储能设备及其控制***，其中输入信号为电流i，放电时方向为正，充电时方向为负，E为受控电压源，R₁为极化电阻，C为极化电容，R₂为电池内部等效电阻，V为电池的输出电压，锂电池电特性由如下公式描述：

其中，其中E₀为空载电压，E为电池当前电压，K为极化电压，Q为电池容量，A为指数区振幅，B为指数区时间常数的逆，通过与实际电池充放电曲线拟合来确定参数K、A、B，从而获得锂电池等效模型。

优选的：所述控制***模块根据储能设备实时状态确定约束条件、风速扰动预测值和***实时状态来计算在发生强迫功率振荡时***实现功率平衡需补充的功率值P_ref和Q_ref。

有益效果：

(1)本发明公开了一种适用于锂离子电池储能设备的充放电控制的方法，用于解决大规模风电并网引起的***强迫功率振荡问题。

(2)所述***包括强迫振荡现象分析、储能设备控制量的确定、电池储能设备的建模及其充放电控制方式。

本发明首先分析***发生强迫功率振荡现象的成因是***固有振荡频率与风速扰动频率相同或接近，然后根据***实时状态信息以及风速预测值来计算在发生所述现象时***实现功率平衡需补充的功率值，最后设计锂电池模型及其充放电控制***，通过储能设备的充放电控制来实现强迫功率时***功率平衡。

(3)本发明利用电池储能设备快速充放电的特性来解决风电输出波动引起的***强迫功率振荡问题，从而提高***的运行稳定性。

(4)本发明考虑了风力发电的随机性和波动性对电力***的影响，结合高速发展的锂电池储能技术，针对***强迫功率振荡问题提供了有效的解决方法。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是本发明一种针对强迫功率振荡问题的电池储能控制示意图

图2是本发明电池储能控制方法流程图

图3是风机并入两区四机***结构图

图4风速扰动形成强迫振荡时联络线电压功率图

图5风速扰动未形成强迫振荡时联络线电压功率图

图6是锂离子电池等效电路图

图7是电池储能设备PQ控制示意图

图8是储能平滑强迫功率振荡效果图

具体实施方式

实施例一

如图1所示一种电池储能控制***包括：用于风机并入多机***后引起的强迫功率振荡的分析模块；与所述强迫功率振荡分析模块相连，用于解决所述强迫功率振荡问题的电池储能***模型；与所述电池储能***模型相连，用于实现所述电池储能***平抑风功率波动的控制***模块；

所述强迫功率振荡的分析模块包括大规模风电并网造成***强迫功率振荡现象分析：

所述风电场并入多机***的等效模型包含由两条联络线相连的两个相似区域，每个区域包含两个发电机组G1、G2、G3、G4，在所述***7号节点位置并入双馈感应风力发电机组；

利用李亚普诺夫线性化方法得到所述***的状态方程如公式所示：

其中，X为所述***的状态变量矢量；A是所述***的状态矩阵，其特征值反应了***的稳定性：实数特征根对应一个非振荡模式，负实数特征根表示衰减模式，正实数特征根表示非周期性不稳定，复特征根以共轭对形式出现：

λ＝α±j2πf

其中，α为阻尼，α>0表示增幅振荡，α<0表示阻尼振荡，f为***固有振荡频率，由于风速扰动具有周期性波动分量如公式所示，当风速扰动频率与***固有振荡频率相同或相近时，可以观察到***强迫功率振荡现象；

v_cos＝(v_wgmax/2){1-cos2π[(t/T_G)-(T_1G/T_G)]}

其中，v_wg为阵风风速，m/s；T_G为周期，s；T_1G为启动时间，s；v_wgmax为阵风最大值，m/s。

如图2所示，该针对大规模风电并网造成***强迫功率振荡问题的电池储能实时功率控制***设计控制器根据风速预测值、电网负荷需求以及储能实时状态来确定储能输出功率。

(1)强迫功率振荡现象分析

本发明***包含由两条联络线相连的两个相似区域，每个区域包含两个发电机组，发电机组G1、G2、G3、G4额定功率为900MVA、额定电压为20kV。在所述***7号节点位置并入由双馈感应风力发电机组组成的风电场，其容量为230MW。***结构图如图3所示。

根据***方程求得***振荡频率如下表1所示：

表1强迫功率振荡现象分析

由于风电具有周期性波动，为分析风速扰动造成的***强迫振荡特性，设计在65s时添加风速扰动，其特性满足余弦曲线，扰动幅值设置成8m/s，阵风扰动时长设置成20s，其频率等于***弱阻尼区间振荡频率。联络线上的电压和传输功率曲线如图4所示，可以观察到在t＝65s处开始有明显的振荡现象，t＝85s后振荡幅度迅速减小，并逐渐趋于平衡。对比幅值相同，振荡频率与***振荡频率不同的风速扰动的情况(图5所示)，在负荷相同的情况下，风速波动频率与***振荡频率相同时，***有功功率振荡强度剧烈；当风速波动频率与***振荡频率不同时，***虽然有功率振荡现象发生，但强度不是很剧烈。当风速扰动切除时，***振荡幅度会迅速减小。

(2)控制模块如图1所示，根据储能设备实时状态确定约束条件；根据风速扰动预测值以及***实时状态来计算在发生强迫功率振荡时***实现功率平衡需补充的功率值P_ref和Q_ref。

(3)设计储能装置及其控制***

建立锂离子电池储能设备如图6所示，其中输入信号为电流i，放电时方向为正，充电时方向为负。E为受控电压源，R₁为极化电阻，C为极化电容，R₂为电池内部等效电阻，V为电池的输出电压。锂电池电特性由如下公式描述：

其中，其中E₀为空载电压，E为电池当前电压，K为极化电压，Q为电池容量，A为指数区振幅，B为指数区时间常数的逆。通过与实际电池充放电曲线拟合来确定参数K、A、B，从而获得锂电池等效模型。锂电池充放电控制采用PQ控制的DC/AC逆变器，其控制框图如图7所示，其中控制参数设置为控制模块确定的P_ref和Q_ref。

通过仿真验证了以上控制方式对于大规模风电场并入电网所引起的强迫功率振荡问题有显著的解决效果。当原***加入储能***模块及控制模块后，在发生强迫功率振荡情况下，***联络线上的电压及有功功率曲线如图8所示，可以明显观察到对比于图4情况，储能设备有效地减小了***强迫功率振荡的振荡幅度，且该方法具有比较广泛的适用性以及实施的可能性。

以上所述实施说明是本发明较优选的一种实施方式，并不用于限定本发明，凡在本发明原理和规律之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电池储能控制***，其特征在于，所述电池储能控制***包括：用于风机并入多机***后引起的强迫功率振荡的分析模块；与所述强迫功率振荡分析模块相连，用于解决所述强迫功率振荡问题的电池储能***模型；与所述电池储能***模型相连，用于实现所述电池储能***平抑风功率波动的控制***模块；

所述强迫功率振荡的分析模块包括大规模风电并网造成***强迫功率振荡现象分析：

所述风机并入多机***的等效模型包含由两条联络线相连的两个相似区域，每个区域包含两个发电机组，在所述风机并入多机***节点位置并入双馈感应风力发电机组；

利用李亚普诺夫线性化方法得到所述风机并入多机***的状态方程如公式所示：

$\stackrel{\&CenterDot;}{X}=AX$

其中，X为所述风机并入多机***的状态变量矢量；A是所述风机并入多机***的状态矩阵，其特征值反应了***的稳定性：实数特征根对应一个非振荡模式，负实数特征根表示衰减模式，正实数特征根表示非周期性不稳定，复特征根以共轭对形式出现：

λ＝α±j2πf

其中，α为阻尼，α>0表示增幅振荡，α<0表示阻尼振荡，f为***固有振荡频率，由于风速扰动具有周期性波动分量如下公式所示，当风速扰动频率与***固有振荡频率相同或相近时，观察到所述风机并入多机***强迫功率振荡现象；

$v_{wg}=\left\{\begin{array}{c}0,t\&le;T_{1G}\\ v_{cos},T_{1G}\&le;t<T_{1G}+T_G\\ 0,t\&GreaterEqual;T_{1G}+T_G\end{array}\right.$

v_cos＝(v_wgmax/2){1-cos2π[(t/T_G)-(T_1G/T_G)]}

其中，v_wg为阵风风速，m/s；T_G为周期，s；T_1G为启动时间，s；v_wgmax为阵风最大值，m/s；

参考所述风机并入多机***实时状态以及风速预测值，设计控制方法平滑功率波动，使***满足实时功率平衡；

所述电池储能***模型及其控制***模块为锂离子电池储能设备及其控制***；

所述控制***模块采用PQ控制的DC/AC逆变器，控制电池储能设备根据***功率需求进行充放电，实现平滑风机并入多机***引起的强迫功率振荡。

2.根据权利要求1所述的电池储能控制***，其特征在于：所述锂离子电池储能设备及其控制***，其中输入信号为电流i，放电时方向为正，充电时方向为负，E为受控电压源，R₁为极化电阻，C为极化电容，R₂为电池内部等效电阻，V为电池的输出电压，锂离子电池电特性由如下公式描述：

$E=E_0-K\frac{Q}{Q-\&Integral;idt}+A\exp (-B\&Integral;idt)$

其中，其中E₀为空载电压，E为电池当前电压，K为极化电压，Q为电池容量，A为指数区振幅，B为指数区时间常数的逆，通过与实际电池充放电曲线拟合来确定参数K、A、B，从而获得锂离子电池等效模型。

3.根据权利要求1所述的电池储能控制***，其特征在于：所述控制***模块根据储能设备实时状态确定约束条件、风速扰动预测值和***实时状态来计算在发生强迫功率振荡时***实现功率平衡需补充的功率值P_ref和Q_ref。