CN111082435B - 一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***包括：***级控制层、协调控制层和设备级控制层；***级控制层位于风电汇流站或升压站，基于电网对于风电场的调度指令将功率及控制保护指令下发至协调控制层同时接收协调控制层上报的设备状态信息；协调控制层用于根据***级控制层下发的功率及控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况制定优化出力控制策略，并将出力控制策略下发至设备控制层，还用于将设备层上传的设备状态信息进行整合上报至***控制层；设备级控制层用于执行出力控制策略，还用于向协调控制层传输设备状态信息。利用压缩空气储能有效抵消风电功率的波动性带来的风力资源浪费，减小了风电场对电网的冲击。

Description

一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***及方法
技术领域
本发明属于风力发电与储能相结合的技术领域，本发明涉及一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***及方法。
背景技术
目前，新能源已被广泛的开发和利用，这其中，海洋因占据地球表面积的71％并拥有着丰富新能源利用前景，而被越来越多的进行开发。随着陆地和海上风电大规模接入电网，风电功率预测不准确和反调峰等问题可能会影响风能资源的利用效率，甚至影响电网的稳定性。压缩空气储能在平抑风功率波动的功能上，存在功率响应速度慢、充放电切换时间长的劣势。目前应用的大规模陆上压缩空气储能技术，在电网中基本扮演备用电源的角色，但是目前并没有实时配合新能源发电进行短时间尺度指令跟随的应用。
发明内容
针对现有的在平抑风功率波动的功能上，压缩空气储能存在功率响应速度慢、充放电切换时间长的劣势而且在电网中作为备用电源时没有实时配合新能源发电进行短时间尺度指令跟随应用的不足，本发明提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***及方法，利用压缩空气储能有效抵消风电功率的波动性带来的风力资源浪费，减小了风电场对电网的冲击，并且采用了具有较强的可扩展性的分层控制方法。
本发明提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***，包括：***级控制层、协调控制层和设备级控制层；
所述***级控制层位于风电汇流站或升压站，基于电网对于风电场的调度指令，将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的设备状态信息；
所述协调控制层，用于根据***级控制层下发的功率及控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况，制定优化出力控制策略，并将所述出力控制策略下发至设备控制层，还用于将设备层上传的设备状态信息进行整合上报至***控制层；
所述设备级控制层，用于执行所述出力控制策略，还用于向协调控制层传输设备状态信息。
优选的，所述协调控制层，包括：接收校验模块、偏差计算模块和出力值模块；
所述接收校验模块，用于对所述***级控制层下发的功率及控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况进行有效性的检测获得的有效性数据进行充放电一致性校验；
所述偏差计算模块，用于基于校验后的数据更新所述压缩空气储能出力值并基于更新前后的所述压缩空气储能出力值计算压缩空气储能出力偏差；
所述出力值模块，用于根据所述电功率预测偏差以及所述压缩空气储能出力偏差，计算新的压缩空气储能出力值作为电功率预测偏差的补偿项。
优选的，所述协调控制层，还包括：数据传输模块；
所述数据传输模块，用于将所述电功率预测偏差的补偿项下发至设备控制层；还用于接收设备控制层上传的设备状态信息，整合上报至***控制层。
优选的，所述充放电一致性校验，包括：
基于压缩空气储能的压缩***和膨胀发电***的最小切换时间制定充电状态和放电状态切换时间，并基于所述切换时间对充电状态和放电状态进行一致性校验。
优选的，所述计算新的压缩空气储能出力值，计算式如下式所示：
Figure BDA0002317621350000021
式中，PPC(t)表示风机出力的偏差曲线；PCS(t)表示新的压缩空气储能出力值；PC(t)表示压缩空气储能的实际出力；PC(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能的实际出力；PCS(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能出力的指令信号；tdelay表示压缩空气储能根据指令更改出力的延时时间；Δt表示循环的计算步长；K1、K2为权重系数。
优选的，所述协调控制层，还包括：准确性模块；
所述准确性模块，用于基于减小所述电功率预测偏差在补偿电功率预测偏差过程中所占的权重系数，增加补偿电功率预测偏差过程中输出所述压缩空气储能出力指令值的准确性。
优选的，所述准确性模块，包括：权重子模块；
所述权重子模块，用于基于满足权重系数K1与权重系数K2和为1的条件下，当风机出力的偏差曲线始终保持在一个较大的值时，适时增加K1的值，减小K2的值；
其中，所述K1和K2为正实数。
优选的，所述***级控制层，包括：接收模块和下发上报模块；
所述接收模块用于接收电网对于风电场的调度指令；
所述下发上报模块，用于基于所述风电场的调度指令将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的设备状态信息。
优选的，所述设备级控制层，包括：控制模块和上传模块；
所述控制模块，用于基于所述协调控制层下发的功率及控制保护指令对风电场风电设备进行控制得到设备状态信息；
所述上传模块，用于将所述设备状态信息上传至协调控制层。
基于同一发明构思，本发明提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制方法，包括：
协调控制层获取***级控制层下发的功率及控制保护指令，并获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况；
基于所述功率及控制保护指令，获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况制定优化出力控制策略；
将所述出力控制策略下发至设备控制层；
其中，所述设备级控制层设置于风电汇流站或升压站上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***包括：***级控制层、协调控制层和设备级控制层；所述***级控制层位于风电汇流站或升压站，基于电网对于风电场的调度指令，将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的设备状态信息；所述协调控制层，用于根据***级控制层下发的功率及控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况，制定优化出力控制策略，并将所述出力控制策略下发至设备控制层；还用于将设备层上传的设备状态信息进行整合上报至***控制层；所述设备级控制层，用于执行所述出力控制策略，还用于向协调控制层传输设备状态信息。在风电场向电网送电的过程中，利用压缩空气储能有效抵消风电功率的波动性带来的风力资源浪费，并减小风电场对电网的冲击。
2、本发明提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***及方法，采用了分层控制方法，具有较强的可扩展性，同时控制逻辑清晰，对外接口全面、简洁。
附图说明
图1为本发明提供的***结构图；
图2为本发明实施例中风电场搭配大容量压缩空气储能混合***的分层控制结构；
图3为本发明实施例中充放电功率指令生成算法示意图；
图4为本发明实施例中出力策略的预测偏差、指令、输出曲线示意图；
图5为本发明实例中使用功率生成算法的仿真结果图；
图6为本发明提供的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步的详细说明。
实施例1：
本实施例所提供的一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***及方法，结合图1所示的本发明的***结构图，包括一种控制结构定义：风电搭配大容量压缩空气储能混合***的分层控制结构；一种压缩空气储能出力控制算法：基于风电出力预测偏差，同时考虑压缩空气储能出力特性的充放电功率指令生成算法，具体技术方案如下：
步骤1：协调控制层获取***级控制层下发的功率及控制保护指令，并获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况；
步骤2：基于所述功率及控制保护指令，获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况制定优化出力控制策略；
步骤3：将所述出力控制策略下发至设备控制层；
其中，步骤1：协调控制层获取***级控制层下发的功率及控制保护指令，并获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况：
参照附图2，所述分层控制结构是指控制策略实现的物理基础，包括三层结构：***级控制层，位于风电汇流站或升压站：主要用于接受电网对于风电场的调度指令，将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的状态信息；协调控制层：主要用于接收***级控制层下发的功率及控制保护指令，基于下辖的压缩空气储能和下辖风机的实际情况，制定优化出力控制策略，下发至设备控制层，同时接收设备层上传的设备状态参数，整合上报至***控制层；设备级控制层：主要包括风机的背靠背变流器以及压缩空气储能***的设备控制器，包括空气压缩***和膨胀发电***控制。
步骤2：基于所述功率及控制保护指令，获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况制定优化出力控制策略：
以下结合附图3和附图4，详细介绍本发明中基于风电功率预测偏差的压缩空气储能出力控制策略的工作原理：
图中，PYC(t)表示风电预测功率；Pwi(t)表示第i台风机的实时出力；PPC(t)表示风机出力的偏差曲线；PCS(t)表示压缩空气储能出力的指令信号；PC(t)表示压缩空气储能的实际出力；tswitch表示压缩空气储能的充、放电切换时间；tswitch_min表示压缩空气储能的最小允许充、放电切换时间。K1、K2为权重系数，在实际应用中可以灵活调节。
算法的执行流程主要位于协调控制层。协调控制层接收***层传输的实时风电预测数据，以及设备控制层的风机实际出力数据、压缩空气储能实际出力数据以及***切换时间数据。
算法首先检测数据有效性，随后根据风电出力预测和实际出力，生成风电出力的偏差数据。数据首先经过充放电一致性校验，具体而言就是根据压缩空气储能的压缩机***和膨胀机***的最小切换时间，制定充放电临界切换时间，从而避免压缩空气储能过于频繁的切换充、放电状态。
经过一致性校验后，***更新压缩空气储能的出力指令信号。以t-1时刻的信号为基准，叠加Δt时间段内，由于风电预测偏差以及压缩空气储能出力偏差所导致的偏差补偿项，从而生成t时刻的压缩空气储能出力指令值。
Figure BDA0002317621350000051
式中，PC(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能的实际出力；PCS(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能出力的指令信号；tdelay表示压缩空气储能根据指令更改出力的延时时间；Δt表示算法循环的计算步长。
步骤3：将所述出力控制策略下发至设备控制层：
如图4所示，生成的指令值会偏离风电预测出力偏差曲线，这是由于压缩空气储能出力值与指令值也存在偏差。这种偏差是有益的，它可以使得输出曲线更加接近需求曲线。
K1、K2为权重系数，满足K1+K2＝1。在实际应用中，根据风机出力的偏差大小和来灵活调节K1和K2的取值。当PPC(t)始终保持在一个较大的值时，适时增加K1的值，减小K2的值，以减小风电预测偏差在算法中所占的权重系数，增加算法输出指令的准确性。
如图5所示，容量为30MW的小型风机阵列，搭配5MW压缩空气储能***。风电出力波动，压缩空气储能根据风电预测误差和压缩空气储能实际出力，使得混合***的输出基本保持恒定为20MW，显著减小了风电场并网的出力波动。
实施例2：
1、一种基于风电功率预测偏差的压缩空气储能出力控制策略，其特征在于，包括一种控制结构定义：风电场搭配大容量压缩空气储能混合***的分层控制结构；一种压缩空气储能出力控制算法：基于风电出力预测偏差，同时考虑压缩空气储能出力特性的充放电功率指令生成算法。
2、如权利要求1所述的控制结构，其特征在于，包括***级控制层，位于风电汇流站或升压站：用于接受电网对于风电场的调度指令，将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的状态信息；协调控制层：用于接收***级控制层下发的功率及控制保护指令，基于下辖的压缩空气储能和风机的实际情况，制定优化出力控制策略，下发至设备控制层，同时接收设备层上传的设备状态参数，整合上报至***控制层；设备级控制层：包括风机的背靠背并网变流器以及压缩空气储能***的设备控制器，用于空气压缩***和膨胀发电***控制。
3、如权利要求1所述的压缩空气储能出力控制算法，其特征在于，通过对风电出力预测偏差和压缩空气储能出力偏差的检测和利用，生成了压缩空气储能出力的指令信号，申请保护所述算法的算法流程、校核公式。
实施例3：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种风电搭配压缩空气储能的出力控制方法，由于这些设备解决技术问题的原理与一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***相似，重复之处不再赘述。
下面结合图6该控制方法的方法流程图进行介绍，一种风电搭配压缩空气储能的出力控制方法，包括：
协调控制层获取***级控制层下发的功率及控制保护指令，并获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况；
基于所述功率及控制保护指令，获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况制定优化出力控制策略；
将所述出力控制策略下发至设备控制层；
其中，所述设备级控制层设置于风电汇流站或升压站上。
所述优化出力控制策略，包括：
协调控制层基于预先获取的压缩空气储能出力值和电功率预测偏差对***级控制层和设备控制层传输的功率、控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况进行有效性的检测获得有效性数据；
所述协调控制层对所述有效性数据进行充放电一致性校验，基于校验后的数据更新所述压缩空气储能出力值并基于更新前后的所述压缩空气储能出力值计算压缩空气储能出力偏差；
根据所述电功率预测偏差以及所述压缩空气储能出力偏差，计算新的压缩空气储能出力值，并将所述新的压缩空气储能出力值作为电功率预测偏差的补偿项。
所述充放电一致性校验，包括：
基于压缩空气储能的压缩***和膨胀发电***的最小切换时间制定充电状态和放电状态切换时间，并基于所述切换时间对充电状态和放电状态进行一致性校验。
所述新的压缩空气储能出力值的计算式如下：
Figure BDA0002317621350000071
式中，PPC(t)表示风机出力的偏差曲线；PCS(t)表示新的压缩空气储能出力值；PC(t)表示压缩空气储能的实际出力；PC(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能的实际出力；PCS(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能出力的指令信号；tdelay表示压缩空气储能根据指令更改出力的延时时间；Δt表示循环的计算步长；K1、K2为权重系数。
所述计算新的压缩空气储能出力值，并将所述新的压缩空气储能出力值作为电功率预测偏差的补偿项之后，还包括：
基于减小所述电功率预测偏差在补偿电功率预测偏差过程中所占的权重系数，增加补偿电功率预测偏差过程中输出所述压缩空气储能出力指令值的准确性。
所述基于减小所述电功率预测偏差在补偿电功率预测偏差过程中所占的权重系数，增加补偿电功率预测偏差过程中输出所述压缩空气储能出力指令值的准确性，包括：
基于满足权重系数K1与权重系数K2和为1的条件下，当风机出力的偏差曲线始终保持在一个较大的值时，适时增加K1的值，减小K2的值；
其中，所述K1和K2为正实数。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种风电搭配压缩空气储能的出力控制***，其特征在于，包括：***级控制层、协调控制层和设备级控制层；
所述***级控制层位于风电汇流站或升压站，基于电网对于风电场的调度指令，将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的设备状态信息；
所述协调控制层，用于根据***级控制层下发的功率及控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况，制定优化出力控制策略，并将所述出力控制策略下发至设备级控制层,还用于将设备层上传的设备状态信息进行整合上报至***级控制层；
所述设备级控制层，用于执行所述出力控制策略，还用于向协调控制层传输设备状态信息；
所述协调控制层，包括：接收校验模块、偏差计算模块和出力值模块；
所述接收校验模块，用于对所述***级控制层下发的功率及控制保护指令结合压缩空气储能和对应风机的情况进行有效性的检测获得的有效性数据进行充放电一致性校验；
所述偏差计算模块，用于基于校验后的数据更新所述压缩空气储能出力值并基于更新前后的所述压缩空气储能出力值计算压缩空气储能出力偏差；
所述出力值模块，用于根据电功率预测偏差以及所述压缩空气储能出力偏差,计算新的压缩空气储能出力值作为电功率预测偏差的补偿项。
2.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述协调控制层，还包括：数据传输模块；
所述数据传输模块，用于将所述电功率预测偏差的补偿项下发至设备级控制层；还用于接收设备级控制层上传的设备状态信息，整合上报至***级控制层。
3.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述充放电一致性校验，包括：
基于压缩空气储能的压缩***和膨胀发电***的最小切换时间制定充电状态和放电状态切换时间，并基于所述切换时间对充电状态和放电状态进行一致性校验。
4.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述计算新的压缩空气储能出力值，计算式如下式所示：
Figure FDA0003105317080000011
式中，PPC(t)表示风机出力的偏差曲线；PCS(t)表示新的压缩空气储能出力值；PC(t)表示压缩空气储能的实际出力；PC(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能的实际出力；PCS(t-1)表示上一个计算循环中压缩空气储能出力的指令信号；tdelay表示压缩空气储能根据指令更改出力的延时时间；Δt表示循环的计算步长；K1、K2为权重系数。
5.如权利要求4所述的控制***，其特征在于，所述协调控制层，还包括：准确性模块；
所述准确性模块，用于基于减小所述电功率预测偏差在补偿电功率预测偏差过程中所占的权重系数，增加补偿电功率预测偏差过程中输出所述压缩空气储能出力指令值的准确性。
6.如权利要求5所述的控制***，其特征在于，所述准确性模块，包括：
权重子模块；
所述权重子模块，用于基于满足权重系数K1与权重系数K2和为1的条件下，当风机出力的偏差曲线始终保持在一个较大的值时，适时增加K1的值，减小K2的值；
其中，所述K1和K2为正实数。
7.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述***级控制层，包括：接收模块和下发上报模块；
所述接收模块用于接收电网对于风电场的调度指令；
所述下发上报模块，用于基于所述风电场的调度指令将功率及控制保护指令下发至协调控制层，同时接收协调控制层上报的设备状态信息。
8.如权利要求1所述的控制***，其特征在于，所述设备级控制层，包括：控制模块和上传模块；
所述控制模块，用于基于所述协调控制层下发的功率及控制保护指令对风电场风电设备进行控制得到设备状态信息；
所述上传模块，用于将所述设备状态信息上传至协调控制层。
9.一种用于如权利要求1-8任一项所述风电搭配压缩空气储能的出力控制***的风电搭配压缩空气储能的出力控制方法，其特征在于，包括：
协调控制层获取***级控制层下发的功率及控制保护指令，并获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况；
基于所述功率及控制保护指令，获取设备级控制层上传的压缩空气储能和对应风机的情况制定优化出力控制策略；
将所述出力控制策略下发至设备级控制层；
其中，所述设备级控制层设置于风电汇流站或升压站上。
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