一种垂直轴风力发电系统的蓄电池充放电控制策略

摘要

本发明公开了一种垂直轴风力发电系统的蓄电池充放电控制策略。在垂直轴风力发电系统中，当预测到网侧功率波动超过国标规定时，通过对蓄电池的充放电控制以减弱网侧功率的波动。若机侧功率过高，则蓄电池充电使网侧功率降低；若机侧功率过低，则蓄电池放电使网侧功率升高，使蓄电池的充放电能量在一个周期内基本平衡，从而有效削弱风速不稳带来的能量波动。本发明既可以延长蓄电池的寿命，提高供电效率，同时也确保了网侧功率波动符合国家电网的要求规范，提高了电网供电的稳定性和安全性。

权利要求

1.一种垂直轴风力发电系统的蓄电池充放电控制策略，所述的垂直轴风力发电系统包括风力机、永磁同步电机、机侧整流器VSC1、直流侧电容、DC/DC变换器、蓄电池、网侧逆变器VSC2；

其特征在于，蓄电池充放电控制策略的步骤如下：

(1)通过铭牌数据读取机侧整流器VSC1的额定功率S1*、网侧逆变器VSC2的额定功率S2*、蓄电池的额定功率S3*，蓄电池的额定储能能量W3*；检测当前时刻机侧整流器VSC1输出的功率P1(0)；

(2)对风能进行预测，得到接下来60秒内机侧整流器VSC1输出的功率P1(t)，其中t取值为1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒，求出其平均值Pav：(3)由于国家规定风力发电系统输出功率的波动范围不超过10％×S1*，在接下来60秒内，网侧逆变器VSC2的输出功率范围是 的计算公式如下：(4)为了保证已经过去的60秒内，风力发电系统输出功率的波动范围也不超过10％×S1*，则当前时刻网侧逆变器VSC2的允许输出功率范围是 检测并保存过去60秒内网侧逆变器VSC2输出功率，获得最小值 最大值 则 可通过下式计算得到：(5)当前时刻网侧逆变器VSC2的最终输出功率范围是[Pmin,Pmax]：(6)状态1：根据风能预测结果，如果0到t1时刻风能低于 t1到t2时刻，风能在 到之间，t2到t3时刻，风能高于 t3到60秒时刻，风能在 到 之间；t1、t2、t3的值可根据风能预测数据获得；

则该状态下，蓄电池放电能量WA、充电能量WB分别为：

当WA≥WB时，蓄电池放电功率参考值为：

P3_forecast＝Pmin-P1(0)；

当WA

则该状态下，蓄电池充电能量W′A、放电能量W′B分别为：当W′A≥W′B时，蓄电池充电功率参考值为：

P3_forecast＝P1(0)-Pmax；

当W′A

(8)在下一个控制周期，控制蓄电池的充电(或者放电)功率为P3_forecast。

说明书

一种垂直轴风力发电系统的蓄电池充放电控制策略

技术领域

[0001] 本发明属于输发电控制领域，特别涉及垂直轴风力发电系统中的网侧功 率波动控制策略。

背景技术

[0002] 随着能源和环境对人类生存和发展的影响日益显著，可再生能源的开发 利用已受到世界各国的高度重视。风能作为可再生能源中发展最快的清洁能源， 推动风力发电技术取得了很大的发展。

[0003] 风力发电系统中，风能的不稳定性和间歇性是阻碍风力发电的重要因素。 当风速的变化很大时，风力发电系统的输出功率就会产生很大的波动，如果不采 取任何措施，网侧功率的波动幅度就可能超出国家规定的范围，从而影响供电质 量和供电系统的安全性。针对这一问题，传统的解决方法是在直流侧加入储能系 统，当机侧发电功率过高时，储能系统储存能量，当机侧发电功率过低时，储能 系统释放能量，保证网侧逆变器VSC2的输出功率在国家规定的范围内波动，增 强电网供电的可靠性，提高经济效益。

[0004] 常见的储能装置一般由蓄电池、超级电容、飞轮等储能设备单一的或者 几者结合而成。其中，超级电容的储能容量较小，飞轮储能的能量密度比较低， 保证系统安全性的费用很高，而蓄电池具有比较大的容量，且技术较为成熟；蓄 电池不仅可以在低风速或无风时提供一定量的用电需求,还在一定程度上起缓冲 器的作用。综上所述，采用蓄电池作为风力发电系统的储能设备是最为合适的。 采用蓄电池作为储能设备时，蓄电池容量的配置是首要解决的难题。若选用的容 量过大会造成投资成本急剧增加，而过小的容量又无法弥补风速不稳带来的能量 波动，可能会出现蓄电池过度充放电的情况，从而损坏蓄电池，使其寿命大大减 少。针对这一问题，传统控制方法是在直流侧电容上并联蓄电池，本文在此基础 上进行改进，提出了基于功率平衡的蓄电池充放电策略。

发明内容

[0005] 本发明目的在于提供一种基于功率平衡的蓄电池控制方法，此控制方法 不仅确保了网侧功率波动符合国家电网的要求规范，同时延长了蓄电池寿命，提 高了电网供电的稳定性和安全性。

[0006] 为实现上述目的，本发明所采取的控制方案是：

[0007] 步骤1、计算出网侧逆变器VSC1输出功率的最大值Pmax、最小值Pmin， 具体如下：

[0008] (1)假设当前时刻机侧整流器VSC1输出的功率为P1(0)。

[0009] (2)对风能进行预测，得到接下来60秒内机侧整流器VSC1可输出的功 率P1(t)，其中t取值为1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒，求出其平均值 Pav：

[0010]

[0011] 其中，t取值为1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒。

[0012] (3)在接下来的60秒内，网侧逆变器VSC2的输出功率范围是计算方式如下所示：

[0013]

[0014] (4)假设在过去的60秒内，网侧逆变器VSC2输出功率的最小值为 最大值为为保证已经过去的60秒内，风力发电系统输出功率的波动范围 也不超过10％×S1*，则当前时刻网侧逆变器VSC2的允许输出功率为 计算如下：

[0015]

[0016] (5)由上述可得，当前时刻网侧逆变器VSC2的最终允许输出功率为 [Pmin,Pmax]，如下所示：

[0017]

[0018] 步骤2、根据步骤1所述，控制蓄电池的充放电功率：

[0019] 状态1、蓄电池先放电后充电，假设0到t1时刻风能低于 t1到t2时 刻，风能在到 之间，t2到t3时刻，风能高于 t3到60秒时刻，风能 在 到 之间；这种情况下，蓄电池放电能量WA、充电能量WB分别为：

[0020]

[0021] 状态2、蓄电池先充电后放电，假设0到t1时刻风能低高于P1max；t1到t2时刻，风能在P1min到之间，t2到t3时刻，风能低于P1min，t3到60秒时刻，风能 在P1min到P1max之间；这种情况下，蓄电池充电能量W′A、放电能量分别为W′B， 计算如下：

[0022]

[0023] 步骤3、蓄电池的具体控制过程包括以下：

[0024] (1)蓄电池先放电后充电

[0025] 当WA≥WB时，蓄电池放电功率参考值为：

[0026] P3_forecast＝Pmin-P1(0)

[0027] 当WA＜WB时，蓄电池的放电功率参考值为：

[0028]

[0029] (2)蓄电池先放电后充电

[0030] 当W'A≥W'B时，蓄电池充电功率参考值为：

[0031] P3_forecast＝P1(0)-Pmax

[0032] 当W'A＜W'B时，蓄电池的充电功率参考值为：

[0033]

[0034] (3)综上所述，在下一个控制周期，控制蓄电池的充电(或者放电)功 率为P3_forecast。

[0035] 本发明的有益效果是：1)增加了蓄电池的寿命；2)在蓄电池容量一定 的情况下，降低并网逆变器输出功率的波动率；3)保证整个电网的稳定性和安 全性。

附图说明

[0036] 图1为带储能的垂直轴风力发电系统结构图

[0037] 图2为风电系统能量流向图

[0038] 图3为蓄电池先放电后充电

[0039] 图4为蓄电池先放电后充电且WA＝WB

[0040] 图5为蓄电池先放电后充电且WA>WB

[0041] 图6为蓄电池先放电后充电且WA＜WB(图a为WA+(Pmax-Pmin)·ΔT≤WB时的充放电示意图，图b为WA+(Pmax-Pmin)·ΔT>WB时的充放电示意图)

[0042] 图7为蓄电池先充电后放电

[0043] 图8为蓄电池先充电后放电且WA′＝WB′

[0044] 图9为蓄电池先充电后放电且WA′>WB′

[0045] 图10为蓄电池先充电后放电且WA′＜WB′(图a为WA′+(Pmax-Pmin)·ΔT≤WB′ 时的充放电示意图，图b为WA′+(Pmax-Pmin)·ΔT>WB′时的充放电示意图)

具体实施方式

[0046] 如图1所示，垂直轴风力发电系统结构包括风力机、永磁同步电机、机 侧整流器VSC1、直流侧电容、DC/DC变换器、储能设备、网侧逆变器VSC2； 其中，双向DC/DC变换器将蓄电池并联在直流母线上，通过对蓄电池进行充放 电控制，从而实现能量和功率的分配与管理。

[0047] 由国家规定的网侧输出功率波动规范可知，1分钟内风力发电系统输出功 率的波动范围是装机容量的10％；该系统中能量流动如图2所示，根据能量守恒 原理：

[0048] P2(t)＝P1(t)+P3(t)

[0049] 其中，P1(t)、P2(t)、P3(t)分别是t时刻风力发电系统机侧整流器VSC1 的输出功率、网侧逆变器VSC2的输出功率、蓄电池的放电功率。

[0050] 为确保该系统中机侧整流器VSC1、网侧逆变器VSC2、蓄电池能够安全 可靠运行，需满足：

[0051]

[0052] 其中，S1*、S2*、S3*分别表示机侧整流器VSC1、网侧逆变器VSC2、和 蓄电池的额定功率，W3*是蓄电池的额定储能能量，W3(t)表示t时刻蓄电池剩余 的能量，ΔT是控制周期。

[0053] 假设当前时刻，机侧整流器VSC1输出的功率为P1(0)；对风能进行预测， 得到接下来60秒内机侧整流器VSC1可输出的功率P1(t)，其中t取值为 1,2,3….,60,表示从当前时刻开始的第t秒，求出其平均值Pav：

[0054]

[0055] 为确保网侧逆变器VSC2输出功率的波动范围不超过10％×S1*，在接下来 60秒内，网侧逆变器VSC2的输出功率的范围是 的计算如 下：

[0056]

[0057] 为了保证已经过去的60秒内，风力发电系统输出功率的波动范围也不超 过10％×S1*则当前时刻网侧逆变器VSC2的允许输出功率为 假设在 过去的60秒内，VSC2输出功率的最小值为 最大值为 则 可 通过下式计算得到：

[0058]

[0059] 由上述可得当前时刻网侧逆变器VSC2的最终允许输出功率为 [Pmin,Pmax]，计算如下：

[0060]

[0061] 分析蓄电池在接下来的60秒内的充放电情况

[0062] (1)蓄电池先放电后充电，如图3所示：

[0063] 当WA＝WB时，蓄电池充放电示意图如图4所示，蓄电池放电功率参考值为：

[0064] P3_forecast＝Pmin-P1(0)

[0065] 当WA＜WB时，蓄电池充放电示意图如图5所示，蓄电池的放电功率为参考值为：

[0066] P3_forecast＝Pmin-P1(0)

[0067] 当WA>WB时，蓄电池充放电示意图如图6所示，为减轻蓄电池过充问题，蓄电 池的放电功率参考值为：

[0068]

[0069] 其中，当WA+(Pmax-Pmin)·ΔT≤WB时，充放电示意图如图a所示；当 WA+(Pmax-Pmin)·ΔT>WB时，充放电示意图如图b所示。

[0070] (2)当蓄电池先充电后放电时，如图7所示：

[0071] 当WA′＝WB′时，蓄电池充放电示意图如图8所示，蓄电池充电功率参考值为：

[0072] P3_forecast＝P1(0)-Pmax

[0073] 当WA′>WB′时，蓄电池充放电示意图如图9所示，蓄电池的充电功率参考值为：

[0074] P3_forecast＝P1(0)-Pmax

[0075] 当WA′＜WB′时，蓄电池充放电示意图如图10所示，蓄电池的充电功率参考值为：

[0076]

[0077] 其中，当WA′+(Pmax-Pmin)·ΔT≤WB′时，充放电示意图如图a所示；当 WA′+(Pmax-Pmin)·ΔT>WB′时，充放电示意图如图b所示。

[0078] (3)在下一个控制周期，控制蓄电池的充电(或者放电)功率为P3_forecast。

[0079] 综上所述，在垂直轴风力发电系统中，通过上述蓄电池的充放电控制， 削弱了网侧输出功率的波动，实现了系统供电的可靠性与安全性。