本發(fā)明涉及的是一種混合儲能領域的技術，具體是一種基于溫度和功率控制平抑分布式能源功率波動的方法及系統(tǒng)。

背景技術：

在目前的電力系統(tǒng)中分布式電源的概念逐漸興起，應用越來越廣泛。分布式電源中以風能、太陽能為主的可再生能源具有隨機性、間歇性和波動性的特點，其在相關電網線路中會產生瞬時功率波動，如果不對功率波動進行平滑，會造成發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)可靠性低、穩(wěn)定性差等問題。

為平抑分布式電源功率波動，通常采用以超級電容和蓄電池為主的混合儲能系統(tǒng)進行儲能，但是目前的混合儲能系統(tǒng)投資成本較高，無法帶來經濟效益；而以熱泵為主的需求側負荷較少考慮具體的負荷運行特性，在很大程度上影響了功率波動的抑制效果。

此外，當前熱力網和電力網等能量供給系統(tǒng)普遍存在獨立設計、規(guī)劃且各自運行的特點，各能源網之間缺乏交互與協(xié)調，很難發(fā)揮多能源供應層面能量耦合互補與梯級利用的優(yōu)勢。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出了一種基于溫度和功率控制平抑分布式能源功率波動的方法及系統(tǒng)，通過溫度控制與功率控制的相互協(xié)調，對分布式電源功率波動進行抑制，能夠提高系統(tǒng)可靠性與經濟效益。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種基于溫度和功率控制平抑分布式能源功率波動的方法，包括以下步驟：

①根據(jù)熱泵系統(tǒng)額定功率、歷史熱泵系統(tǒng)運行功率、當前發(fā)電波動功率以及歷史熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量，通過功率控制獲得當前低頻波動分量的濾波時間常數(shù)；

②根據(jù)超級電容的容量、歷史充放電功率、歷史荷電狀態(tài)、蓄電池的容量、歷史充放電功率以及歷史荷電狀態(tài)，通過功率控制獲得當前中高頻波動分量的濾波時間常數(shù)；

③對低頻波動分量的濾波時間常數(shù)進行低通濾波，然后通過溫度控制模型獲得當前熱泵系統(tǒng)運行功率及當前熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量；

④基于當前發(fā)電波動功率以及當前熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量，對中高頻波動分量的濾波時間常數(shù)進行高通濾波，得到當前超級電容充放電功率與蓄電池充放電功率，從而平抑當前功率波動。

所述的發(fā)電功率波動平抑模型為P_Flu(t)＝P_SC(t)+ΔP_HP(t)+P_BESS(t)，ΔP_HP(t)＝P_HP(t)-P_{HP_N}，其中：P_Flu(t)為當前發(fā)電波動功率；P_BESS(t)與P_SC(t)分別為t時刻蓄電池與超級電容的充放電功率，充電為正，放電為負；ΔP_HP(t)為t時刻熱泵系統(tǒng)參與波動抑制的出力分量，P_HP(t)為當前熱泵系統(tǒng)運行功率，P_{HP_N}為熱泵系統(tǒng)額定功率。

所述的低通濾波后獲得熱泵系統(tǒng)預出力分量其中：λ_a(t)為當前低頻波動分量的濾波時間常數(shù)，Δt為系統(tǒng)采樣時間間隔，ΔP_{HP_pre}(t-1)為t-1時刻熱泵系統(tǒng)預出力分量。

所述的溫度控制模型為ΔP_HP(t)＝ΔP_{HP_pre}(t)·α^*(t)，其中：ΔP_{HP_pre}(t)為t時刻熱泵系統(tǒng)預出力分量，α*(t)為對ΔP_{HP_pre}(t)進行修正的權函數(shù)，C_HP(t-1)為t-1時刻用戶舒適度狀態(tài)；k為權函數(shù)趨勢斜率，γ₁與γ₂為權函數(shù)指數(shù)因子，防驟變系數(shù)λ₀為常量，T_max、T_min分別為室溫允許上下限，δ為室溫波動裕度。

所述的當前超級電容充放電功率其中：λ_b(t)為當前中高頻波動分量的濾波時間常數(shù)，P_Flu(t-1)為t-1時刻發(fā)電波動功率，P_SC(t-1)為t-1時刻超級電容充放電功率，ΔP_HP(t-1)為歷史熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量。

所述的t時刻蓄電池充放電功率P_BESS(t)＝P_Flu(t)-ΔP_HP(t)-P_SC(t)。

本發(fā)明涉及實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：發(fā)電功率波動傳感器、熱泵系統(tǒng)功率傳感器、超級電容功率傳感器、蓄電池功率傳感器、室溫傳感器、熱泵系統(tǒng)、超級電容、蓄電池、數(shù)據(jù)庫模塊、功率控制模塊、溫度控制模塊、低通濾波器和高通濾波器，其中：發(fā)電功率波動傳感器、熱泵系統(tǒng)功率傳感器、超級電容功率傳感器和蓄電池功率傳感器分別與數(shù)據(jù)庫模塊相連并輸出發(fā)電功率波動信息及熱泵系統(tǒng)、超級電容、蓄電池的歷史出力信息，數(shù)據(jù)庫模塊與功率控制模塊相連并輸出發(fā)電功率波動信息、模糊控制修正系數(shù)歷史信息及熱泵系統(tǒng)、超級電容、蓄電池的歷史出力信息，功率控制模塊與低通濾波器相連并輸出低頻波動分量的模糊控制修正系數(shù)信息，功率控制模塊與高通濾波器相連并輸出中高頻波動分量的模糊控制修正系數(shù)信息，數(shù)據(jù)庫模塊與低通濾波器相連并輸出發(fā)電功率波動信息和熱泵系統(tǒng)歷史預出力信息，數(shù)據(jù)庫模塊與溫度控制模塊相連并輸出用戶側歷史室溫信息和熱泵系統(tǒng)預出力信息，低通濾波器與溫度控制模塊相連并輸出熱泵系統(tǒng)預出力信息，溫度控制模塊與高通濾波器相連并輸出熱泵系統(tǒng)出力信息，數(shù)據(jù)庫模塊與高通濾波器相連并輸出超級電容歷史出力信息、發(fā)電功率波動信息、歷史發(fā)電功率波動信息和熱泵系統(tǒng)歷史出力信息。

所述的溫度控制模塊與熱泵系統(tǒng)相連并輸出熱泵系統(tǒng)出力信息；

所述的高通濾波器與超級電容、蓄電池相連并分別輸出超級電容出力信息、蓄電池出力信息。

所述的熱泵系統(tǒng)包括：環(huán)境側熱交換器、水箱側熱交換器、儲熱水箱、壓縮機和電動機，其中：環(huán)境側熱交換器的蒸發(fā)段和水箱側熱交換器的冷凝段相連構成循環(huán)并設有壓縮機，水箱側熱交換器的加熱段與儲熱水箱的進出水口相連，電動機與壓縮機相連；

所述的壓縮機與熱泵系統(tǒng)功率傳感器相連并輸出熱泵系統(tǒng)運行狀態(tài)信息；

所述的溫度控制器與電動機相連并輸出熱泵系統(tǒng)出力分量平抑信息；

所述的儲熱水箱與若干個用戶單元相連并輸出熱水。

技術效果

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明根據(jù)熱泵產熱與工質流速的關系，建立了熱泵系統(tǒng)，基于熱泵的實時運行狀態(tài)以及超級電容、蓄電池的實時荷電狀態(tài)，使用模糊控制對可變?yōu)V波時間系數(shù)進行調整；并通過溫度控制與功率控制對發(fā)電波動功率在熱泵-超級電容-蓄電池間進行分配，從而分別平抑功率波動中的低頻和中高頻成分，減少了混合儲能投資成本，延長了蓄電池壽命，提高了系統(tǒng)可靠性與經濟效益；同時溫度控制可對熱泵系統(tǒng)出力分量進行修正以滿足用戶的舒適度的要求。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中系統(tǒng)結構框圖；

圖2為本發(fā)明中控制方法流程圖；

圖3為本發(fā)明中熱泵系統(tǒng)結構示意圖；

圖4為本發(fā)明中濾波時間常數(shù)原理圖；

圖5為本發(fā)明中模糊控制器A的輸入隸屬函數(shù)；

圖中：(a)為輸入隸屬函數(shù)x₁，(b)為輸入隸屬函數(shù)x₂；

圖6為本發(fā)明中模糊控制器B的輸入隸屬函數(shù)；

圖中：(a)為P_Flu(t)≥0時輸入隸屬函數(shù)x₃，(b)為P_Flu(t)＜0時輸入隸屬函數(shù)x₃，(c)為輸入隸屬函數(shù)x₄；

圖7為本發(fā)明中溫度控制原理圖。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1

如圖2所示，本實施例涉及一種基于溫度和功率控制平抑分布式能源功率波動的方法，首先根據(jù)熱泵系統(tǒng)額定功率、歷史熱泵系統(tǒng)運行功率、當前發(fā)電波動功率以及歷史熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量，通過功率控制獲得當前低頻波動分量的濾波時間常數(shù)；同時根據(jù)超級電容的容量、歷史充放電功率、歷史荷電狀態(tài)、蓄電池的容量、歷史充放電功率以及歷史荷電狀態(tài)，通過功率控制獲得當前中高頻波動分量的濾波時間常數(shù)；接著對低頻波動分量的濾波時間常數(shù)進行低通濾波，之后通過溫度控制模型獲得當前熱泵系統(tǒng)運行功率及當前熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量；基于當前發(fā)電波動功率以及當前熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量，對中高頻波動分量的濾波時間常數(shù)進行高通濾波，最后得到當前超級電容充放電功率與蓄電池充放電功率，從而平抑當前功率波動；

所述的當前發(fā)電波動功率，即t時刻發(fā)電波動功率；當前低頻波動分量，即t時刻低頻波動分量；當前超級電容充放電功率，即t時刻超級電容充放電功率；當前功率波動，即t時刻功率波動；當前發(fā)電波動功率，即t時刻發(fā)電波動功率；當前熱泵系統(tǒng)參與波動平抑，即t時刻熱泵系統(tǒng)參與波動平抑；當前熱泵系統(tǒng)運行功率，即t時刻熱泵系統(tǒng)運行功率；當前中高頻波動分量，即t時刻中高頻波動分量；歷史熱泵系統(tǒng)運行功率，即t-1時刻熱泵系統(tǒng)運行功率，歷史充放電功率，即t-1時刻充放電功率；歷史熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量，即t-1時刻熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量；歷史荷電狀態(tài)，即t-2時刻荷電狀態(tài)，以次類推。

所述的發(fā)電功率波動平抑模型為P_Flu(t)＝P_SC(t)+ΔP_HP(t)+P_BESS(t)，ΔP_HP(t)＝P_HP(t)-P_{HP_N}。

所述的功率控制包括先后進行的模糊控制和濾波時間常數(shù)控制。

所述的模糊控制包括對于低頻波動分量的模糊控制和對于中高頻波動分量的模糊控制；

如圖5所示，對于低頻波動分量的模糊控制，熱泵系統(tǒng)負載狀態(tài)可由輸入隸屬函數(shù)x₁表示，功率波動中低頻成分的變化率可由輸入隸屬函數(shù)x₂表示；如圖2所示，當熱泵系統(tǒng)重載運行時，若低頻功率波動的變化率為正，則減小模糊控制修正系數(shù)μ_a(t)，避免熱泵系統(tǒng)嚴重重載；若低頻波動變化率為負，則增大μ_a(t)，以提高熱泵系統(tǒng)平抑發(fā)電波動功率的比例；熱泵系統(tǒng)輕載運行的情況類似；

對于中高頻波動分量的模糊控制，當超級電容處于理想荷電范圍時，由其獨自平抑中高頻波動成分，以減少蓄電池充放電轉換次數(shù)；否則使超級電容的荷電狀態(tài)趨于回到理想范圍，以改善下一時刻波動平抑能力；若超級電容接近容量極限，則提高蓄電池平抑功率波動的比例，提高其功率出力；相應的模糊控制輸入隸屬函數(shù)x₃、x₄如圖6所示。

所述的模糊控制過程中，如圖2所示：

x₂(t)＝P_{LF_ref}(t)-ΔP_HP(t-1)，

其中：S_HP(t-1)為t-1時刻熱泵系統(tǒng)負載狀態(tài)，P_HP(t-1)為t-1時刻熱泵系統(tǒng)運行功率，P_{LF_ref}(t)為由P_Flu(t)經λ_a(t-1)低通濾波后獲得的熱泵系統(tǒng)參考出力分量，ΔP_HP(t-1)為歷史熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量，λ_a(t-1)為t-1時刻低頻波動分量的濾波時間常數(shù)；SOC_SC(t-1)為t-1時刻超級電容荷電狀態(tài)，P_SC(t-1)為t-1時刻超級電容充放電功率，E_{SC_N}為超級電容容量，SOC_BESS(t)為t時刻蓄電池荷電狀態(tài)，P_BESS(t-1)為t-1時刻蓄電池充放電功率，E_{BESS_N}為蓄電池容量。

如圖4所示，所述的濾波時間常數(shù)控制由限值函數(shù)實現(xiàn)，其中：λ₀為參考濾波時間常數(shù)，λ_max與λ_min分別為濾波時間常數(shù)上下限。

所述的低通濾波后獲得熱泵系統(tǒng)預出力分量

如圖7所示，所述的溫度控制模型為ΔP_HP(t)＝ΔP_{HP_pre}(t)·α^*(t)，其中：防驟變系數(shù)λ₀不宜取過大或過小，取過大防驟變效果變差，取過小熱泵系統(tǒng)參與發(fā)電波動功率的能力降低，削弱平滑效果，本實施例中λ₀＝0.06。

所述的當前超級電容充放電功率

所述的t時刻蓄電池充放電功率P_BESS(t)＝P_Flu(t)-ΔP_HP(t)-P_SC(t)，承擔剩余波動分量。

如圖1所示，本實施例涉及實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)，包括：發(fā)電功率波動傳感器、熱泵系統(tǒng)功率傳感器、超級電容功率傳感器、蓄電池功率傳感器、室溫傳感器、熱泵系統(tǒng)、超級電容、蓄電池、數(shù)據(jù)庫模塊、功率控制模塊、溫度控制模塊、低通濾波器和高通濾波器，其中：發(fā)電功率波動傳感器、熱泵系統(tǒng)功率傳感器、超級電容功率傳感器和蓄電池功率傳感器分別與數(shù)據(jù)庫模塊相連并輸出發(fā)電功率波動信息及熱泵系統(tǒng)、超級電容、蓄電池的歷史出力信息，數(shù)據(jù)庫模塊與功率控制模塊相連并輸出發(fā)電功率波動信息、模糊控制修正系數(shù)歷史信息及熱泵系統(tǒng)、超級電容、蓄電池的歷史出力信息，功率控制模塊與低通濾波器相連并輸出低頻波動分量的模糊控制修正系數(shù)信息，功率控制模塊與高通濾波器相連并輸出中高頻波動分量的模糊控制修正系數(shù)信息，數(shù)據(jù)庫模塊與低通濾波器相連并輸出發(fā)電功率波動信息和熱泵系統(tǒng)歷史預出力信息，數(shù)據(jù)庫模塊與溫度控制模塊相連并輸出用戶側歷史室溫信息和熱泵系統(tǒng)預出力信息，低通濾波器與溫度控制模塊相連并輸出熱泵系統(tǒng)預出力信息，溫度控制模塊與高通濾波器相連并輸出熱泵系統(tǒng)出力信息，數(shù)據(jù)庫模塊與高通濾波器相連并輸出超級電容歷史出力信息、發(fā)電功率波動信息、歷史發(fā)電功率波動信息和熱泵系統(tǒng)歷史出力信息。

所述的溫度控制模塊與熱泵系統(tǒng)相連并輸出熱泵系統(tǒng)出力平抑信息；

所述的高通濾波器與超級電容、蓄電池相連并分別輸出超級電容充放電功率平抑信息、蓄電池充放電功率平抑信息。

所述的功率控制模塊包括：模糊控制器A、模糊控制器B、濾波時間常數(shù)控制器A和濾波時間常數(shù)控制器B，其中：數(shù)據(jù)庫模塊與模糊控制器A相連并輸出熱泵系統(tǒng)額定功率、歷史熱泵系統(tǒng)運行功率、當前發(fā)電波動功率和歷史熱泵系統(tǒng)參與波動平抑的出力分量信息，數(shù)據(jù)庫模塊與模糊控制器B相連并輸出超級電容和蓄電池的容量信息、在t-1時刻超級電容和蓄電池的充放電功率與在t-2時刻超級電容和蓄電池的荷電狀態(tài)信息，模糊控制器A與濾波時間常數(shù)控制器A相連并輸出低頻波動分量的模糊控制修正系數(shù)信息，模糊控制器B與濾波時間常數(shù)控制器B相連并輸出中高頻波動分量的模糊控制修正系數(shù)信息，濾波時間常數(shù)控制器A與低通濾波器相連并輸出低頻濾波時間常數(shù)信息，濾波時間常數(shù)控制器B與高通濾波器相連并輸出中高頻濾波時間常數(shù)信息。

如圖3所示，所述的熱泵系統(tǒng)包括：環(huán)境側熱交換器、水箱側熱交換器、儲熱水箱、壓縮機和電動機，其中：環(huán)境側熱交換器的蒸發(fā)段和水箱側熱交換器的冷凝段相連構成循環(huán)并設有壓縮機，水箱側熱交換器的加熱段與儲熱水箱的進出水口相連，電動機與壓縮機相連；

所述的壓縮機與熱泵系統(tǒng)功率傳感器相連并輸出熱泵系統(tǒng)運行狀態(tài)信息；

所述的溫度控制器與電動機相連并輸出熱泵出力分量平抑信息；

所述的儲熱水箱與若干個用戶單元相連并輸出熱水；所述的各用戶單元均與室溫傳感器相連，所述的室溫傳感器與數(shù)據(jù)庫相連并輸出各用戶單元室溫信息。

所述的熱泵系統(tǒng)單位時間產熱量Q_HP＝CρvΔT_HP，效能系數(shù)COP＝Q_HP/E_HP，其中：C為熱泵系統(tǒng)工質比熱，v為工質流量，ρ為工質密度，ΔT_HP為一個循環(huán)周期前后的工質溫差，E_HP為熱泵系統(tǒng)運行耗電量；本實施例通過熱泵的電熱能量轉換，實現(xiàn)了電能與熱能的協(xié)同耦合，通過效能系數(shù)能夠體現(xiàn)熱泵系統(tǒng)的電熱轉換效率。

本實施中室內溫度模型其中：P_W(t)為t時刻室內凈輸入熱功率，A_W為建筑物墻體面積，K_W為墻體導熱系數(shù)，δ_W為墻體厚度，T_outside(t)為t時刻外界環(huán)境溫度；

根據(jù)發(fā)電功率波動平抑模型，可知P_HP(t)＝P_HP__N+P_Flu(t)-P_BESS(t)-P_SC(t)，通過與室內溫度模型聯(lián)系，從而實現(xiàn)了多能源供應層面能量耦合互補與梯級利用。