改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法,其特點(diǎn)是：隨著風(fēng)電滲透率顯著增加，集群風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量尤其是電壓質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。飛輪儲能具有有功和無功獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，本發(fā)明設(shè)計了應(yīng)用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量場景下飛輪儲能系統(tǒng)的能量管理優(yōu)化模型，該模型以雙層決策模型為基礎(chǔ)，以改善用電質(zhì)量為前提，上層利用模糊算法通過儲能裝置狀態(tài)和風(fēng)電功率波動量求解出儲能裝置的充放電功率，下層根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計了能量管理系統(tǒng)下層控制方案。利用該模型可以使風(fēng)電?儲能通過合作運(yùn)行提高儲能裝置的利用效率，提升風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量。具體方法科學(xué)合理，適用性強(qiáng)，效果佳等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電力技術(shù)領(lǐng)域，是一種改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系 統(tǒng)的設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著風(fēng)電裝機(jī)快速增長，我國已形成八個千萬千瓦級風(fēng)電基地，風(fēng)電功率的強(qiáng)波 動性和不確定性，使得大規(guī)模風(fēng)電匯集區(qū)域呈現(xiàn)高風(fēng)電滲透、局部電網(wǎng)薄弱的典型的特征。 高滲透率風(fēng)電接入情況下，風(fēng)電功率的變化進(jìn)一步導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的激增或者驟降，必然會 引起一系列的電壓質(zhì)量問題，甚至有可能超出國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。因此，保證風(fēng)電并網(wǎng)電壓質(zhì) 量，增強(qiáng)風(fēng)電功率的電網(wǎng)友好性，提高風(fēng)電的接納規(guī)模，是保障風(fēng)電可持續(xù)、大規(guī)模發(fā)展亟 需解決的問題。
[0003] 傳統(tǒng)發(fā)電端的調(diào)節(jié)手段難以完全滿足電網(wǎng)動態(tài)支撐的要求，儲能系統(tǒng)具備快速的 功率響應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向調(diào)節(jié)。利用儲能裝置對并網(wǎng)風(fēng)電功率進(jìn)行調(diào)控，能夠獲 得相對更好的功率特性和經(jīng)濟(jì)性，儲能技術(shù)的應(yīng)用為提高風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量提供了一條有 效途徑。飛輪儲能相對于其他儲能方式而言，具有無污染、長壽命、效率高、易于安裝與維護(hù) 等優(yōu)點(diǎn)，近年來在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。
[0004] 飛輪儲能(Flywheel Energy Storage System，F(xiàn)ESS)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮的作用主 要有削峰填谷、備用電源、提高電網(wǎng)的消納能力以及提高電能質(zhì)量，其中飛輪儲能系統(tǒng)的能 量管理系統(tǒng)設(shè)計是充分利用儲能裝置能力的關(guān)鍵一環(huán)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了充分發(fā)掘利用飛輪儲能在解決改善高風(fēng)電滲透下電網(wǎng)電能質(zhì)量的能力，本發(fā) 明的目的是，提供一種改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法，充分 利用了飛輪儲能在改善電網(wǎng)電能質(zhì)量方面的能力，并且避免了飛輪儲能頻繁充放電的問 題。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系 統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于:它包括以下內(nèi)容：
[0007] 1)飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
[0008] 飛輪儲能能量管理系統(tǒng)以儲能系統(tǒng)的狀態(tài)為約束，通過平抑風(fēng)電功率波動改善電 網(wǎng)電能質(zhì)量為目標(biāo)計算儲能裝置的充放電功率參考值，儲能系統(tǒng)在接到調(diào)控指令后，聯(lián)網(wǎng) 運(yùn)行改善電網(wǎng)電能質(zhì)量；
[0009] 其中，對于飛輪儲能系統(tǒng)的約束條件為：
[0010]
\* MERGEF0RMAT (1)
[0011] 其中Pfess為飛輪儲能系統(tǒng)的充放電功率;PFESSrate(^飛輪儲能系統(tǒng)的額定功率；Ω 為飛輪的轉(zhuǎn)速；Qrated為飛輪的額定轉(zhuǎn)速；
[0012] 其中風(fēng)電功率波動量Δ Pwg，
[0013] APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEF0RMAT(2)
[0014] 其中P(t)是t時刻的風(fēng)電功率，P(t-l)是t-1時刻的風(fēng)電功率；
[0015] 2)飛輪儲能能量管理系統(tǒng)上層控制方案
[0016]通過監(jiān)測系統(tǒng)功率變化信號和飛輪的轉(zhuǎn)速，采用模糊推理的法確定飛輪儲能系統(tǒng) 的輸出功率的參考值，其中模糊邏輯推理控制器的輸入為風(fēng)電功率變化量和飛輪的轉(zhuǎn)速， 輸出為飛輪儲能系統(tǒng)輸出功率參考值PrefFESS，取值范圍為-1~Ipil，放電為正，充電為負(fù)；
[0017] 其中，邏輯推理結(jié)果決定了飛輪儲能系統(tǒng)充放電的功率輸出指令，不同的模糊邏 輯推理規(guī)則會導(dǎo)致不同的儲能控制效果，其基本的推理規(guī)則：當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較大且為正 值時，或者是飛輪轉(zhuǎn)速較低時，盡可能使儲能處于充電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較大且為負(fù)值 時，或者是飛輪轉(zhuǎn)速較高時，盡可能使儲能處于放電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較低時，或者是 飛輪轉(zhuǎn)速適中時，儲能裝置處于保持狀態(tài)；
[0018] 3)飛輪儲能能量管理系統(tǒng)下層控制方案
[0019] 結(jié)合風(fēng)-儲聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，飛輪儲能系統(tǒng)的控制分為電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī) 側(cè)變流器控制兩部分，在預(yù)充電、預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流方式；電機(jī)側(cè) 變流器在充電階段采用速度外環(huán)控制方式，在預(yù)并網(wǎng)階段采用電壓外環(huán)控制方式，在并網(wǎng) 運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控 制，控制儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)間的有功功率交換；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電 流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，控制直流母線電壓。
【附圖說明】
[0020] 本發(fā)明的改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法，按本發(fā)明 的設(shè)計方法設(shè)計的應(yīng)用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量場景下飛輪儲能系統(tǒng)的能量管理優(yōu)化模型，該 模型以雙層決策模型為基礎(chǔ)，以改善用電質(zhì)量為前提，上層利用模糊算法通過儲能裝置狀 態(tài)和風(fēng)電功率波動量求解出儲能裝置的充放電功率，下層根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型設(shè) 計了能量管理系統(tǒng)下層控制方案。利用該模型可以使風(fēng)電-儲能通過合作運(yùn)行提高儲能裝 置的利用效率，提升風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量，并且避免了飛輪儲能頻繁充放電的問題，具體方法 科學(xué)合理，適用性強(qiáng)，效果佳等優(yōu)點(diǎn)。
[0021 ]圖1飛輪儲能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)示意圖；
[0022]圖2飛輪儲能系統(tǒng)控制流程圖；
[0023]圖2飛輪儲能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)示意圖；
[0024]圖3模糊推理原理圖；
[0025]圖4模糊推理結(jié)果示意圖；
[0026] 圖5風(fēng)-儲能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行主電路圖；
[0027] 圖6飛輪儲能系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制示意圖；
[0028]圖7風(fēng)電功率曲線示意圖；
[0029]圖8風(fēng)電功率波動量曲線示意圖；
[0030]圖9飛輪儲能系統(tǒng)輸出功率參考值PrefFESS曲線示意圖；
[0031 ]圖10飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線示意圖；
[0032] 圖IlPCC處電壓變化曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面利用附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的一種改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量 管理系統(tǒng)的設(shè)計方法作進(jìn)一步說明。
[0034]本發(fā)明的改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法，飛輪能量 管理系統(tǒng)的模型以雙層決策模型為基礎(chǔ)，上層是利用模糊算法通過儲能裝置狀態(tài)和風(fēng)電功 率波動量求解出儲能裝置的充放電功率，下層是根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計能量管 理系統(tǒng)下層控制方案，具體包括以下內(nèi)容：
[0035] 1)飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
[0036]能量管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如附圖1所示，飛輪儲能能量管理系統(tǒng)以儲能系統(tǒng)的狀態(tài) 為約束，通過平抑風(fēng)電功率波動改善電網(wǎng)電能質(zhì)量為目標(biāo)計算儲能裝置的充放電功率參考 值。儲能系統(tǒng)在接到調(diào)控指令后，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。具體控制流程如圖2所示。
[0037] 其中對于飛輪儲能系統(tǒng)的約束條件為：
[0038]
\* MERGEF0RMT (1)
[0039] 其中Pfess為飛輪其中儲能系統(tǒng)的充放電功率;PFESSrated為飛輪儲能系統(tǒng)的額定功 率；Ω為飛輪的轉(zhuǎn)速；Q rated為飛輪的額定轉(zhuǎn)速。
[0040] 其中風(fēng)電功率波動量APwg，
[0041] APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEF0RMAT(2)
[0042] 其中:P(t)是t時刻的風(fēng)電功率，P(t-l)是t-1時刻的風(fēng)電功率。
[0043] 2)飛輪儲能能量管理系統(tǒng)上層控制方案
[0044] 通過監(jiān)測系統(tǒng)功率變化信號和飛輪的轉(zhuǎn)速，采用如圖3所示的模糊推理的方法確 定飛輪儲能系統(tǒng)的輸出功率的參考值。其中模糊邏輯推理控制器的輸入為風(fēng)電功率變化量 和飛輪的轉(zhuǎn)速，輸出為飛輪儲能系統(tǒng)的輸出參考值PreFESS，取值范圍為:-I~Ipil，放電為正， 充電為負(fù)。
[0045] 其中邏輯推理結(jié)果決定了飛輪儲能系統(tǒng)充放電的功率輸出指令，不同的模糊邏輯 推理規(guī)則會導(dǎo)致不同的儲能控制效果。其基本的推理規(guī)則：當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較大且為正值 時，或者是飛輪轉(zhuǎn)速較低時，盡可能使儲能處于充電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較大且為負(fù)值 時，或者是飛輪轉(zhuǎn)速較高時，盡可能使儲能處于放電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較低時，或者是 飛輪轉(zhuǎn)速適中時，儲能裝置處于保持狀態(tài)。其推理結(jié)果如附圖4所示。
[0046] 3)飛輪儲能能量管理系統(tǒng)下層控制方案
[0047] 結(jié)合風(fēng)-儲聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如附圖5,飛輪儲能系統(tǒng)的控制分為電網(wǎng)側(cè)變流器控 制和電機(jī)側(cè)變流器控制兩部分。在預(yù)充電、預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流方 式；電機(jī)側(cè)變流器在充電階段采用速度外環(huán)控制方式，在預(yù)并網(wǎng)階段采用電壓外環(huán)控制方 式。在并網(wǎng)運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直 接功率控制策略，控制儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)間的有功功率交換；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母 線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。如附圖6所示。
[0048] 本實(shí)例采用如附圖5的風(fēng)-儲聯(lián)合系統(tǒng)單機(jī)無窮大模型，結(jié)合東北某風(fēng)場實(shí)際風(fēng)電 場功率，通過模糊算法對風(fēng)電功率波動量和飛輪儲能轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行處理作為飛輪儲能系統(tǒng) 運(yùn)行輸出的目標(biāo)功率的場景下，驗(yàn)證飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的有效性以及飛輪儲能在改善 風(fēng)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的作用。
[0049] 實(shí)施例計算條件說明如下：
[0050] (1)風(fēng)電場由6臺2MW雙饋感應(yīng)風(fēng)力機(jī)組組成;數(shù)據(jù)采樣時間間隔Ts = Is;其輸出功 率如圖7所示；
[0051] (2)飛輪儲能系統(tǒng)采用的是永磁同步電機(jī)，設(shè)定飛輪儲能的額定功率為2MW;飛輪 儲能系統(tǒng)初始轉(zhuǎn)速為4000r/min。
[0052] 在上述計算條件下，應(yīng)用本發(fā)明方法對提高風(fēng)電電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系 統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化控制的相關(guān)計算結(jié)果如下：
[0053] 1.求解風(fēng)電功率的波動量
[0054]根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場數(shù)據(jù)和式（1)計算得到風(fēng)電功率波動曲線如圖8所示。圖8表明，風(fēng) 電功率的波動情況，在采樣間隔內(nèi)，波動量在-174~270kW間劇烈
[0055] 2.計算飛輪儲能系統(tǒng)的輸出功率參考值
[0056] 根據(jù)圖4、圖5,按照上述計算條件，可計算出飛輪儲能系統(tǒng)在運(yùn)行周期內(nèi)隨風(fēng)電功 率波動量變化輸出功率的參考值，其具體值如圖9所示。
[0057] 3.飛輪儲能系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)速Ω的確定
[0058] 由飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)式(3)、式(4)計算可知，飛輪儲能系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)速 具體數(shù)值如圖10所示。
[0059] 4.飛輪儲能系統(tǒng)在采樣周期內(nèi)完成完整的充放電過程時的運(yùn)行狀態(tài)
[0060] 由圖2飛輪儲能系統(tǒng)充放電循環(huán)過程可以看出：飛輪儲能能量管理系統(tǒng)通過采集 風(fēng)電功率的波動量以及飛輪轉(zhuǎn)速狀態(tài)，飛輪儲能系統(tǒng)在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和維持狀態(tài)之 間交替變化。
[0061] 由圖9和圖10可知：圖9是飛輪充放電功率其中正值為放電，負(fù)值為充電，圖10是飛 輪的轉(zhuǎn)速。圖9、圖10表明FESS在接到調(diào)控制定功率后的充、放電情況，且與圖8對照容易看 出：當(dāng)風(fēng)電電功率波動為正值時，飛輪充電，轉(zhuǎn)速升高，當(dāng)風(fēng)電電功率波動為負(fù)值時，飛輪放 電，轉(zhuǎn)速降低，且飛輪轉(zhuǎn)速始終維持在限定范圍內(nèi)。通過飛輪儲能系統(tǒng)在循環(huán)充放電過程中 運(yùn)行的仿真分析仿真，驗(yàn)證了飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的上層控制策略，通過能量管理系統(tǒng) 采集的波動量以及飛輪轉(zhuǎn)速的信號，能很好地控制飛輪儲能的充放電狀態(tài)。
[0062] 5.飛輪儲能聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行前后的PCC電壓變化確定
[0063] 根據(jù)圖11可知：沒有接入FESS時，PCC電壓隨風(fēng)電功率波動而發(fā)生波動，28 %時間 段電壓范圍低于〇.95pu，不滿足電壓質(zhì)量的要求;在接入FESS，由于在一定有功的波動得到 抑制，PCC處電壓波動相對變小，但仍有一定程度的波動，但電壓低于0.95pu的概率減小為 14%，從而很大程度地改善了風(fēng)電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。
[0064]本發(fā)明實(shí)施例中的計算條件、圖例、表等僅用于對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，并非窮 舉，并不構(gòu)成對權(quán)利要求保護(hù)范圍的限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得的啟示， 不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動就能夠想到其它實(shí)質(zhì)上等同的替代，均在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種改善風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量的飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于：它 包括以下內(nèi)容： 1) 飛輪儲能能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 飛輪儲能能量管理系統(tǒng)以儲能系統(tǒng)的狀態(tài)為約束，通過平抑風(fēng)電功率波動改善電網(wǎng)電 能質(zhì)量為目標(biāo)計算儲能裝置的充放電功率參考值，儲能系統(tǒng)在接到調(diào)控指令后，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行 改善電網(wǎng)電能質(zhì)量， 其中，對于飛輪儲能系統(tǒng)的約束條件為： y\PPESs\-PFESSrated \* MERGEFORMT (1) (0<Ω<Ω_Ι? 其中Pfess為飛輪儲能系統(tǒng)的充放電功率;PFESSrated為飛輪儲能系統(tǒng)的額定功率；Ω為飛 輪的轉(zhuǎn)速；Qrated為飛輪的轉(zhuǎn)速； 其中風(fēng)電功率波動量A Pwg， APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEFORMAT (2) 其中P(t)是t時刻的風(fēng)電功率，P(t_l)是t_l時刻的風(fēng)電功率； 2) 飛輪儲能能量管理系統(tǒng)上層控制方案 通過監(jiān)測系統(tǒng)功率變化信號和飛輪的轉(zhuǎn)速，采用模糊推理的方法確定飛輪儲能系統(tǒng)的 輸出功率的參考值，其中模糊邏輯推理控制器的輸入為風(fēng)電功率變化量和飛輪的轉(zhuǎn)速，輸 出為飛輪儲能系統(tǒng)輸出功率參考值PrefFESS，取值范圍為-1~lpU，放電為正，充電為負(fù)； 其中，邏輯推理結(jié)果決定了飛輪儲能系統(tǒng)充放電的功率輸出指令，不同的模糊邏輯推 理規(guī)則會導(dǎo)致不同的儲能控制效果，其基本的推理規(guī)則：當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較大且為正值時， 或者是飛輪轉(zhuǎn)速較低時，盡可能使儲能處于充電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較大且為負(fù)值時，或 者是飛輪轉(zhuǎn)速較高時，盡可能使儲能處于放電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)波動偏差較低時，或者是飛輪轉(zhuǎn) 速適中時，儲能裝置處于保持狀態(tài)； 3) 飛輪儲能能量管理系統(tǒng)下層控制方案 結(jié)合風(fēng)-儲聯(lián)合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，飛輪儲能系統(tǒng)的控制分為電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)變 流器控制兩部分，在預(yù)充電、預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流方式；電機(jī)側(cè)變流 器在充電階段采用速度外環(huán)控制方式，在預(yù)并網(wǎng)階段采用電壓外環(huán)控制方式，在并網(wǎng)運(yùn)行 階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制，控 制儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)間的有功功率交換；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi) 環(huán)的雙閉環(huán)控制，控制直流母線電壓。
【文檔編號】H02J3/30GK106067679SQ201610511810
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月3日 公開號201610511810.2, CN 106067679 A, CN 106067679A, CN 201610511810, CN-A-106067679, CN106067679 A, CN106067679A, CN201610511810, CN201610511810.2
【發(fā)明人】李軍徽, 畢江林, 穆鋼, 嚴(yán)干貴
【申請人】東北電力大學(xué)