改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法
【專利摘要】本發明涉及一種改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法,其特點是：隨著風電滲透率顯著增加，集群風電并網對電力系統電能質量尤其是電壓質量帶來嚴重影響。飛輪儲能具有有功和無功獨立調節能力，本發明設計了應用于改善電網電能質量場景下飛輪儲能系統的能量管理優化模型，該模型以雙層決策模型為基礎，以改善用電質量為前提，上層利用模糊算法通過儲能裝置狀態和風電功率波動量求解出儲能裝置的充放電功率，下層根據飛輪儲能系統的數學模型設計了能量管理系統下層控制方案。利用該模型可以使風電?儲能通過合作運行提高儲能裝置的利用效率，提升風電并網電能質量。具體方法科學合理，適用性強，效果佳等優點。
【專利說明】
改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力技術領域，是一種改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系 統的設計方法。
【背景技術】
[0002] 隨著風電裝機快速增長，我國已形成八個千萬千瓦級風電基地，風電功率的強波 動性和不確定性，使得大規模風電匯集區域呈現高風電滲透、局部電網薄弱的典型的特征。 高滲透率風電接入情況下，風電功率的變化進一步導致電網電壓的激增或者驟降，必然會 引起一系列的電壓質量問題，甚至有可能超出國家有關標準。因此，保證風電并網電壓質 量，增強風電功率的電網友好性，提高風電的接納規模，是保障風電可持續、大規模發展亟 需解決的問題。
[0003] 傳統發電端的調節手段難以完全滿足電網動態支撐的要求，儲能系統具備快速的 功率響應能力，能夠實現功率的雙向調節。利用儲能裝置對并網風電功率進行調控，能夠獲 得相對更好的功率特性和經濟性，儲能技術的應用為提高風電并網電能質量提供了一條有 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 等優點，近年來在電力系統領域得到廣泛研究和應用。
[0004] 飛輪儲能(Flywheel Energy Storage System，FESS)在電力系統中發揮的作用主 要有削峰填谷、備用電源、提高電網的消納能力以及提高電能質量，其中飛輪儲能系統的能 量管理系統設計是充分利用儲能裝置能力的關鍵一環。
【發明內容】
[0005] 為了充分發掘利用飛輪儲能在解決改善高風電滲透下電網電能質量的能力，本發 明的目的是，提供一種改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法，充分 利用了飛輪儲能在改善電網電能質量方面的能力，并且避免了飛輪儲能頻繁充放電的問 題。
[0006] 為了實現上述目的，本發明的一種改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系 統的設計方法，其特征在于:它包括以下內容：
[0007] 1)飛輪儲能能量管理系統的結構設計
[0008] 飛輪儲能能量管理系統以儲能系統的狀態為約束，通過平抑風電功率波動改善電 網電能質量為目標計算儲能裝置的充放電功率參考值，儲能系統在接到調控指令后，聯網 運行改善電網電能質量；
[0009] 其中，對于飛輪儲能系統的約束條件為：
[0010]
\* MERGEF0RMAT (1)
[0011] 其中Pfess為飛輪儲能系統的充放電功率;PFESSrate(^飛輪儲能系統的額定功率；Ω 為飛輪的轉速；Qrated為飛輪的額定轉速；
[0012] 其中風電功率波動量Δ Pwg，
[0013] APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEF0RMAT(2)
[0014] 其中P(t)是t時刻的風電功率，P(t-l)是t-1時刻的風電功率；
[0015] 2)飛輪儲能能量管理系統上層控制方案
[0016]通過監測系統功率變化信號和飛輪的轉速，采用模糊推理的法確定飛輪儲能系統 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電功率變化量和飛輪的轉速， 輸出為飛輪儲能系統輸出功率參考值PrefFESS，取值范圍為-1~Ipil，放電為正，充電為負；
[0017] 其中，邏輯推理結果決定了飛輪儲能系統充放電的功率輸出指令，不同的模糊邏 輯推理規則會導致不同的儲能控制效果，其基本的推理規則：當系統波動偏差較大且為正 值時，或者是飛輪轉速較低時，盡可能使儲能處于充電狀態；當系統波動偏差較大且為負值 時，或者是飛輪轉速較高時，盡可能使儲能處于放電狀態；當系統波動偏差較低時，或者是 飛輪轉速適中時，儲能裝置處于保持狀態；
[0018] 3)飛輪儲能能量管理系統下層控制方案
[0019] 結合風-儲聯合系統的結構，飛輪儲能系統的控制分為電網側變流器控制和電機 側變流器控制兩部分，在預充電、預并網階段，電網側變流器均采用不控整流方式；電機側 變流器在充電階段采用速度外環控制方式，在預并網階段采用電壓外環控制方式，在并網 運行階段，電網側變流器控制采用基于電網側電流外環、變流器側電流內環的直接功率控 制，控制儲能系統與電網間的有功功率交換；電機側變流器控制采用直流母線電壓外環、電 流內環的雙閉環控制，控制直流母線電壓。
【附圖說明】
[0020] 本發明的改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法，按本發明 的設計方法設計的應用于改善電網電能質量場景下飛輪儲能系統的能量管理優化模型，該 模型以雙層決策模型為基礎，以改善用電質量為前提，上層利用模糊算法通過儲能裝置狀 態和風電功率波動量求解出儲能裝置的充放電功率，下層根據飛輪儲能系統的數學模型設 計了能量管理系統下層控制方案。利用該模型可以使風電-儲能通過合作運行提高儲能裝 置的利用效率，提升風電并網電能質量，并且避免了飛輪儲能頻繁充放電的問題，具體方法 科學合理，適用性強，效果佳等優點。
[0021 ]圖1飛輪儲能系統能量管理系統示意圖；
[0022]圖2飛輪儲能系統控制流程圖；
[0023]圖2飛輪儲能系統能量管理系統示意圖；
[0024]圖3模糊推理原理圖；
[0025]圖4模糊推理結果示意圖；
[0026] 圖5風-儲能系統聯合運行主電路圖；
[0027] 圖6飛輪儲能系統聯網運行控制示意圖；
[0028]圖7風電功率曲線示意圖；
[0029]圖8風電功率波動量曲線示意圖；
[0030]圖9飛輪儲能系統輸出功率參考值PrefFESS曲線示意圖；
[0031 ]圖10飛輪儲能系統轉速曲線示意圖；
[0032] 圖IlPCC處電壓變化曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面利用附圖和實施例對本發明的一種改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量 管理系統的設計方法作進一步說明。
[0034]本發明的改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法，飛輪能量 管理系統的模型以雙層決策模型為基礎，上層是利用模糊算法通過儲能裝置狀態和風電功 率波動量求解出儲能裝置的充放電功率，下層是根據飛輪儲能系統的數學模型設計能量管 理系統下層控制方案，具體包括以下內容：
[0035] 1)飛輪儲能能量管理系統的結構
[0036]能量管理系統總體結構如附圖1所示，飛輪儲能能量管理系統以儲能系統的狀態 為約束，通過平抑風電功率波動改善電網電能質量為目標計算儲能裝置的充放電功率參考 值。儲能系統在接到調控指令后，聯網運行改善電網電能質量。具體控制流程如圖2所示。
[0037] 其中對于飛輪儲能系統的約束條件為：
[0038]
\* MERGEF0RMT (1)
[0039] 其中Pfess為飛輪其中儲能系統的充放電功率;PFESSrated為飛輪儲能系統的額定功 率；Ω為飛輪的轉速；Q rated為飛輪的額定轉速。
[0040] 其中風電功率波動量APwg，
[0041] APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEF0RMAT(2)
[0042] 其中:P(t)是t時刻的風電功率，P(t-l)是t-1時刻的風電功率。
[0043] 2)飛輪儲能能量管理系統上層控制方案
[0044] 通過監測系統功率變化信號和飛輪的轉速，采用如圖3所示的模糊推理的方法確 定飛輪儲能系統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電功率變化量 和飛輪的轉速，輸出為飛輪儲能系統的輸出參考值PreFESS，取值范圍為:-I~Ipil，放電為正， 充電為負。
[0045] 其中邏輯推理結果決定了飛輪儲能系統充放電的功率輸出指令，不同的模糊邏輯 推理規則會導致不同的儲能控制效果。其基本的推理規則：當系統波動偏差較大且為正值 時，或者是飛輪轉速較低時，盡可能使儲能處于充電狀態；當系統波動偏差較大且為負值 時，或者是飛輪轉速較高時，盡可能使儲能處于放電狀態；當系統波動偏差較低時，或者是 飛輪轉速適中時，儲能裝置處于保持狀態。其推理結果如附圖4所示。
[0046] 3)飛輪儲能能量管理系統下層控制方案
[0047] 結合風-儲聯合系統的結構，如附圖5,飛輪儲能系統的控制分為電網側變流器控 制和電機側變流器控制兩部分。在預充電、預并網階段，電網側變流器均采用不控整流方 式；電機側變流器在充電階段采用速度外環控制方式，在預并網階段采用電壓外環控制方 式。在并網運行階段，電網側變流器控制采用基于電網側電流外環、變流器側電流內環的直 接功率控制策略，控制儲能系統與電網間的有功功率交換；電機側變流器控制采用直流母 線電壓外環、電流內環的雙閉環控制策略，控制直流母線電壓。如附圖6所示。
[0048] 本實例采用如附圖5的風-儲聯合系統單機無窮大模型，結合東北某風場實際風電 場功率，通過模糊算法對風電功率波動量和飛輪儲能轉速狀態進行處理作為飛輪儲能系統 運行輸出的目標功率的場景下，驗證飛輪儲能能量管理系統的有效性以及飛輪儲能在改善 風電系統電能質量的作用。
[0049] 實施例計算條件說明如下：
[0050] (1)風電場由6臺2MW雙饋感應風力機組組成;數據采樣時間間隔Ts = Is;其輸出功 率如圖7所示；
[0051] (2)飛輪儲能系統采用的是永磁同步電機，設定飛輪儲能的額定功率為2MW;飛輪 儲能系統初始轉速為4000r/min。
[0052] 在上述計算條件下，應用本發明方法對提高風電電能質量的飛輪儲能能量管理系 統運行優化控制的相關計算結果如下：
[0053] 1.求解風電功率的波動量
[0054]根據實際風電場數據和式（1)計算得到風電功率波動曲線如圖8所示。圖8表明，風 電功率的波動情況，在采樣間隔內，波動量在-174~270kW間劇烈
[0055] 2.計算飛輪儲能系統的輸出功率參考值
[0056] 根據圖4、圖5,按照上述計算條件，可計算出飛輪儲能系統在運行周期內隨風電功 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.飛輪儲能系統飛輪轉速Ω的確定
[0058] 由飛輪儲能系統的工作原理，根據式(3)、式(4)計算可知，飛輪儲能系統飛輪轉速 具體數值如圖10所示。
[0059] 4.飛輪儲能系統在采樣周期內完成完整的充放電過程時的運行狀態
[0060] 由圖2飛輪儲能系統充放電循環過程可以看出：飛輪儲能能量管理系統通過采集 風電功率的波動量以及飛輪轉速狀態，飛輪儲能系統在充電狀態、放電狀態和維持狀態之 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，負值為充電，圖10是飛 輪的轉速。圖9、圖10表明FESS在接到調控制定功率后的充、放電情況，且與圖8對照容易看 出：當風電電功率波動為正值時，飛輪充電，轉速升高，當風電電功率波動為負值時，飛輪放 電，轉速降低，且飛輪轉速始終維持在限定范圍內。通過飛輪儲能系統在循環充放電過程中 運行的仿真分析仿真，驗證了飛輪儲能能量管理系統的上層控制策略，通過能量管理系統 采集的波動量以及飛輪轉速的信號，能很好地控制飛輪儲能的充放電狀態。
[0062] 5.飛輪儲能聯網運行前后的PCC電壓變化確定
[0063] 根據圖11可知：沒有接入FESS時，PCC電壓隨風電功率波動而發生波動，28 %時間 段電壓范圍低于〇.95pu，不滿足電壓質量的要求;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電系統的電壓穩定性。
[0064]本發明實施例中的計算條件、圖例、表等僅用于對本發明作進一步的說明，并非窮 舉，并不構成對權利要求保護范圍的限定，本領域技術人員根據本發明實施例獲得的啟示， 不經過創造性勞動就能夠想到其它實質上等同的替代，均在本發明保護范圍內。
【主權項】
1. 一種改善風電并網電能質量的飛輪儲能能量管理系統的設計方法，其特征在于：它 包括以下內容： 1) 飛輪儲能能量管理系統的結構設計 飛輪儲能能量管理系統以儲能系統的狀態為約束，通過平抑風電功率波動改善電網電 能質量為目標計算儲能裝置的充放電功率參考值，儲能系統在接到調控指令后，聯網運行 改善電網電能質量， 其中，對于飛輪儲能系統的約束條件為： y\PPESs\-PFESSrated \* MERGEFORMT (1) (0<Ω<Ω_Ι? 其中Pfess為飛輪儲能系統的充放電功率;PFESSrated為飛輪儲能系統的額定功率；Ω為飛 輪的轉速；Qrated為飛輪的轉速； 其中風電功率波動量A Pwg， APwg(t)=P(t)-P(t-l) \*MERGEFORMAT (2) 其中P(t)是t時刻的風電功率，P(t_l)是t_l時刻的風電功率； 2) 飛輪儲能能量管理系統上層控制方案 通過監測系統功率變化信號和飛輪的轉速，采用模糊推理的方法確定飛輪儲能系統的 輸出功率的參考值，其中模糊邏輯推理控制器的輸入為風電功率變化量和飛輪的轉速，輸 出為飛輪儲能系統輸出功率參考值PrefFESS，取值范圍為-1~lpU，放電為正，充電為負； 其中，邏輯推理結果決定了飛輪儲能系統充放電的功率輸出指令，不同的模糊邏輯推 理規則會導致不同的儲能控制效果，其基本的推理規則：當系統波動偏差較大且為正值時， 或者是飛輪轉速較低時，盡可能使儲能處于充電狀態；當系統波動偏差較大且為負值時，或 者是飛輪轉速較高時，盡可能使儲能處于放電狀態；當系統波動偏差較低時，或者是飛輪轉 速適中時，儲能裝置處于保持狀態； 3) 飛輪儲能能量管理系統下層控制方案 結合風-儲聯合系統的結構，飛輪儲能系統的控制分為電網側變流器控制和電機側變 流器控制兩部分，在預充電、預并網階段，電網側變流器均采用不控整流方式；電機側變流 器在充電階段采用速度外環控制方式，在預并網階段采用電壓外環控制方式，在并網運行 階段，電網側變流器控制采用基于電網側電流外環、變流器側電流內環的直接功率控制，控 制儲能系統與電網間的有功功率交換；電機側變流器控制采用直流母線電壓外環、電流內 環的雙閉環控制，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
【發明人】李軍徽, 畢江林, 穆鋼, 嚴干貴
【申請人】東北電力大學