CN112600225B

CN112600225B - 一种用于风储系统一次调频的控制方法及系统

Info

Publication number: CN112600225B
Application number: CN202011469275.1A
Authority: CN
Inventors: 陈霞; 陈思源; 杨丘帆; 周建宇; 文劲宇
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-14
Filing date: 2020-12-14
Publication date: 2022-08-05
Anticipated expiration: 2040-12-14
Also published as: CN112600225A

Abstract

本发明公开了一种用于风储系统一次调频的控制方法及系统，属于电气工程技术领域，包括底层双馈异步风力发电机DFIG矢量控制和储能系统ESS双闭环控制，上层功率一致性控制和荷电状态SoC一致性控制。底层控制确保风机和储能系统的正常运行，上层控制调节风机和储能系统的功率分配：基于功率一致性控制确保储能设备能够根据其不同的容量实时调节储能调频功率输出；基于SoC一致性协议对DFIG网侧变流器参考功率进行调整，保证所有储能设备在同时充放电的前提下根据SoC调整其输出。如此，本发明能够有效地实时调节风储输出功率以稳定频率，保证风电场稳定运行。

Description

一种用于风储系统一次调频的控制方法及系统

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，更具体地，涉及一种用于风储系统一次调频的控制方法及系统。

背景技术

近年来，储能得到了迅速的发展和应用。在含风电的电力系统中，利用储能辅助系统频率调节可实现储能吸收和释放有功功率，其性能稳定、控制灵活、响应快速。因此除了利用风电机组自身的调节能力，在风电机组或风电场配置一定容量的储能，可以辅助风电参与系统的频率调节过程，并且可以避免因为风机转子惯性控制而导致的系统频率二次降低的问题。

当在分布式风电场中安装多个储能单元时，需要保证风电机组与储能的协调运行。对于风储系统参与电网一次调频而言，有功功率控制是关键一环，然而，目前的有功控制方法主要是集中式的，其方法假定整个风电场的风速条件和风机的储能信息均可供中央控制器使用，这样会因为单点通信故障导致系统崩溃。一致性控制仅利用本地控制器之间的相邻信息交换来实现全局控制目标，可靠性相比于集中控制更高。对于风力发电机与储能单元一对一组合模式下的系统，目前的分布式风储系统实现了风机和储能之间负载功率的实时共享，但是很少考虑不同储能单元之间容量和荷电状态(SoC)等特性的差异，从而未充分利用储能系统的充放电能力。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于风储系统一次调频的控制方法及系统，旨在解决现有的风储系统一次调频过程中功率分配特性较差的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种用于风储系统一次调频的控制方法，包括以下步骤：

(1)根据系统频率偏差，经过一次调频环节获取储能系统所需输出有功功率需求量P_d；

(2)基于所述有功功率需求量P_d，计算第i组储能单元输出功率参考一致性状态变量z_i，并根据储能单元额定容量C_bat,i确定储能单元输出功率参考值P_es,i；

(3)根据所述第i组储能单元的荷电状态SoC_i、额定容量C_bat,i和输出功率P_bati，计算储能单元SoC一致性状态变量x_i；

(4)将x_i的邻间误差项加权求和后，经PI控制器得到储能单元参考功率修正值P_SoC,i；

(5)将双馈异步风力发电机DFIG定子有功功率P_s,i和转子有功功率P_r,i的差值、储能单元参考功率修正值P_SoC,i、储能单元输出功率参考值P_es,i相加，得到所述风力发电机DFIG网侧输出有功功率参考值P_netref,i；

(6)网侧变换器通过dq解耦控制，使所述风力发电机DFIG网侧输出有功功率P_net,i跟随所述有功功率参考值P_netref,i。

进一步地，步骤(1)具体包括：

根据综合负荷的变化情况，对电网频率全局信息量进行采样，并经过P/f下垂控制和惯量控制，获取储能系统所需输出有功功率需求量P_d；其中，

K_df为频率偏差的微分权重系数，K_pf为频率偏差的下垂系数；Δf＝f_ref-f为系统频率偏差，其中，f_ref为电网参考频率50Hz，f为电网实际频率。

进一步地，步骤(2)中，输出功率参考一致性状态变量z_i由领导者-跟随者一致性协议得到：

领导者等式：

跟随者等式：

其中，风电机组总集合用N表示，选择1号风机作为领导者，并用

描述跟随者的集合，a_ij反映该条通信链路的通信权重；

储能单元输出功率参考值P_es,i与状态变量z_i满足如下关系：

其中，K_i为功率分配系数，且

n是储能单元的总数，C_bat,i是储能单元i的额定容量；N表示风电机组总集合。

进一步地，步骤(3)中，

其中，

a和b分别是储能单元正常工作时荷电状态的下限和上限。

进一步地，步骤(4)中，

其中，K_PSoC,i和K_ISoC,i分别是PI控制器的比例增益和积分增益，a_ij为通信权重，N表示风电机组总集合。

进一步地，所述风储系统包括定子侧变换器和网侧变换器，其中，

所述定子侧变换器通过定子磁链定向矢量控制实现所述风力发电机DFIG定子有功功率和无功功率的解耦控制；

所述网侧变换器通过电网电压定向矢量控制实现所述风力发电机DFIG网侧输出有功功率和网侧变换器回路无功功率的解耦控制。

进一步地，所述储能单元通过电压电流双闭环控制所述风力发电机DFIG直流侧电压，从而通过稳定所述风力发电机DFIG直流侧电压进而补偿所述一次调频所需的风力发电机DFIG缺额功率。

另一方面，本发明提供了一种用于风储系统一次调频的控制系统，包括：

一次调频模块，用于根据系统频率偏差获取储能系统一次调频所需输出有功功率需求量P_d；

储能单元输出功率参考值确定模块，用于基于所述有功功率需求量P_d，计算储能单元输出功率参考一致性状态变量z_i，并根据储能单元额定容量C_bat,i确定储能单元输出功率参考值P_es,i；

储能单元一致性状态变量确定模块，用于根据所述第i组储能单元的荷电状态SoC_i、额定容量C_bat,i和输出功率P_bati，计算储能单元SoC一致性状态变量x_i；

储能单元参考功率修正值确定模块，用于将x_i的邻间误差项加权求和后，经PI控制器得到储能单元参考功率修正值P_SoC,i；

DFIG网侧输出有功功率参考值确定模块，用于将双馈异步风力发电机DFIG定子有功功率P_s,i和转子有功功率P_r,i的差值、储能单元参考功率修正值P_SoC,i、储能单元输出功率参考值P_es,i相加，得到所述风力发电机DFIG网侧输出有功功率参考值P_netref,i；

DFIG变流器控制模块，用于网侧变换器通过dq解耦控制，使所述风力发电机DFIG网侧输出有功功率P_net,i跟随所述有功功率参考值P_netref,i。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明基于功率一致性控制确保储能单元能够根据不同容量实时调节其输出；同时，基于储能单元SoC一致性协议对储能输出功率进行修正，进而对DFIG网侧变流器参考功率进行修正，保证所有储能单元组在同时充放电的前提下根据SoC大小进一步调整其输出。如此，本发明能够有效地实时实现风储系统对电网的一次调频，保证风电场稳定运行。

(2)本发明考虑到储能单元容量和SoC的差异，选择根据SoC的变化动态调整风电场有功功率输出，并确保SoC逐渐趋于一致，从而避免了多个储能单元之间的循环电流，并有效防止了其过度充电或深度放电。同时，每个储能单元在容量和SoC均不同的初始状态下合理地分担负载，因此储能单元的容量可以被充分利用。

附图说明

图1是实施例提供的风储发电系统主要拓扑结构示意图；

图2是实施例提供的双馈风力发电机底层矢量控制策略示意图；

图3是实施例提供的储能系统拓扑结构示意图；

图4是实施例提供的储能系统控制器控制方法示意图；

图5是实施例提供的风储发电系统通讯拓扑结构示意图；

图6是实施例提供的风储发电系统一次调频分层控制示意图；

图7是实施例提供的风速恒定时所提风储系统一次调频和风机自身单独调频的频率对比图；

图8(a)和图8(b)分别是实施例提供的储能系统输出功率和SoC的仿真图；

图9(a)至图9(c)分别是实施例提供的电池4故障时电网频率变换情况、储能系统输出功率和SoC的仿真图；

图10是实施例提供的风速变化时所提风储系统一次调频和风机自身单独调频的频率对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于风储系统一次调频的控制方法，包括：

(1)风储系统底层控制包括：双馈异步风力发电机(DFIG)定向矢量控制和储能系统(ESS)电压电流双闭环控制；

(2)风储系统上层控制包括：基于功率一致性协议的ESS输出功率计算策略和基于储能单元荷电状态(SoC)一致性协议的网侧变换器参考功率调整策略。

如图1所示，为本发明提供的风储系统的拓补结构，包括双馈异步风力发电机DFIG、储能系统ESS、大电网、综合负荷四个子部分。

如图2所示，DFIG定向矢量控制，包括：

(1.1)定子侧变换器控制定子输出有功功率和无功功率，通过定子磁链定向矢量控制方法得到参考转子dq轴电压，进而实现DFIG定子有功功率P_s和无功功率Q_s的解耦控制；

(1.2)网侧变换器控制并网有功功率和网侧变换器回路无功功率，网侧变换器通过电网电压定向矢量控制得到dq轴参考电压，进而实现DFIG网侧输出有功功率P_net和网侧变换器回路无功功率Q_sr的解耦控制。

储能系统拓扑如图3所示，其控制策略如图4所示，底层ESS控制方法包括：通过双闭环控制对储能系统进行控制，进而稳定风机直流侧电压V_dc，DC/DC变换器可以很方便地实现功率的双向交换。

如图5所示，将DFIG、ESS设备均视为独立节点，构建风储系统通讯拓扑，在DFIG和ESS之间建立了两个通信网络，各DFIG、ESS设备之间为双向通信，提出风储系统一次调频控制的一致性方法及系统。

如图6所示，建立基于一致性协议的风储系统一次调频分层控制框架。首先，DFIG的主控制层采用定向矢量控制；然后，根据综合负荷的变化情况，对电网频率全局信息量的采样，经过P/f下垂控制和惯量控制环节，获取储能系统所需输出有功功率需求量P_d：

K_df为频率偏差的微分权重系数；K_pf为频率偏差的下垂系数；Δf＝f_ref-f为系统频率偏差，其中f_ref为电网参考频率50Hz，f为电网实际频率。

上层控制利用功率一致性协议，初步实现储能系统之间的有功功率共享；然后根据储能单元SoC一致性协议修正储能输出参考功率值，动态调整网侧输出参考有功功率P_netref作为DFIG网侧输出有功功率参考值。具体实现步骤如下：

首先，提出一种基于功率一致性协议的ESS输出功率值的计算策略。

对于第i组风储设备，定义输出功率参考一致性变量z_i，根据储能系统有功功率需求P_d，基于一致性协议，使所有z_i之间达到一致。

在不失一般性的前提下，风电机组总集合用N表示，选择1号风机作为领导者，并用

描述跟随者的集合。通过下面的方程描述提出的领导者-跟随者一致性协议。根据图论的基本知识，有向图通常表示为

其中v是有限个数的非空节点集，

为节点序对的集合，称为边集，邻接矩阵为A_N＝[a_ij]∈R^N×N。若节点v_i能够获取v_j的信息，则此时a_ij>0，否则a_ij＝0。a_ij的大小反映该条通信链路的通信权重。

领导者等式：

跟随者等式：

每个风储单元都可以与其两个邻居进行通信，领导者1号风机从风电场监控器接收有关参考储能系统有功需求P_d的信息并通过领导者等式更新状态变量z₁。与此同时，领导者将一致性变量z₁传递给其邻居，每个跟随者j从其邻居接收一致性变量，并再将变量传达给其邻居，通过跟随者等式更新其对应的z_j。

进一步地，当风储系统中的ESS容量不同时，应根据其容量额定值按比例分配所需的有功功率，容量较高的储能装置应该比容量较低的储能装置分配更多的负载。定义功率分配系数

其中n是储能单元的总数，C_bat,i是第i组储能单元的额定容量。

根据上述得到的一致性变量z₁，可以得出储能输出功率参考值，使得储能输出功率P_es,i按容量比例动态跟踪一致性变量z_i。

这样就能初步实现每组储能设备根据其额定容量按比例分配出力。

进一步地，对于储能单元工作特性的优化，提出一种基于储能单元SoC一致性协议的网侧变换器参考功率调整策略。

根据储能单元内第i组储能单元的SoC_i、其额定容量和输出功率采样值，计算储能单元状态变量x_i：

其中，P_bati、i_bati、v_bati和C_bati分别是第i组储能单元输出功率、电流、电压和容量。将F_SoCi定义为：

其中，SoC_i是第i组储能单元的荷电状态，a和b分别是储能单元正常工作时荷电状态的下限和上限，优选a＝0.4，b＝0.9。

采用PI控制器，将第i个储能单元单元内将x_i的邻间误差项加权求和，经PI控制器可以得到储能参考功率修正值P_SoC,i：

其中，K_PSoC,i和K_ISoC,i分别是PI控制器的比例增益和积分增益。

第i组储能单元的实际动态输出功率P'_es,i应等于初步得到的储能输出功率参考值P_es,i和储能参考功率修正值P_SoC,i之和：

P′_es,i＝P_es,i+P_SoC,i

根据DFIG拓扑结构可知，风机网侧输出有功功率P_net,i为：

获取DFIG网侧输出有功功率参考值P_netref,i为：

根据DFIG底层矢量控制，可以使DFIG网侧输出有功功率P_net,i跟随DFIG网侧输出有功功率参考值P_netref,i，即可完成功率分配目标。

本发明另一方面提供了一种用于风储系统一次调频的控制系统，包括：

一次调频模块，用于据系统频率偏差获取储能系统一次调频所需输出有功功率需求量P_d；

上述用于风储系统一次调频的控制系统中各个模块的划分仅用于举例说明，在其他实施例中，可将用于风储系统一次调频的控制系统按照需要划分为不同的模块，以完成上述系统的全部或部分功能。

实施例：

系统各参数值如表1所示：

表1

参数	数值	参数	数值
				风机额定功率P<sub>B</sub>/MW	1.5MW	转子惯量控制系数K<sub>IR</sub>	0.1
风机额定线电压V<sub>B</sub>/kV	0.69kV	通信权重a<sub>ij</sub>	10
				系统额定频率f<sub>ref</sub>/Hz	50Hz	SoC系数K<sub>PSoC,i</sub>,K<sub>ISoC,i</sub>	0.01,0.2
定子电阻R<sub>s</sub>/pu.	2.40mΩ	风机直流侧电压V<sub>dc</sub>/kV	1.2kV
				转子电阻R<sub>r</sub>/pu.	1.69mΩ	风机直流侧电容C<sub>dc</sub>/F	0.03F
定子电感L<sub>s</sub>/pu.	2.343mH	电感L/mH	10mH
				转子电感L<sub>r</sub>/pu.	2.343mH	蓄电池容量C<sub>bat,1</sub>/kWh	4kWh
励磁电感L<sub>m</sub>/pu.	2.199mH	蓄电池容量C<sub>bat,2</sub>/kWh	4kWh
				定转子匝数比r	0.335	蓄电池容量C<sub>bat,3</sub>/kWh	2kWh
转动惯量J/s	4.63s	蓄电池容量C<sub>bat,4</sub>/kWh	2kWh
				储能微分权重系数K<sub>df</sub>	0.5	蓄电池电压V<sub>bat</sub>/kV	0.8kV
储能下垂系数K<sub>pf</sub>	10	蓄电池内阻r<sub>bat</sub>/mΩ	12mΩ

如图7所示，在风速恒定的情形下，设置地区1～4的风速分别为10m/s、8m/s、7m/s和6m/s，设t＝20s时系统负荷突增1MW导致电网频率降低，在有储能补偿情况下，负荷突变时频率跌落值为0.06Hz，经过2s左右到达稳态49.96Hz；而无储能补偿的风电场频率跌落值达到0.4Hz，经过近10s才能稳定在49.85Hz。可以看出，所提风储系统参与电网一次调频相较于风机单独参与调频效果更好：频率跌落更小，到达稳态时间更快，稳态误差更小。

如图8(a)和图8(b)所示，四组风电场中的蓄电池SoC初值分别设置为：SoC₁＝0.9,SoC₂＝0.8,SoC₃＝0.7,SoC₄＝0.6。观察图8(a)每组蓄电池SoC响应和图8(b)一致性变量x_i变化情况。可以发现，由于电池1和2的容量是电池3和4的容量的两倍，因此首先应该根据电池的容量按比例分配电池输出功率。另外，由于电池1的初始SoC最大，因此在电池SoC趋于一致的过程中，电池1的SoC下降最快，其输出功率也大于电池2的输出功率，同理电池3的功率大于电池4的功率。所以，尽管电池SoC初值都不相等，但是由于一致性控制策略的存在，电池之间的SoC差异逐渐变小，最终将接近边界值0.4，实现了所有蓄电池一起放电的效果。

由于任何电池故障都意味着连接到故障设备的所有通信链路的丢失，而其他通信链路仍然使用图5中的通信拓扑来形成连接图。设置其他条件与上述情形一致，仅t＝40s时电池4发生故障并且其与其他设备的通信断开连接，通信链路1-4和链路3-4发生故障，观察提出的控制策略的控制效果。

如图9(a)至图9(c)所示，当其他条件与上述情形一致时，如果电池4在t＝40s时发生故障，则突然的功率不平衡将导致储能总输出功率下降，但是由于控制策略的存在，图9(a)中系统频率仍然能够保持稳定，仅仅在1s内跌落了0.004Hz，可以忽略不计。图9(b)表示该组蓄电池故障后其输出功率P_battery4也相应变化为0，此时所提出的控制器在剩余电池之间按照SoC大小重新分配功率。图9(c)中显示该组蓄电池SoC在故障后保持不变，此时另外三组蓄电池SoC降低速率变大，达到一致的时间也有所提前。

如图10所示，考虑四组风电场风速随机变化的情形。同样地，可以看出，在有储能补偿情况下，所提风储系统参与电网一次调频相较于风机单独参与一次调频效果更好，频率波动明显降低，储能系统在风速波动时能够实时地进行功率补偿，达到了预期的效果。

总体而言：

此外，本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。

本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、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。

上述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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。