一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于能源控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控制方法。本發(fā)明首先通過原子分解，將波動的功率信號分解為一系列原子信號的線性組合，然后設(shè)定截止頻率將分解后的線性信號重構(gòu)成高、中、低頻分量，作為三種儲能設(shè)備的給定功率。本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明同時提出的一種基于正弦原子振蕩的多時間尺度能量管理策略，實現(xiàn)波動功率在三種儲能裝置間合理分配，該儲能系統(tǒng)及控制方法考慮了不同儲能設(shè)備物理特性和限制，通過優(yōu)化組合實現(xiàn)延遲避短，有效提高了儲能系統(tǒng)整體的效費比。
【專利說明】
一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于能源控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源互聯(lián)網(wǎng)是面向未來的能源供給基礎(chǔ)設(shè)施，可實現(xiàn)更加安全、經(jīng)濟的清潔能源 的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、存儲和消費，從而極大提升能源綜合利用效率，支撐可持續(xù)的生態(tài)文明社會 發(fā)展。在能源互聯(lián)網(wǎng)中，能源的生產(chǎn)、傳輸和消費一體，并以風(fēng)力和光伏發(fā)電等新能源作為 主要的能源來源，如何實現(xiàn)新能源的積極消納和綜合利用成為能源互聯(lián)網(wǎng)首要解決的問題 之一。儲能技術(shù)可以有效控制清潔電力能量流的不確定性，并使能量的時空轉(zhuǎn)移、能量流的 有序流動成為可能，因而也成為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)支撐和不可或缺的核心組成單元。
[0003] 儲能相當(dāng)于能源互聯(lián)網(wǎng)中的緩存，是能源路由器的重要組側(cè)部分，由于能源互聯(lián) 網(wǎng)中電源、負(fù)荷波動情況具有隨機、難預(yù)測、多時間尺度等特征，單一的儲能設(shè)備難以滿足 其平抑功率波動的需求。功率型儲能設(shè)備具有響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長的特點，但是其儲能 能量不足，致使其無法長時間的提供能量;能量型儲能設(shè)備的雖然能量密度高，但是響應(yīng)速 度慢、循環(huán)壽命短。因此，混合儲能成為能源互聯(lián)網(wǎng)的必然選擇。
[0004] 混合儲能系統(tǒng)中，如何在保證平抑效果的前提下，盡可能的提高儲能裝置的壽命， 降低儲能成本是一個重要的問題，因此儲能裝置組合配置是混合儲能需要解決的一個重要 問題;其次如何根據(jù)不同儲能裝置的響應(yīng)特征制定合適的協(xié)調(diào)控制策略是控制混合儲能系 統(tǒng)的另一個難題，特別是在能源互聯(lián)網(wǎng)中存在大量一類隨機、非線性、不穩(wěn)定的可再生能源 波動，傳統(tǒng)額低通濾波分解存在頻譜混疊，難以精確提取其特征，尤其當(dāng)儲能裝置種類增多 后，需要多個濾波函數(shù)，會進一步加大濾波誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng) 的功率控制方法。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控制方法，其特 征在于，包括以下步驟：
[0007] a.獲取儲能系統(tǒng)所在的能源路由器當(dāng)前時刻輸出功率，將當(dāng)前時刻輸出功率作為 儲能系統(tǒng)的總的實時參考功率Phw，將Phm作為原始信號序列x(t)，x(t)的表達式如下公式 1所示：
[0008] x(t) =Phess,t = Pin,t-P〇ut,t (公式 1)
[0009] 公式1中，Pin,t為能源路由器輸入功率，Pcmt.t為能源路由器輸出功率，η為采樣窗口 大??；
[0010] b.構(gòu)造不同時間尺度參數(shù)的衰減正弦量原子如下公式2所示：
[0011]
[0012] 公式2中，Aq為衰減正弦量的幅值，fq為頻率，pq為衰減系數(shù)，Φ(1表示相位，tsq和 teq分別為衰減正弦量的起始時間和終止時間，u(t)為單位階躍函數(shù)；
[0013] c.通過粒子群算法優(yōu)化的匹配跟蹤算法對步驟b中所述的原子進行原子分解，尋 找最佳匹配阻尼正弦原子;假設(shè)本步驟經(jīng)過了 m次迭代，則步驟b中f(t)被分解為m個線性展 開的子分量和一個殘余值4,表示式如下公式3所示：
[0014]
[0015] d.假設(shè)儲能系統(tǒng)由飛輪、蓄電池和燃料電池組成，則獲取飛輪、蓄電池和燃料電池 目標(biāo)功率的方法為：
[0016] 將步驟c中所述公式3進行分離重構(gòu)為高、中、低3個頻段的分量虹、1?2、1?，將中、低 頻分離分別作為蓄電池和燃料電池裝置的目標(biāo)功率成、尤，剩余分量作為飛輪的給定功 率，重構(gòu)過程如下公式4所示：
[0017]
[0018]公式4中，j l，j2分別為重構(gòu)過程中的預(yù)設(shè)的2個閾值。
[0019] 進一步的，步驟c中所述通過粒子群算法優(yōu)化的匹配跟蹤算法對步驟b中所述的原 子進行原子分解，尋找最佳匹配阻尼正弦原子的具體方法為：
[0020] cl.對粒子群中粒子的位置和速度進行隨機初始化;設(shè)定種群的迭代次數(shù)為T;
[0021] c2.設(shè)定信號或信號殘差與原子內(nèi)積，采用單純形局部搜索，計算粒子的初始適應(yīng) 度值；
[0022] c3.選取并保存確定個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置；
[0023] c4.執(zhí)行變異操作，以新參量為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成新原子，將新原子與當(dāng)前殘余信號作內(nèi)積 進行迭代并更新自身的速度和位置，其迭代關(guān)系如下公式5所示：
[0024]
[0025] 公式5中，gr(m)為每次迭代分解過程的最佳原子，rm X為當(dāng)前信號，rm-lx當(dāng)前參 與信號；
[0026] c5.計算更新后種群的適應(yīng)度值，更新個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置；
[0027] c6.判斷種群迭代次數(shù)是否達到T次，若達到則保存當(dāng)次原子分解得出的種群的全 局最優(yōu)位置以及最佳適應(yīng)度函數(shù)，否則回到步驟c5;
[0028] c7.判斷以下兩個條件之一是否得到滿足：1、內(nèi)積的增加值不足當(dāng)前值得1 % ; 2、 當(dāng)前殘變量的增加值不足自身值得10%;如果滿足，原子分解得出的最佳原子索引，轉(zhuǎn)換成 阻尼正弦原子參變量并保存，結(jié)束程序;否則回到步驟C2。
[0029] 本發(fā)明的有益效果為，本發(fā)明同時提出的一種基于正弦原子振蕩的多時間尺度能 量管理策略，實現(xiàn)波動功率在三種儲能裝置間合理分配，該儲能系統(tǒng)及控制方法考慮了不 同儲能設(shè)備物理特性和限制，通過優(yōu)化組合實現(xiàn)延遲避短，有效提高了儲能系統(tǒng)整體的效 費比。
【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖；
[0031 ]圖2為本發(fā)明的不同儲能設(shè)備響應(yīng)頻段示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明分解和重構(gòu)過程示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明步驟c的流程圖；
[0034] 圖5是本發(fā)明仿真中一段模擬的能源路由器需要輸出的功率給定信號；
[0035] 圖6是分解重構(gòu)后提取給飛輪給定功率；
[0036] 圖7、是分解重構(gòu)后提取給蓄電池的給定功率；
[0037] 圖8分別是分解重構(gòu)后提取給燃料電池的給定功率。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0039] 本發(fā)明所基于的混合儲能系統(tǒng)，如圖1所示，包括：電網(wǎng)、交直流混合微電網(wǎng)、分布 式電源、負(fù)荷、混合儲能系統(tǒng)。所述電網(wǎng)通過并網(wǎng)柜與交直流混合微電網(wǎng)交流母線連接，所 述并網(wǎng)柜具備鎖相功能，實現(xiàn)并網(wǎng)頻率與相位的自動跟蹤、調(diào)節(jié);所述交流母線通過AC/DC 逆變器與直流母線連接;所述混合儲能系統(tǒng)由飛輪、蓄電池和燃料電池組成，所述飛輪與蓄 電池通過雙向DC/DC串聯(lián)后經(jīng)DC/DC接入直流母線，可實現(xiàn)(一)并網(wǎng)時為直流母線提供(吸 納)有功功率；（二)離網(wǎng)時穩(wěn)定直流母線電壓。串聯(lián)拓?fù)湫问娇沙浞职l(fā)揮飛輪響應(yīng)速度快的 優(yōu)勢，同時可通過蓄電池為飛輪提供有功功率支撐。所述燃料電池經(jīng)過雙向DC/DC接入直流 母線，實現(xiàn)大容量儲能。所述風(fēng)電經(jīng)過不控整流與雙向DCDC接入直流母線，實現(xiàn)儲能對波動 功率的有效平滑。
[0040] 所述DC/DC轉(zhuǎn)換器為雙向半橋DC/DC轉(zhuǎn)換器；
[00411所述AC/DC轉(zhuǎn)換器為雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器；
[0042] 所述交流母線為380V交流母線連接。
[0043] 所述第一直流母線為750V直流母線。
[0044] 如圖2所示為本發(fā)明復(fù)合儲能的在頻域上協(xié)調(diào)配合的特性，圖中模擬了常見的能 源路由器輸出功率能量頻譜特性，其功率波動呈現(xiàn)典型的多時間尺度特性，且波動能量集 中在低頻部分，隨著頻率增大能量減弱，根據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)功率波動多時間尺度特性將燃料 電池-蓄電池-飛輪三種儲能組合在一起，其中燃料電池系統(tǒng)對小時級的波動功率"削峰填 谷"，飛輪用來平抑秒級波動，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，蓄電池則平抑介于二者之間的波動。
[0045] 圖3所示為本發(fā)明基于正弦原子振蕩的混合儲能系統(tǒng)功率分配和協(xié)調(diào)控制方法， 首先通過原子分解，將波動的功率信號分解為一系列原子信號的線性組合，然后設(shè)定截止 頻率將分解后的線性信號重構(gòu)成高、中、低頻分量，作為三種儲能設(shè)備的給定功率，具體實 現(xiàn)過程包括以下步驟：
[0046] 步驟（1)根據(jù)儲能系統(tǒng)所在的能源路由器當(dāng)前時刻輸出功率，得到儲能系統(tǒng)的總 的實時參考功率Phess，將其作為原始信號序列x(k):
[0047] x(t) =Phess,k = Pin,k-P〇ut,k ke (1，2· · ·η) (2)
[0048] 式中，Pin，t為能源路由器輸入功率，Pout，t為能源路由器輸出功率，η為采樣窗口 大小。
[0049] 步驟(2)根據(jù)儲能系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特點，構(gòu)造不同時間尺度參數(shù)的衰減正弦量原 子。
[0050] 步驟(3)通過改進粒子群算法優(yōu)化的匹配跟蹤算法進行原子分解尋找最佳匹配阻 尼正弦原子。
[0051] 步驟(4)通過m次迭代后，最終x(k)被分解為m個線性展開的子分量和一個殘余值 rx m：
[0052]
[0053] 步驟(5)選擇合理的閾值，將上述分解后的信號分離重構(gòu)為高、中、低3個頻段的分 量1?1、1?2、1?3，中、低頻分離分別作為蓄電池和燃料電池裝置的目標(biāo)功率砥 :、4：，剩余分量 作為飛輪的給定功率。
[0054]附圖4是步驟3中詳細(xì)的流程圖，包括以下過程：
[0055] 1)對粒子群中粒子的位置和速度進行隨機初始化。設(shè)定種群的迭代次數(shù)為T;
[0056] 2)設(shè)定信號或信號殘差與原子內(nèi)積，采用單純形局部搜索，計算粒子的初始適應(yīng) 度值；
[0057] 3)選取并保存確定個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置；
[0058] 4)執(zhí)行變異操作，以新參量為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成新原子，將新原子與當(dāng)前殘余信號作內(nèi)積 進行迭代并更新自身的速度和位置，其迭代關(guān)系為：
[0059]
[0060] 式中g(shù)r(m)為母次迭代分觶過程的最佳原子，rm X為當(dāng)前信號，rm-lx當(dāng)前參與信 號。
[0061] 5)計算更新后種群的適應(yīng)度值，更新個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置；
[0062] 6)判斷種群迭代次數(shù)是否達到T次，若達到則保存當(dāng)次原子分解得出的種群的全 局最優(yōu)位置Gbest以及最佳適應(yīng)度函數(shù)，否則回到步驟5);
[0063] 7)判讀以下兩個條件之一是否得到滿足：1、內(nèi)積的增加值不足當(dāng)前值得1%，2、當(dāng) 前殘變量的增加值不足自身值得10 %。如果達到，原子分解得出的最佳原子索引，轉(zhuǎn)換成阻 尼正弦原子參變量并保存至振蕩模式存儲單元，并結(jié)束程序;否則回到步驟2)。
[0064]附圖5是本發(fā)明仿真效果，其中圖5是一段模擬的能源路由器需要輸出的功率給定 信號，圖6、圖7、圖8分別是分解重構(gòu)后提取給飛輪、蓄電池和燃料電池的給定功率。
【主權(quán)項】
1. 一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控制方法，其特征在于，包括以下步驟： a. 獲取儲能系統(tǒng)所在的能源路由器當(dāng)前時刻輸出功率，將當(dāng)前時刻輸出功率作為儲能 系統(tǒng)的總的實時參考功率Phw，將Phw作為原始信號序列x(t)，x(t)的表達式如下公式1所 示：公式1中，Pin, t為能源路由器輸入功率，Pcmt, t為能源路由器輸出功率，η為采樣窗口大 ?。? b. 構(gòu)造不同時間尺度參數(shù)的衰減正弦量原子如下公式2所示：公式2中，Aq為衰減正弦量的幅值，fq為頻率，Pq為衰減系數(shù)，Φ q表示相位，tSq和teq分別 為衰減正弦量的起始時間和終止時間，u(t)為單位階躍函數(shù)； C.通過粒子群算法優(yōu)化的匹配跟蹤算法對步驟b中所述的原子進行原子分解，尋找最 佳匹配阻尼正弦原子;假設(shè)本步驟經(jīng)過了 m次迭代，則步驟b中f(t)被分解為m個線性展開的 子分量和一個殘余值表不式如下公式3所不：d.假設(shè)儲能系統(tǒng)由飛輪、蓄電池和燃料電池組成，則獲取飛輪、蓄電池和燃料電池目標(biāo) 功率的方法為： 將步驟c中所述公式3進行分離重構(gòu)為高、中、低3個頻段的分量心、1?2、1?3，將中、低頻分 離分別作為蓄電池和燃料電池裝置的目標(biāo)功率圮剩余分量作為飛輪的給定功率，重 構(gòu)過程如下公式4所示：公式4中，J1J2分別為重構(gòu)過程中的預(yù)設(shè)的2個閾值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于能源互聯(lián)網(wǎng)復(fù)合儲能系統(tǒng)的功率控制方法，其特征 在于，步驟c中所述通過粒子群算法優(yōu)化的匹配跟蹤算法對步驟b中所述的原子進行原子分 解，尋找最佳匹配阻尼正弦原子的具體方法為： c 1.對粒子群中粒子的位置和速度進行隨機初始化;設(shè)定種群的迭代次數(shù)為T; c2.設(shè)定信號或信號殘差與原子內(nèi)積，采用單純形局部搜索，計算粒子的初始適應(yīng)度 值； c3.選取并保存確定個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置； c4.執(zhí)行變異操作，以新參量為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成新原子，將新原子與當(dāng)前殘余信號作內(nèi)積進行 迭代并更新自身的速度和位置，其迭代關(guān)系如下公式5所示：公式5中，grW為每次迭代分解過程的最佳原子，?為當(dāng)前信號，rf當(dāng)前參與信號； c5.計算更新后種群的適應(yīng)度值，更新個體最優(yōu)位置和全局最優(yōu)位置； c6.判斷種群迭代次數(shù)是否達到T次，若達到則保存當(dāng)次原子分解得出的種群的全局最 優(yōu)位置以及最佳適應(yīng)度函數(shù)，否則回到步驟c5; c7.判斷以下兩個條件之一是否得到滿足：1、內(nèi)積的增加值不足當(dāng)前值得1%;2、當(dāng)前 殘變量的增加值不足自身值得10%;如果滿足，原子分解得出的最佳原子索引，轉(zhuǎn)換成阻尼 正弦原子參變量并保存，結(jié)束程序;否則回到步驟c2。
【文檔編號】H02J3/28GK105896573SQ201610395476
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】臧奕茗
【申請人】西南交通大學(xué)