考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法及系统

技术领域

本发明属于风电技术领域，尤其涉及考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

大型风电场通常通过长距离专用架空输电线路(overhead transmission lines，OTLs)将电能传输到主网的末端。因此，专用OTL的输电容量约束是制约风电并网的重要因素。此外，风电固有的波动性将对电网的电压稳定、频率稳定和功率角稳定产生很大的影响。风电要实现安全并网，必须满足电网对电力波动率的要求。综上所述，如何在满足OTL输电容量约束的前提下，进一步满足风电的波动性约束，实现风电的安全并网是当前急需解决的问题。

在满足OTL输电容量约束的前提下，合理的方法是制定弃风方案来调整风电输出。现有技术采用静热额定值(STR)作为弃风发生的判据。STR采用一组保守的气象参数值作为输入，但保守气象参数出现的概率极低。因此，采用静态热设定必然会造成大量的弃风。动态热额定值(Dynamic thermal rating,DTR)以电热耦合理论为桥梁，以实时环境参数为输入，制定弃风方案。DTR克服了STR的保守性，在充分利用线路传输潜力的同时减少了弃风的发生。

为了满足风电并网波动的约束，通常采用储能技术来抑制风电的波动。采用单一储能方式平抑风电波动，取得了较好的效果，但由于技术性能的限制，单一储能方式在实际应用中存在一定的局限性。因此，有学者提出将功率型储能系统与能量型储能系统相结合，形成混合储能，可以充分利用不同类型储能的优势。相关技术采用低通滤波算法，利用混合储能对不同时间尺度的风电波动进行平抑，取得了良好的平抑效果。采用小波分解对风电进行分解，实现风电波动的实时平息，并根据超级电容器和电池的频率特性确定功率指令分配。

但是其存在的技术问题是：现有的储能控制策略仅仅考虑了风电并网的波动性约束，并未考虑风电并网后专用架空线路的传输能力约束。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法及系统，其以电热耦合理论为桥梁，以实时运行的环境参数计算弃风标准，在弃风最小的前提下满足线路传输容量约束。利用电池与超级电容器组成的混合储能稳定弃风后电力，在满足线路传输容量约束的基础上，满足风电并网波动要求，实现风电安全接入。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一方面提供考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法，包括如下步骤：

在建立的风储集成模型的基础上，基于电热耦合理论，建立了满足架空输电线路传输能力约束的弃风策略，将实时环境参数引入分析，计算得到弃风标准，根据该弃风标准进行弃风；

以弃风后的输出功率为输入，建立混合储能的风储控制策略，通过该策略调整风电输出以满足风电并网波动的约束；其中，所述通过该策略调整风电输出以满足风电并网波动的约束，具体包括：

确定弃风后的原始风电是否符合并网标准，如果满足并网标准，则储能设备不运行，风电直接并网；如果不满足并网条件，采用离散小波变换对该段风电信号进行分解，将原始信号分解为低频分量和高频分量，对生成的低频分量和高频分量进行重构，将重构得到的符合风电并网标准的低频信号接入电网，每次分解产生的剩余高频信号由储能系统吸收。

本发明的第二方面提供考虑架空线路电热耦合特性的风储控制系统，包括：

弃风模块，其用于在建立的风储集成模型的基础上，基于电热耦合理论，建立了满足架空输电线路传输能力约束的弃风策略，将实时环境参数引入分析，计算得到弃风标准，根据该弃风标准进行弃风；

风储控制模块，其用于以弃风后的输出功率为输入，建立混合储能的风储控制策略，通过该策略调整风电输出以满足风电并网波动的约束；其中，所述通过该策略调整风电输出以满足风电并网波动的约束，具体包括：

确定弃风后的原始风电是否符合并网标准，如果满足并网标准，则储能设备不运行，风电直接并网；如果不满足并网条件，采用离散小波变换对该段风电信号进行分解，将原始信号分解为低频分量和高频分量，对生成的低频分量和高频分量进行重构，将重构得到的符合风电并网标准的低频信号接入电网，每次分解产生的剩余高频信号由储能系统吸收。

本发明的第三方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法中的步骤。

本发明的第四方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明考虑OTL的电热耦合特性，在弃风方案设计中引入实时气象参数，充分利用OTL的输电潜力，最大限度地减少弃风。

2、该策略既能满足风电并网波动性约束，又能满足OTL输电容量约束，实现风电安全并网。

3、所提出的策略可以充分发挥不同类型储能的性能特点，并结合死区控制方法实现功率指令的合理分配。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例提供的考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法流程图；

图2是本发明实施例提供的风储集成系统总体结构图；

图3是本发明实施例提供的弃风策略流程图；

图4是本发明实施例提供的风电自适应小波分解流程图；

图5是本发明实施例提供的不同控制策略的效果分析图；

图6是本发明实施例提供的不同控制策略的线路运行温度对比图；

图7是本发明实施例提供的混合储能功率变化情况；

图8是本发明实施例提供的混合储能SOC变化情况。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

如图1所示，本实施例提供考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立了风储集成模型。

风力发电具有很强的间歇性和波动性，严重影响了电力系统的可靠性和稳定性。为了减轻风力发电并入电力系统的负面影响，风电场通常配置一定比例的储能。储能系统的应用提高了并网质量和风能利用效率。

本实施例中，将风力发电场及其用于储能的专用OTL定义为WSIS。

由于大型风电场通常位于远离主电网的偏远地区，因此风力发电需要通过专用的OTL连接到电网。

本实施主要研究风力发电和输电，并非是电力并入主网后的分布。

因此，为了便于分析，将电力系统进行分区：风电场和主系统相当于两个独立的节点，通过专用的OTL连接。此外，在现代电力系统中，以SVC、STATCOM和UPFC为代表的各种无功补偿装置得到了广泛的应用，为系统提供了足够的无功支持。基于上述假设，可以假设各节点的电压幅值保持在额定电压(1.0p.u)附近。此外，大型风力发电场通常配备储能系统来调节风力发电量。风储集成系统总体结构图如图2所示。

如图2所示，风电场和区域电力系统分别位于两地，电力通过风电场路由的专用OTLs向电力系统传输。根据电力传输的相关知识，风电场传输的功率和系统接受的功率可以表示为：

式中，P

R＝Lr/Z

X＝Lx/Z

式中，x为单位长度电抗；Z

P

根据以上分析，可以近似假定由于采用了无功补偿装置，电压保持在额定值附近。因此，假设U

P

P

电力系统中的OTLs一般采用星型连接方式。因此，假设相电流或导体电流等于线路电流，可以表示为r、θ、L的函数：

I

由于三相架空导体的邻近，模拟三相OTL的电热行为时，环境条件的差异不显著。传统的电力系统分析一般将r视为常数，忽略了由于热电耦合引起的r的变化。对于实际运行的OTL，r可以认为是一定范围内线路温度T的线性函数，如(9)所示：

式中，R

根据电热耦合算法，电路温度受对流散热q

mC

式中，m为单位长度架空线的质量，C

式中，T

步骤2：在风储集成模型的基础上，基于电热耦合理论，建立了满足架空输电线路传输能力约束的弃风策略，利用实时气象参数计算弃风标准；

工作温度是测量OTL运行状态的主要物理特性，也是掌握OTL负载能力的重要标志。因此，在设计弃风策略时，应首先模拟OTL的运行温度，以确定OTL是否过载。传统的静态方法认为OTL处于热平衡状态，即忽略式(10)的微分项。但在实际运行环境中，各种气象参数是时变的，风电输出的强波动也导致线路负荷处于时变状态。因此，在风电通过专用OTL集成并网的情况下，OTL温度的变化过程不容忽视。

动态方法考虑了OTL的电热耦合特性，能够全面捕捉OTL工作温度的变化过程。各种气象参数随时间的函数关系难以获得，这给OTL运行温度的模拟带来了困难。为了快速模拟多种时变气象参数下的线路温度变化，本研究假设各参数(环境温度、风速、风向、承载能力等)随时间的变化在短时间间隔内呈线性变化，如式(12)-(15)所示：

T

D

V

I(t)＝I(t

式中t

通过设定OTL温度的初始值，连续求解方程组，可以实现全周期线温的动态模拟。值得注意的是，采样区间t

模拟OTL的运行温度后，根据OTL运行温度设计弃风方案。该方案以电热耦合理论为桥梁，将实时环境参数引入分析，最大限度地提高线路的输电潜力，减少弃风的发生。

弃风方案流程图如图3所示。详细设计过程主要分为三个步骤：

步骤201：根据风电场输出功率P

步骤202：检查线路温度是否超过热限温度T

步骤203：将步骤2得到的电压相角差代入式(1)，计算出线路允许的最大综合功率P

cosθ

步骤3：以弃风后的输出功率为输入，建立了一种基于混合储能的风储控制策略，通过该策略可以调整风电输出以满足风电并网波动的约束。

为满足输电容量约束和风电并网波动性约束，本实施例设计了考虑线路电热耦合的风储控制策略，包括四个部分。首先，根据线路的热极限进行弃风；二是弃风后并网电力的分解；三是混合储能的功率指令分配；第四，防止混合储能过充过放的死区控制方法。

该策略可以以电热耦合为桥梁，将实际运行中的环境参数引入线路的输电能力分析中，充分利用线路的输电潜力，减少弃风的发生。

风电的不稳定性给电力系统的调节能力带来了严重的负担。各国都对风电并网波动性的要求做出了明确的规定。本发明采用现有的中国标准，分为1min功率波动限值和10min功率波动限值，如式(17)所示。

P

式中，P

小波分解在处理风电等非平稳信号方面具有很大的优势。本实施例采用小波包分解对并网信号和混合储能功率指令进行分离。

风电功率自适应小波分解流程图如图4所示。

首先，确定弃风后的原始风电P

假设n层分解后的L

在将风电分解为符合标准的并网电力和需要混合储能的波动电力后，将分离出来的高频功率分配到混合储能系统中。

电池的工作寿命受充放电开关次数的影响。降低充放电工作顺序的切换频率，有利于提高电池的使用寿命。超级电容器具有响应速度快、充放电转换寿命损失小等特点，可用于消除高频波动。超级电容用于抑制几毫秒到几分钟的波动。超级电容器的波动带设为[1/T

f

其中，f

超级电容器P

P

P

值得注意的是，式(19)和式(20)只是理论上计算的超级电容器和电池的输出。但在实际运行中，由于SOC超调和充放电功率超调，储能系统会进入工作死区。此时，需要调整电源指令(19)和(20)。

下面以超级电容器为例，介绍混合储能的死区控制。

在实际运行中，超级电容器需要满足SOC约束和额定功率约束，如式(21)所示。

式中，P

SOC

式中，SOC

式中，η

E

式中，η

如果不满足额定功率限制，按式(25)调节电源命令；如果SOC未达到上限，按式(26)调整电源命令。

经死区控制后，电源指令满足储能装置的技术参数。

本发明的重点是验证所提的风电场控制策略的有效性。风力输出和气象数据均基于中国某风电场的实际测量数据。OTL型号为795kcmil 26/7ASCR，根据IEEE-738Std，最高允许温度为100℃。OTL的其余参数参见。混合储能系统参数如表1所示。

表1混合储能参数

为了比较和验证不同的效果，配置两种控制策略：

控制策略1：本发明提出的控制策略。

控制策略2：仅抑制风电波动，不弃风。不同控制策略的效果分析图如图5所示。

从图5可以看出，无论弃风与否，在储能的控制下，风电的波动性都得到了有效的缓解。凌晨3时至6时，并网电力超过输电容量限制。在这段时间内，是否考虑OTL的传输能力，风电最终并网功率会有较大的变化。在此期间，不同控制策略下的线路运行温度如图6所示。

从图6可以看出，如果不进行弃风，线路的运行温度将超过允许的最高温度，从而导致一系列安全稳定问题。采用本发明提出的控制策略，将使线路温度保持在允许的最高温度以下。

表2不同弃风方案导致的弃风量

同时，建立传统静态方法与本发明提出的弃风法进行对比分析。传统静态方法的保守气象参数值为：V

综合以上数据可知，静态方法的最大允许综合功率仅为108MW。不同弃风方案导致的弃风量见表2。

如表2所示，以传统方法计算结果作为弃风标准的弃风，将产生大量弃风，造成输电资源浪费。本文提出的方法可以显著减少弃风，充分利用输电资源。

采用本文提出的风储控制策略对上述风电场一个典型日的发电量进行控制。混合储能的功率指令如图7所示，SOC情况如图8所示。

由图7可以看出，电池承担了功率指令的低频部分，而超级电容器承担了功率指令的高频部分，充分发挥了不同类型储能的优势。从图8可以看出，超级电容器的荷电状态呈现出快速变化的特点，充分发挥了其快速充放电转换的作用，改善了电池的工作状态。此外，由于死区控制方法的存在，使得不同类型储能的荷电状态和充放电功率都维持在正常范围内，保证了混合储能的长期稳定运行。

实施例二

本实施例提供考虑架空线路电热耦合特性的风储控制系统，包括：

弃风模块，其用于在建立的风储集成模型的基础上，基于电热耦合理论，建立了满足架空输电线路传输能力约束的弃风策略，将实时环境参数引入分析，计算得到弃风标准，根据该弃风标准进行弃风；

风储控制模块，其用于以弃风后的输出功率为输入，建立混合储能的风储控制策略，通过该策略调整风电输出以满足风电并网波动的约束；其中，所述通过该策略调整风电输出以满足风电并网波动的约束，具体包括：

确定弃风后的原始风电是否符合并网标准，如果满足并网标准，则储能设备不运行，风电直接并网；如果不满足并网条件，采用离散小波变换对该段风电信号进行分解，将原始信号分解为低频分量和高频分量，对生成的低频分量和高频分量进行重构，将重构得到的符合风电并网标准的低频信号接入电网，每次分解产生的剩余高频信号由储能系统吸收。

实施例三

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如实施例一所述的考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法中的步骤。

实施例四

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如实施例一所述的考虑架空线路电热耦合特性的风储控制方法中的步骤。

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，本发明可采用硬件实施例、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和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。

这些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。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。