基于功率分解的風電混合儲能容量配置研究

摘 要：隨著風力發電在電網中滲透率不斷增加，大規模風電場并網點配置儲能裝置可以有效緩解風電功率波動對電網的沖擊影響。文章主要針對雙饋式風電場實際功率輸出波動狀況，應用巴特沃斯型濾波器對其波動功率進行分解，將波動功率分成低頻和高頻兩部分。根據蓄電池和超級電容器的儲能裝置的運行互補特性，使用蓄電池儲能平抑風電功率波動低頻分量，超級電容器儲能平抑風電功率波動高頻分量。根據平抑準則，求解其各自概率密度函數曲線，采用高斯正態分布法對儲能容量進行擬合計算，使混合儲能容量配置合理。

關鍵詞：功率分解；混合儲能；高斯擬合；容量配置

引言

隨著清潔能源的大力發展，風電機組并網規模不斷擴大。但風能具有擾動性、間隔性、難以預測性，使得風電并網會對電網穩定產生嚴重影響[1-2]。風電場采用儲能裝置平抑功率波動，提高并網質量已經一項有效的技術措施[3]。文獻[4]基于超級電容器和蓄電池儲能單元的互補優勢，對風電功率波動進行平滑輸出，避免了單一儲能裝置平抑效果不佳的缺點。在此基礎上，考慮電網負荷需求及對儲能裝置經濟成本的量化分析，結合儲能裝置運行特性對混合儲能容量進行配置。文獻[5]通過計算蓄電池儲能裝置的放電次數和放電深度，將其轉化為儲能裝置循環壽命的折損，以平滑輸出功率為標準，進行儲能容量配置的研究。儲能系統容量的合理配置，直接影響到儲能系統的經濟性。文章主要通過對實際風電波動功率進行分解，通過高斯分布法對功率曲線進行擬合，計算出儲能容量功率輸出期望值，進而對儲能系統的容量配置合理。

1 雙饋型風電場輸出功率分析

目前大型風電場主要以集群和分布方式并入電力系統網絡。風電機組選用雙饋型風力發電機。通過實際風速變化，繪制出風電場輸出功率特性曲線。圖1為總裝機容量為30MW的雙饋型風電場輸出功率特性曲線。

2 風電波動功率分解

風電輸出的波動功率需要儲能裝置進行平抑。風電加入儲能裝置之后并網的功率為：

P0=PDFIG+Pb+Psc （2.1）

其中，P0為風電經過儲能裝置平抑后注入電網的功率值；PDFIG為風電原始功率值；Pb為蓄電池儲能輸出功率值；Psc為超級電容器儲能輸出功率值。將濾波器應用于風電波動功率提取上，即：P■■=■P■■、P■■=■P■■其中，P■■、P■■分別為超級電容器和蓄電池儲能裝置平抑的目標功率值。

3 儲能裝置目標功率幅值均值擬合計算

3.1 蓄電池儲能目標功率均值的擬合計算

根據儲能裝置目標功率輸出與時間的關系可以視為離散數據的隨機穩態過程，滿足高斯正態分布。對離散數據采用4階高斯函數擬合方法對其功率幅值進行擬合其公式（3-1）：

（3-1）

通過公式（3-1）將蓄電池離散目標輸出功率轉化幅值的平均值，并用擬合函數求其密度分布的數學表達式。蓄電池|P■■|功率概率密度高斯擬合系數：k=1階，ak=-27.82、bk=-0.8455、ck=1.051；k=2階，ak=0.2323、bk=0.3833、ck=0.5654；k=3階，ak=26.68、bk=-0.8362、ck=1.033；k=4階，ak=2.834、bk=-5.171、ck=4.54；由參數可得出Pb儲能系統的概率密度函數及擬合曲線。根據目標輸出功率幅值計算Pb輸出功率數學期望值為Pav-b=1.52MW；其容為12.67MWh。

3.2 超級電容器儲能目標功率均值的擬合計算

超級電容器儲能主要平抑短時中頻（0.05-1Hz）之間的功率波動。由公式（3-1）可求出其功率幅值函數表達式。超級電容器功率密度|P■■|高斯正態分布擬合系數：k=1階，ak=0.2936、bk=0.7156、ck=0.4011；k=2階，ak=0.4972、bk=0.2023、ck=0.3838；k=3階，ak=-0.1912、bk=0.03734、ck=0.5025；k=4階，ak=0.309、bk=1.088、ck=1.154；由參數可求出Psc儲能系統的概率密度函數及擬合曲線。同理Psc輸出功率數學期望值為Pav-sc=0.895MW；其容量為7.45MWh。

4 結束語

根據風場輸出功率的波動特性分析，將波動功率進行細化分解，結合蓄電池和超級電容儲能裝置各自的充放特性，波動功率中低頻部分由蓄電池平抑；高頻部分由超級電容器進行平抑。采用高斯函數法對各自平抑功率量進行概率密度擬合計算，求出其各自的儲能裝置輸出功率數學期望值。通過容量計算公式，使各自的儲能的容量得到有效的配置，即提高了儲能裝置的利用率，又節約了投資成本。

參考文獻

[1]薛禹勝，雷興，薛峰，等.關于風電不確定性對電力系統影響的評述[J].中國電機工程學報，2014，34（29）：5029-5040.

[2]張鋒，李明霞，樊國偉，等.風電接入對地區電網暫態電壓穩定性的影響[J].中國電力，2011，44（9）：17-21.

[3]Abbey C，Joos G.Super capacitor energy storage for wind energy application[J].IEEE Trans. on Industry Applications，2007，43（3）：769-775.

[4]李成，楊秀，張美霞，等.基于成本分析的超級電容器和蓄電池混合儲能優化配置方案[J].電力系統自動化，2013，37（18）：20-24.

[5]韓曉娟，程成，籍天明，等.計及電池使用壽命的混合儲能系統容量優化模型[J].中國電機工程學報，2013，33（34）：91-97.

作者簡介：盧蕓（1963-），女，沈陽工業大學，博士，副教授，研究方向為電力系統運行、優化與控制。

黃山（1987-），男，沈陽工業大學，碩士，研究方向為電力系統運行、優化與控制。