平抑風(fēng)電波動的混合儲能容量配置策略

何新宇,黨照群,楊斯涵,吳 帥

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

作為應(yīng)對能源短缺及推動可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵途徑,風(fēng)力發(fā)電已成為增長最迅速的可再生能源發(fā)電形式之一。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國(除港澳臺地區(qū)外)新增風(fēng)電裝機容量為4983萬kW[1-6]。然而,風(fēng)力發(fā)電具有顯著的功率波動性和隨機性,導(dǎo)致其大量接入電網(wǎng)后出現(xiàn)功率不均衡與電壓不穩(wěn)定等問題,對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[7]。為解決這些問題,引入儲能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)風(fēng)電的波動性,使其能夠平穩(wěn)輸送能量,同時確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。儲能能夠迅速實現(xiàn)兩向流動,保持穩(wěn)定輸出,并突破傳統(tǒng)“生產(chǎn)-消費”模式,實現(xiàn)時間與空間的能源轉(zhuǎn)換。根據(jù)儲存形式不同,目前研究將其劃分為2種:一種是基于蓄電池的能量型儲存;另一種是基于超級電容器的功率型儲存。這2種儲存設(shè)備各有特點,充/放電功率、反應(yīng)速度和價格等方面都有所差異。結(jié)合這些優(yōu)勢,本文構(gòu)建了一個多元化儲能聯(lián)合運行的混合儲能系統(tǒng)(HESS),可在時間和空間上分離發(fā)電和用電過程,使電力系統(tǒng)的硬鏈接變得更加柔韌。作為一種類似于多個時間維度的彈性電源,HESS可以有效平衡供需關(guān)系,確保系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟效益。因此需要深入探討關(guān)于儲能設(shè)備的配置方案和管理策略。

目前主要調(diào)控方式是基于參數(shù)的改良與調(diào)試,其方案相對有限,盡管在某種程度上可增加風(fēng)電的穩(wěn)定性,卻未能充分考慮不同時間段的風(fēng)電波動特性,且無法保證風(fēng)電平穩(wěn)性,也不符合風(fēng)電波動的要求,更沒有構(gòu)建相應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)來評價風(fēng)電抑制策略,因此引入過濾器和平穩(wěn)化技術(shù),提出可同時考慮風(fēng)電的平穩(wěn)性和適應(yīng)多種時間尺度的短期風(fēng)電波動性的調(diào)節(jié)方法,確保儲能的最優(yōu)輸出能力,根據(jù)風(fēng)電的多時段超標(biāo)頻率和儲能的需求數(shù)量來評估風(fēng)電抑制策略。

1 小波去噪-MPC聯(lián)合優(yōu)化平抑策略

首先對初始階段的小波去噪技術(shù)與MPC協(xié)同優(yōu)化來實現(xiàn)平穩(wěn)化處理,其流程是利用小波過濾方法得到需要的關(guān)鍵信息,即來自功率波動較低頻率的信息;然后將其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入MPC系統(tǒng)中,且系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù)是以 “需要的存儲能力” 達到最低水平為限,同時考慮限制因子,如必須滿足1 min內(nèi)或30 min內(nèi)最大振幅等一系列相關(guān)要求;最后用1 min的數(shù)據(jù)樣本作為基礎(chǔ)點開始實施連續(xù)性的運算工作。

1.1 基本流程

基于小波去噪技術(shù)與MPC協(xié)同優(yōu)化平穩(wěn)化處理流程如圖1所示。首先利用小波去噪技術(shù)來捕捉并提煉初始風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)特性。由于存儲裝置會吸收部分中高功率波動頻率信息,僅保留低功率波動頻率信息,因此利用MPC對需要儲存能量的需求作出評估,目的是使需求量的誤差達到最低,同時滿足大于1 min且小于30 min的振幅限制條件。且設(shè)定1 s作為預(yù)估時間段,以使用小波變換后得來的結(jié)果作為循環(huán)運算依據(jù),并對未來每秒內(nèi)可能需要的能量供應(yīng)作出最佳響應(yīng)方案,減小不可控因素帶來的影響。在每1 h內(nèi)或每30 min內(nèi)超過規(guī)定范圍的變化量或其對應(yīng)到必須提供儲能的容量大小等情況時,需不斷更新調(diào)控參數(shù),最終獲得理想化分解層數(shù)的優(yōu)化方法。

圖1 小波去噪-MPC協(xié)同優(yōu)化平穩(wěn)化處理流程

1.2 基于小波去噪特征提取

一階濾波、卡爾曼濾波和小波變換等過濾頻率的方法易于執(zhí)行,但未必能保持風(fēng)力發(fā)電信號的特性及光滑程度。使用小波去噪技術(shù),可同時捕捉風(fēng)力發(fā)電信號特點并完成過濾過程,理論上使去除噪聲后風(fēng)力發(fā)電信號的趨勢與其原始狀態(tài)保持一致,并使方差值達到最低水平[8]。

與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)分析方法相比,基于小波變換(wavelet decomposition,WD)的方法有效去除對復(fù)雜且包含大量干擾因素信息源的雜質(zhì) ,并保證其完整性和準(zhǔn)確性。在一定程度上避免因過多背景或其他無關(guān)信息的混入而導(dǎo)致結(jié)果失真。該技術(shù)還可根據(jù)需要靈活調(diào)整參數(shù)設(shè)置,如選擇合適的窗函數(shù)長度、基底寬度的設(shè)定等關(guān)鍵指標(biāo)以獲得最優(yōu)解,從而達到最佳效果。

(1)

式中:δ為選取的一個合適閾值,與分解得到的小波系數(shù)Cj,k相比,設(shè)大于等于閾值的小波系數(shù)保持不變,其他設(shè)為零,以實現(xiàn)風(fēng)電輸出信號降噪。

經(jīng)過分解閾值和信息重構(gòu),小波去噪可完成風(fēng)電信號的劃分、去噪及修復(fù)。分解過程選擇db8作為小波基進行轉(zhuǎn)換,通過觀察風(fēng)電產(chǎn)生信號的微小變化,獲取小波基波變換系數(shù)。

將風(fēng)力發(fā)電的輸出信號分解后獲得的各頻段小波系數(shù)與閾值進行對比。在重構(gòu)過程中,對經(jīng)過調(diào)整的小波系數(shù)再次建模,得到去噪后的風(fēng)電輸出信號。

(2)

(3)

用無偏風(fēng)險評估準(zhǔn)則作為閾值的基礎(chǔ),并以每層閾值的風(fēng)險評估值來構(gòu)建風(fēng)險向量Risk(k)。

(4)

式中:NV為待估計向量;k為待估計向量每個元素的下標(biāo)。找出風(fēng)險向量Risk極小值所相應(yīng)的位置,確定閾值thrrigrsure,即:

(5)

(6)

1.3 基于MPC優(yōu)化輸出

(7)

為達到儲存能量在一個預(yù)估時間段內(nèi)輸出最低目標(biāo),同時保證其輸出的穩(wěn)定性和可接受的波動率,需設(shè)定γ1 min和γ30 min作為限制條件,并使用二次規(guī)劃來尋找最佳解決方案。可以得到未來每個時間點的調(diào)控存儲能源輸出命令Px(k)。目標(biāo)函數(shù)為

(8)

風(fēng)電波動約束條件為

(9)

(10)

(11)

(12)

-Px≤Px(k+j)≤Px

(13)

取控制儲能出力指令序列中第1個儲能出力作用于MPC優(yōu)化系統(tǒng),得出k時刻的風(fēng)電輸出功率。重新計算k時刻的風(fēng)電出口能量,并按照流程進行操作,獲得k+1時刻儲能和風(fēng)電的輸出能量,進行滾動優(yōu)化。

2 混合儲能系統(tǒng)的容量配置原理

構(gòu)建包含超級電容與鉛酸蓄電池的雙型儲存設(shè)備系統(tǒng),并采用短期的風(fēng)電抑制策略,即小波去噪聯(lián)用模式來調(diào)整其輸出能量,以此達到平穩(wěn)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機組的目的。同時引入復(fù)合存儲量的分配標(biāo)準(zhǔn)—綜合成本,以便有效實施該組合方式,從而提高其使用壽命。

2.1 混合儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為風(fēng)電場混合儲能組合運行系統(tǒng)。在多個風(fēng)力發(fā)電機和所在的風(fēng)電廠共同組成的混合儲能系統(tǒng)管理下,可實現(xiàn)對電力輸出的有效調(diào)控,以達到符合電網(wǎng)接入需求的目標(biāo)。系統(tǒng)的功率模型為

圖2 風(fēng)電場混合儲能組合運行系統(tǒng)

Pwind(t)=Pw(t)+Pc(t)+Pb(t)

(14)

式中:Pw(t)為初始風(fēng)電的功率;Pb(t)為鉛酸蓄電池充放功率參考值;Pc(t)為超級電容器充放功率參考值;Pwind(t)為風(fēng)能并網(wǎng)所需的功率,即出力總和。

2.2 混合儲能容量配置

基于成本效益將混合儲能系統(tǒng)的電力進行一次性分配。在融合了小波去噪聯(lián)合模式的預(yù)測控制優(yōu)化風(fēng)儲協(xié)作方法中,本文采用包括波動超標(biāo)處罰及混合儲能初期投入費用總額的綜合價位來確定混合儲能的大小,同時根據(jù)其特質(zhì)來調(diào)整混合儲能的分配。小波去噪可從風(fēng)電功率波動的高頻率、低振幅中部分去除干擾因素;而鉛酸蓄電池則負(fù)責(zé)吸收經(jīng)過模型預(yù)測控制算法修改過的風(fēng)電輸出變化的低頻率部分。

s2=Nunlimited1,resCun1+Nunlimited30,resCun30+Pc,nCc,p+

Ec,nCc,e+Pb,nCb,p+Eb,nCb,e

(15)

式中:Cun1、Cun30分別為1 min及30 min內(nèi)因風(fēng)電超出限制而產(chǎn)生的處罰費用;Cc,p、Cc,e分別為超級電容器的功率價格和儲存量價格;Cb,p、Cb,e分別為鉛酸蓄電池的功率價格和儲存量價格。混合儲能具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 混合儲能相關(guān)參數(shù)

3 儲能設(shè)備運行狀態(tài)及評價指標(biāo)

混合儲能系統(tǒng)可根據(jù)不同類型的儲存設(shè)備來實現(xiàn)相互補充和調(diào)整,從而提高輸出能力、釋放能量的能力、使用年限及經(jīng)濟效益等[12-13]。本文選擇電池充電狀態(tài)作為衡量儲能系統(tǒng)運行情況的標(biāo)準(zhǔn),并通過計算儲能設(shè)備進入“死亡區(qū)域”的時間和預(yù)估其工作壽命來評估設(shè)備。

3.1 荷電狀態(tài)

荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)可以反映出儲存器件在消耗后剩余的電量。如果SOC數(shù)值超過其最大容量或低于最小容量,都可能對儲存器的生命周期產(chǎn)生負(fù)面影響。SOC是剩余電量和總?cè)萘恐?具體公式為

(16)

0≤ωx,c+ωx,d≤1

(17)

ωx,c,ωx,d∈{0,1}

(18)

SOCx,min≤SOCx(t)≤SOCx,max

(19)

式中:Px(t)為t時刻儲能設(shè)備x的輸出功率,用符號“+”或“-”來標(biāo)記放電與充電狀態(tài);x=b為鉛酸蓄電池;x=c為超級電容器;SOCx(t)、SOCx(t-1)分別為t時刻和t-1時刻內(nèi)儲能設(shè)備x的剩余能量水平;ωx,c和ωx,d分別為儲能設(shè)備x在t時刻的輸入/輸出狀況,為充電和放電比例。

3.2 儲能死區(qū)時間

儲能死區(qū)時間Td是指當(dāng)儲能運行處于SOC上下限的時間。若該時段過長,可能會影響到儲能設(shè)備的使用年限,需要對此階段的數(shù)據(jù)進行詳細(xì)研究與評估。具體公式為

(20)

(21)

存儲管理系統(tǒng)每次充滿和釋放都是一次循環(huán),隨著輸出命令的持續(xù)發(fā)布,儲能設(shè)備的周期性循環(huán)頻率會逐漸增加,但其容量不斷下降。儲能裝置的容量和釋放頻率Nloop可表示為

(22)

(23)

3.3 儲能運行壽命預(yù)算

可通過延長儲能設(shè)備的使用年限,也就是降低設(shè)備壽命的損耗來提高效益。儲能設(shè)備健康狀況受到多種因素的影響,如充、放電深度、容量輸出能力、存儲環(huán)境溫度、使用頻次及電池余量等。這些因素會逐漸減少儲能設(shè)備的使用年限。根據(jù)相關(guān)研究[14],儲能設(shè)備的有效期限僅可儲存出廠標(biāo)稱容量80%。引入循環(huán)壽命這一概念,即指儲能設(shè)備在退役前可完成的充放電周期數(shù)目。然而,并非每次充放過程都完全飽和,僅通過累計充放次數(shù)評估當(dāng)前儲能設(shè)備的生命期并不完全準(zhǔn)確。

因此,在實際評價中,運用工程材料疲勞解析法來計算存儲裝置的真實充、放電情況,使用“塔頂法”記錄儲存器件循環(huán)周期的放電程度[15-16],通過比較數(shù)據(jù)與儲存器循環(huán)生命周期的關(guān)聯(lián)進行換算,得出真實的循環(huán)頻率。

4 算例分析

電價是混合儲存容量分配的標(biāo)準(zhǔn),計算時使用小波去噪-MPC聯(lián)合優(yōu)化法,目的是通過設(shè)定風(fēng)電穩(wěn)定的最低值來達到最小存儲輸出,同時保證能夠滿足風(fēng)電波動的要求(忽略存儲輸出的限制)來獲得每個分裂層次的小波去噪-MPC聯(lián)合優(yōu)化下的風(fēng)電穩(wěn)定度數(shù)和混合儲存的需求度數(shù)。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 綜合成本分配下各劃分層次指標(biāo)

由表2分析,若分級數(shù)量達到5級,則整體花費最少,而1 min及30 min內(nèi)超過限制的次數(shù)分別只有0次和170次,所需動力儲存設(shè)備(超大電容器)的最大量輸出應(yīng)為2.4099 MW,同時存儲量也需設(shè)置為0.9608 MWh。儲能設(shè)備(鉛酸電池)的最高存儲能力應(yīng)該設(shè)定為6.1680 MW,并且最小的存儲量也需要調(diào)整到12.0571 MWh,具體表現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 綜合成本平抑前后風(fēng)電波動率的變化情況

儲能的實時分配受最大功率和容量的限制,同時儲能過度充電或放電對荷電狀態(tài)也會產(chǎn)生一定影響。本文采用小波去噪與MPC協(xié)同優(yōu)化策略來降低儲存設(shè)備的工作輸出功率,并兼顧發(fā)電量的不穩(wěn)定性和存儲容量的影響等制約關(guān)系。通過式(8)、式(11)、式(14)和式(20)設(shè)定指標(biāo)值及其相應(yīng)的邊界限定項,得到圖4。

圖4 在儲能約束下風(fēng)電、儲能出力情況及在平抑前后的波動情況

在存儲限制環(huán)境中,風(fēng)電輸出l min與30 min波動的超標(biāo)次數(shù)分別是15次和782次。為滿足需求,當(dāng)所需的最大量儲能設(shè)備是功率型的超級電容器時,其最高負(fù)載能力達到2.4099 MW,最低儲存量則需達0.9608 MWh;當(dāng)儲能設(shè)備為能量型的鉛酸蓄電池時,其最大儲存能力為5.6747 MWh,最小儲存量為5.8714 MWh。與沒有存儲限制相比,鉛酸蓄電池的使用容量有所減少。由圖4、圖5可知,在存儲限制的抑制方式下,在50 000～60 000 s內(nèi)出現(xiàn)一次上升趨勢,這是受存儲量的限制,無法充分吸收超過標(biāo)準(zhǔn)的能源,所以1 min內(nèi)風(fēng)電波動曲線的頂點出現(xiàn)在56 110 s。盡管降低了風(fēng)電的穩(wěn)定性,但也確保了鉛酸蓄電池能夠維持在適宜的工作狀態(tài)內(nèi)。

5 結(jié)語

為解決當(dāng)前風(fēng)電穩(wěn)定的策略無法精確平衡風(fēng)電平穩(wěn)度和平滑性的需求,并兼顧風(fēng)電功率波動性和最佳儲蓄能力,本文提出了結(jié)合小波去噪和MPC的新風(fēng)電穩(wěn)定操作方式來提升儲能的使用效率。通過模擬驗證了小波去噪技術(shù)可捕捉到風(fēng)電產(chǎn)量的特征,但不符合30 min波動平滑的標(biāo)準(zhǔn),所以其平滑效果有限。在此基礎(chǔ)上,使用MPC對風(fēng)電產(chǎn)量進行修正試驗,結(jié)果顯示,該方法有助于減少1 min及30 min內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)量的波動。根據(jù)風(fēng)電生產(chǎn)量超過限制值的頻率及儲能的規(guī)模和分配情況作為主要評價標(biāo)準(zhǔn)。