風(fēng)場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及控制綜述

任 惠，范雯惠，米增強(qiáng)

（華北電力大學(xué)，河北 保定 071003）

風(fēng)能是當(dāng)前世界上最具大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)潛力的可再生能源。大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)成為世界各國(guó)解決能源和環(huán)境問(wèn)題、改善能源結(jié)構(gòu)、保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效措施之一。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能潛力巨大，陸上加海上總的風(fēng)能開(kāi)發(fā)量有1000～1500 GW，風(fēng)電具有成為我國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中重要組成部分的潛力。然而風(fēng)電具有高隨機(jī)性的特點(diǎn)，大規(guī)模接入電力系統(tǒng)將會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行及規(guī)劃帶來(lái)問(wèn)題。即使風(fēng)場(chǎng)具有風(fēng)功率預(yù)測(cè)功能且風(fēng)功率預(yù)測(cè)性能也在不斷提高，但是仍然存在很大的不確定性。如12 h預(yù)測(cè)的歸一化NMAE（絕對(duì)差均值）仍有10%（平原）～22%（復(fù)雜地勢(shì)）的誤差[1]。從系統(tǒng)角度而言，尤其在大規(guī)模風(fēng)電入網(wǎng)情況下，必須提高系統(tǒng)調(diào)峰容量，以消納風(fēng)電的隨機(jī)波動(dòng)，從而保證運(yùn)行可靠性。從風(fēng)場(chǎng)主和投資者的角度而言，風(fēng)電的波動(dòng)性也是阻礙其參與日前及實(shí)時(shí)（小時(shí)）電力市場(chǎng)的主要因素。因?yàn)榕c計(jì)劃偏差超過(guò)一定程度的輸出風(fēng)功率將會(huì)受到懲罰，為風(fēng)場(chǎng)主帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在風(fēng)功率預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，配備專(zhuān)門(mén)的控制設(shè)備能夠?qū)︼L(fēng)場(chǎng)輸出的功率和電壓進(jìn)行控制，既是電網(wǎng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)提出的要求，也符合風(fēng)場(chǎng)主和投資者的需求。

采用儲(chǔ)能系統(tǒng)，在一定程度上控制風(fēng)場(chǎng)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率波動(dòng)平抑，改善低電壓穿越能力，甚至為系統(tǒng)提供輔助服務(wù)，是從風(fēng)場(chǎng)側(cè)提高系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電接納能力的可行解決方案之一。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員已就儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)場(chǎng)、微網(wǎng)等的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究及工程實(shí)踐嘗試。文獻(xiàn)[2-4]就儲(chǔ)能系統(tǒng)的特點(diǎn)及作用進(jìn)行了綜述。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了世界各地儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。

本文在前述研究基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)針對(duì)儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)內(nèi)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、容量?jī)?yōu)化及控制策略的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行綜述及探討。

1 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行面臨的主要問(wèn)題

由于受日照的影響，中國(guó)內(nèi)陸自然風(fēng)在30 m以上的高度，其日變化特性往往呈現(xiàn)出夜間風(fēng)大而白天風(fēng)小的特征，中午前后是自然風(fēng)的低谷階段，而夜間至凌晨是自然風(fēng)的高峰階段，因此，其日出力特性往往呈現(xiàn)出相應(yīng)的反調(diào)峰特性。且由于風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)仍然存在較大的誤差，因此，從系統(tǒng)的層面看，大容量風(fēng)場(chǎng)接入會(huì)給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)很多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面的問(wèn)題。技術(shù)層面主要是電壓和頻率波動(dòng)，而這一問(wèn)題反過(guò)來(lái)限制了風(fēng)電接入的容量；經(jīng)濟(jì)層面則可能由于風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差導(dǎo)致不能保證發(fā)電競(jìng)價(jià)而遭受系統(tǒng)的懲罰。風(fēng)場(chǎng)能夠在調(diào)度命令下進(jìn)行有功功率調(diào)整，為系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)備用，許多儲(chǔ)能系統(tǒng)具備此能力，其中技術(shù)層面的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾方面。

（1）隨著接入容量的增加，大容量風(fēng)場(chǎng)或風(fēng)電場(chǎng)群有功功率輸出隨風(fēng)速波動(dòng)所引起的調(diào)頻問(wèn)題將不容忽視。在極端情況下，風(fēng)電出力可能在 0～100%范圍內(nèi)變化。風(fēng)電出力有時(shí)與電網(wǎng)負(fù)荷呈現(xiàn)明顯的反調(diào)節(jié)特性，給調(diào)頻增加難度。

（2）由于風(fēng)電具有隨機(jī)性、間歇性、反調(diào)節(jié)性及波動(dòng)大的特點(diǎn)，所以對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰的影響主要表現(xiàn)在：①大規(guī)模風(fēng)電接入導(dǎo)致電網(wǎng)等效負(fù)荷峰谷差變大，客觀上需要增大調(diào)峰容量；②風(fēng)電的反調(diào)節(jié)特性進(jìn)一步加大了對(duì)系統(tǒng)調(diào)峰容量的需求。

（3）風(fēng)機(jī)及風(fēng)場(chǎng)輸出的快速波動(dòng)（分鐘級(jí)以下）會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)頻率及電壓擾動(dòng)，從而影響電能質(zhì)量。在外部電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，需要在風(fēng)場(chǎng)入網(wǎng)點(diǎn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)實(shí)施電壓控制，以防止由于風(fēng)場(chǎng)脫網(wǎng)而導(dǎo)致的電壓崩潰。因此，入網(wǎng)規(guī)定要求風(fēng)場(chǎng)具有低電壓穿越能力。

（4）大容量風(fēng)電接入后，導(dǎo)致系統(tǒng)在擾動(dòng)后維持穩(wěn)定的能力被削弱。未來(lái)風(fēng)場(chǎng)可能會(huì)要求通過(guò)控制，參與擾動(dòng)后系統(tǒng)同步的維持。因此，會(huì)要求風(fēng)場(chǎng)通過(guò)吸收或者額外注入有功功率，參與平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)。

2 大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)

電力系統(tǒng)應(yīng)用可以采用多種儲(chǔ)能技術(shù)。其適用性要根據(jù)投資、壽命、可靠性、容量、尺寸和環(huán)境影響等因素進(jìn)行綜合考慮。儲(chǔ)能技術(shù)大致可以分為：機(jī)械儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能，如圖1所示。

機(jī)械儲(chǔ)能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能；電化學(xué)儲(chǔ)能包括各種類(lèi)型的蓄電池和氫氣儲(chǔ)能；電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容器和超導(dǎo)儲(chǔ)能；另外還包括儲(chǔ)熱和深冷儲(chǔ)能。

圖1 儲(chǔ)能技術(shù)的分類(lèi)Fig.1 Classification of energy storage technologies

所有的儲(chǔ)能技術(shù)中，蓄電池具有易于安裝、不受安裝地點(diǎn)限制、能有效實(shí)現(xiàn)能量壓縮存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)[6]。

蓄電池作為目前最有投資/成本效益的儲(chǔ)能技術(shù)之一，具有模塊化、響應(yīng)快、商業(yè)化程度高的特點(diǎn)。隨著技術(shù)革新和新型電池研制成功，蓄電池的效率、功率、能量和循環(huán)壽命均得到了顯著提高。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝靈活，建設(shè)周期短，已在電力系統(tǒng)中有許多成功的應(yīng)用。如美國(guó)AESS公司安裝了12 MW的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于提供旋轉(zhuǎn)備用、調(diào)頻等輔助服務(wù)。中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司均建立了兆瓦級(jí)的鋰離子電池儲(chǔ)能電站，開(kāi)展相關(guān)示范研究[3]。鋰鐵電池的一個(gè)主要特點(diǎn)是其快速充放電能力。時(shí)間常數(shù)（即達(dá)到90%額定功率的時(shí)間）約為200 ms，3500次充放電循環(huán)內(nèi)，效率約為78%[7]。而且鋰鐵電池比較適用于短時(shí)的應(yīng)用，原因是其相對(duì)較高的自放電率（1%～5%）[7]。

由于鋰鐵電池的壽命與其放電深度有直接的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，鋰鐵蓄電池不適宜作為備用電池，因?yàn)樾枰褂脮r(shí)，可能已經(jīng)達(dá)到其放電極限。所以需要專(zhuān)門(mén)的保護(hù)電路對(duì)其運(yùn)行電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)控[7]。此外，初始投資高也是影響鋰離子電池在電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要因素之一。在充放電隨機(jī)性較大和充電頻繁的應(yīng)用場(chǎng)合，循環(huán)壽命仍然制約著鋰離子電池的應(yīng)用。鋰離子電池在過(guò)充、內(nèi)部短路等情況下會(huì)升溫，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

鈉硫電池儲(chǔ)能電站在全世界安裝數(shù)量已有 200多座。日本Futamata風(fēng)電場(chǎng)安裝了34 MW的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于平滑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)。鈉硫電池高溫運(yùn)行，需要進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制，電極活性物質(zhì)處于熔融狀態(tài)，電解質(zhì)制備及穩(wěn)定性要求苛刻，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)[3]。

全釩液流電池幾乎無(wú)自放電，循環(huán)壽命長(zhǎng)，功率和容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)，容量可擴(kuò)展性強(qiáng)，適用于大容量?jī)?chǔ)能應(yīng)用。全釩液流電池研究始于澳大利亞，加拿大、日本等在其商業(yè)化方面開(kāi)展了大量工作。日本 Hokkaido 30.6 MW 的風(fēng)電場(chǎng)安裝了 6 MW/6 MW·h的全釩液流電池系統(tǒng)。愛(ài)爾蘭SorneHill風(fēng)電場(chǎng)安裝了2 MW/2 MW·h的全釩液流電池系統(tǒng)，均用于平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)。中國(guó)河北省張北縣地區(qū)也安裝了兆瓦級(jí)的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于配合風(fēng)光并網(wǎng)發(fā)電[3]。

3 改善風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置及控制策略

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分鐘級(jí)的快速功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻率和電壓波動(dòng)，從而對(duì)電能質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響[8]。采用儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功率波動(dòng)平抑，要求儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速的爬坡率和較高的充放電循環(huán)能力，因此需要快速的功率調(diào)制和連續(xù)調(diào)控操作。電池（傳統(tǒng)鉛酸電池除外）、液流電池，特別是具有較短時(shí)間常數(shù)的儲(chǔ)能技術(shù)（如超導(dǎo)、飛輪和SMES）也可應(yīng)用于此。

雙饋風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)平抑的典型解決方案是在其背靠背逆變器的DC支路中增加ESS。儲(chǔ)能裝置配有控制器，能夠與風(fēng)機(jī)及其它控制器相交互，從而能夠優(yōu)化輸送到外部電網(wǎng)的功率。典型設(shè)計(jì)如圖 2所示[9]。

圖2 儲(chǔ)能型風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)示意圖Fig.2 Schematic of the wind farm-BESS power station interconnected to gird

文獻(xiàn)[10-13]應(yīng)用SMES實(shí)現(xiàn)波動(dòng)平抑，但儲(chǔ)能裝置安裝在風(fēng)場(chǎng)和電網(wǎng)的PCC連接處。采用這種結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量能達(dá)到幾個(gè)兆瓦。文獻(xiàn)[12]采用15 MW·h/60 s儲(chǔ)能以實(shí)現(xiàn)100 MW風(fēng)場(chǎng)的功率平抑。此例中，風(fēng)場(chǎng)通過(guò)一個(gè)背對(duì)背DC環(huán)與外部電網(wǎng)相連。此外，通過(guò)控制SMES的充電率和放電率，風(fēng)場(chǎng)的功率逆變器容量減小了60%。但是需要考慮SMES的投資和由于位置低溫運(yùn)行以及漏磁的功率損失。

文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了雙蓄電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)方案，采用兩組蓄電池，一組備用，由風(fēng)機(jī)向蓄電池充電；另外一組向電網(wǎng)放電，如圖3所示。

還可以綜合考慮不同儲(chǔ)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，例如采用蓄電池與其它快速響應(yīng)儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合[14]，利用不同儲(chǔ)能技術(shù)的響應(yīng)速率不同，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度的波動(dòng)信號(hào)的平抑，如圖4所示。

圖3 雙蓄電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)示意圖Fig.3 Schematic of the wind farm-double-BESS power station interconnected to gird

圖4 HESS平抑風(fēng)功率波動(dòng)過(guò)程Fig.4 Smoothing process of wind power fluctuations by HESS

文獻(xiàn)[15]比較了單電池儲(chǔ)能和電池儲(chǔ)能結(jié)合超導(dǎo)儲(chǔ)能的風(fēng)功率波動(dòng)平抑效果。

風(fēng)場(chǎng)與外部電網(wǎng)相連的PCC電壓控制是風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行控制的另外一個(gè)研究重點(diǎn)，用以防止外部電壓跌落時(shí)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的電壓崩潰。因此，風(fēng)電入網(wǎng)規(guī)定中要求風(fēng)場(chǎng)能夠承受額定電壓跌至0，且能夠在一定時(shí)間內(nèi)保持連網(wǎng)，這些規(guī)定稱(chēng)為低電壓穿越規(guī)定。由于許多風(fēng)力發(fā)電技術(shù)都需要使用功率逆變器，因此可以在這些情況下調(diào)整注入電網(wǎng)的無(wú)功功率[16-18]。在這些運(yùn)行情況下，并不一定需要安裝儲(chǔ)能裝置，但儲(chǔ)能裝置可以防止逆變器的直流環(huán)由于過(guò)電壓而被損害。

文獻(xiàn)[19]在雙饋風(fēng)機(jī)背對(duì)背逆變器的直流環(huán)上接入了超導(dǎo)。大量仿真結(jié)果表明配置儲(chǔ)能裝置后，提高了系統(tǒng)的低電壓穿越能力。建議采用模糊控制實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的C-PCS控制和風(fēng)機(jī)逆變器控制之間的交互，從而減小擾動(dòng)過(guò)程中DC環(huán)的電壓波動(dòng)。

文獻(xiàn)[20]將超導(dǎo)連接到分離發(fā)電機(jī)的直流環(huán)上，并設(shè)計(jì)了2級(jí)控制，高一級(jí)（即風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控器）用于設(shè)定各風(fēng)機(jī)的整定值，低一級(jí)采用向量控制器控制風(fēng)機(jī)的逆變器。每一臺(tái)儲(chǔ)能裝置的C-PCS控制器接受高級(jí)控制器所設(shè)定的整定值，同時(shí)通過(guò)計(jì)算風(fēng)機(jī)輸出有功和整定值之間的差值，控制儲(chǔ)能裝置釋放或儲(chǔ)能。更加詳細(xì)的比較見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。

3.2 蓄電池運(yùn)行約束

從蓄電池實(shí)時(shí)運(yùn)行控制角度而言，蓄電池系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)及約束包括荷電狀態(tài)、充放電功率約束等。

（1）荷電狀態(tài)[22]假設(shè)Cs為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量下限，Cs為儲(chǔ)能系統(tǒng)容量上限，SOC(th)為蓄電池在th時(shí)刻的荷電狀態(tài)，cη為充電效率，Δt為控制步長(zhǎng)，Pa(th)為th時(shí)刻需要蓄電池提供的功率，Pe(th)表示第th時(shí)刻蓄電池實(shí)際提供的功率，充電時(shí)，該功率為

其中，φ(th)代表將在th時(shí)刻蓄電池儲(chǔ)存電的能量，由式(2)

則（th+1）時(shí)刻的荷電狀態(tài)為

在放電時(shí)，Pe(th)為

其中，dη為放電效率，ψ(th)代表將在th時(shí)刻蓄電池釋放的能量，由式(5)

則（th+1）時(shí)刻的荷電狀態(tài)為

（2）充放電功率約束 文獻(xiàn)[23]提出一種概率方法，定義缺供電量的函數(shù)為

式中，Eu是ESS未能提供的供電量，kW·h；Et是該時(shí)段總的風(fēng)電，kW·h。該公式建立了缺供電量和蓄電池容量之間的關(guān)系。

在已知風(fēng)功率預(yù)測(cè)誤差分布的前提下[24]，缺供電功率eup可以直接從預(yù)測(cè)誤差的分布計(jì)算得到。

隨著蓄電池額定容量的下降，假設(shè)f()ε為預(yù)測(cè)誤差的概率分布，PESS為歸一化的ESS額定功率，則缺供電功率eup可以按式(8)計(jì)算

其中，ε是預(yù)測(cè)誤差。為了得到損失能量占全部發(fā)電量的百分比，式中除以了P是年平均功率，Pinst為風(fēng)場(chǎng)的裝機(jī)和容量。100%波動(dòng)平抑效果下蓄電池吞吐率為

蓄電池未補(bǔ)償容量為[22]

儲(chǔ)能性能指標(biāo)定義為[22]：計(jì)算每小時(shí)風(fēng)場(chǎng)向系統(tǒng)所提供的能量占計(jì)劃的比例

3.3 容量最優(yōu)配置

研究表明，如果需要風(fēng)場(chǎng)的有功功率輸出與24 h風(fēng)功率預(yù)測(cè)輸出達(dá)到零誤差，則1 MW風(fēng)機(jī)需要配備24 MW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)[23]。對(duì)于風(fēng)場(chǎng)主而言意味著巨大的投資，且不現(xiàn)實(shí)。但是，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)輸出與預(yù)測(cè)輸出之間允許存在一定的誤差時(shí)，所需ESS容量將顯著下降[23]。風(fēng)功率預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度不同，風(fēng)場(chǎng)所在位置的風(fēng)功率波動(dòng)情況不同，控制目標(biāo)不同，均會(huì)影響所需蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量。需要根據(jù)具體風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)功率波動(dòng)情況以及需要達(dá)到的控制目標(biāo)具體研究其最優(yōu)配置，而不是簡(jiǎn)單地按照風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)容量的某一個(gè)比例配置。在此方面已經(jīng)有一些研究。如文獻(xiàn)[25]考慮了9種可能的ESS容量，實(shí)際的ESS容量基于簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)和誤差確定。文獻(xiàn)[26]采用的是相似的方法。也有針對(duì)風(fēng)功率隨機(jī)特性的研究，采用概率方法確定ESS的最優(yōu)配置容量。文獻(xiàn)[23]通過(guò)概率方法，生成不同時(shí)間尺度的風(fēng)功率預(yù)測(cè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)，計(jì)算出不同預(yù)測(cè)精度下，每一步控制下蓄電池的荷電狀態(tài)SOC，從而得到歸一化蓄電池荷電狀態(tài)NSOC（荷電狀態(tài)與風(fēng)電裝機(jī)容量的比值）的累計(jì)概率分布。根據(jù)累計(jì)概率分布，可以得到小于等于給定荷電狀態(tài)出現(xiàn)的頻度，即小于等于該荷電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間的比例。通過(guò)對(duì)該累計(jì)概率分布進(jìn)行逆變化，可以由指定的頻度確定所需的最小蓄電池容量。

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)輸出功率的平抑效果不僅取決于風(fēng)功率波動(dòng)的最大范圍，還取決于風(fēng)功率輸出的波動(dòng)模式。文獻(xiàn)[27]針對(duì)可能的波動(dòng)模式，根據(jù)運(yùn)行能夠承受的風(fēng)險(xiǎn)，確定所需的最優(yōu)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。文獻(xiàn)[27]采用概率的方法，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到分辨率為分鐘的小時(shí)風(fēng)功率數(shù)據(jù)的均值及其波動(dòng)的上限和下限。通過(guò)概率方法，產(chǎn)生若干具有相同均值、相同波動(dòng)上限和下限，但具有不同趨勢(shì)的隨機(jī)時(shí)間序列。針對(duì)幾組隨機(jī)風(fēng)電輸出波動(dòng)序列，通過(guò)仿真，得到所需儲(chǔ)能容量的時(shí)間序列，作為樣本序列。針對(duì)該樣本序列的樣本分位點(diǎn)，選擇ESS的容量為該樣本序列的第pth樣本分位點(diǎn)。這一容量pth意味著，采用此容量的ESS不能平抑小時(shí)級(jí)風(fēng)電波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)是（1–p）%。通過(guò)此方法，在儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和不能平抑波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)之間建立了聯(lián)系。

初始投資高是影響鋰離子電池在電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要因素之一。在充放電隨機(jī)性較大和充電頻繁的應(yīng)用場(chǎng)合，循環(huán)壽命仍然制約著鋰離子電池的應(yīng)用。文獻(xiàn)[28]研究了如何根據(jù)蓄電池壽命及其投資之間的權(quán)衡確定蓄電池的容量，文獻(xiàn)[28]提出了一個(gè)指標(biāo) f，表征蓄電池投資與其性能之間的關(guān)系，即

其中，g(Er)代表蓄電池的壽命，文獻(xiàn)[28]將其表示為蓄電池容量的函數(shù)。式(12)中，蓄電池的投資表示為一次投資和與其容量成正比的分量之和，可通過(guò)選擇容量，使性能f最大化。

對(duì)于鋰電池，蓄電池的壽命可以等效為一定的完全充放電循環(huán)次數(shù)。然而，蓄電池容量、控制策略及所安裝位置的風(fēng)場(chǎng)輸出波動(dòng)情況均會(huì)影響蓄電池等效充放電循環(huán)的頻率。因此，很難得到 g(Er)的解析表達(dá)式。文獻(xiàn)[28]采用仿真的方法，針對(duì)具體的風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)控制蓄電池充放電功率，以蓄電池進(jìn)行完全充放電循環(huán)為目標(biāo)，研究了蓄電池容量與其壽命（可以等效為完全充放電次數(shù)）之間的近似關(guān)系，并進(jìn)行靈敏度分析，以確定最經(jīng)濟(jì)的蓄電池容量。蓄電池受控充放電的行為如圖5所示。

圖5 蓄電池受控充放電行為Fig.5 The behavior of charging/discharging of BESS

圖5中，黑色實(shí)線(xiàn)是輸出Pd，曲線(xiàn)是風(fēng)機(jī)有功輸出曲線(xiàn)Pw，淺灰色陰影部分為蓄電池所充電能（在這一時(shí)段，Pw輸出大于Pd），黑色陰影部分為蓄電池放電電能，放電電能和風(fēng)機(jī)輸出功率Pw疊加在一起得到Pd，即儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)輸出的功率。

蓄電池在此種控制策略下的荷電狀態(tài)曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 蓄電池荷電狀態(tài)Fig.6 The SOC of battery

蓄電池容量還受其它因素影響。文獻(xiàn)[29]研究了一階低通濾波器（first-order low-pass filter，F(xiàn)LF）時(shí)間常數(shù)對(duì)蓄電池容量的影響。

3.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略

如圖7所示，計(jì)算所需蓄電池充放電的功率PB時(shí)，通常首先采用一階低通濾波，濾除風(fēng)電功率Pw中的高頻波動(dòng)信號(hào)，然后結(jié)合風(fēng)功率預(yù)測(cè)信號(hào)Py根據(jù)濾波之后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算。蓄電池充放電功率PB和Pw相疊加，得到風(fēng)場(chǎng)輸出功率Pd。

圖7 基于一階濾波的BESS的優(yōu)化控制示意圖Fig.7 BESS control diagram based on first order low-pass filter

一階低通濾波方法計(jì)算速度快，適用于實(shí)時(shí)控制，典型的一階低通濾波可以表示為[14]

根據(jù)風(fēng)功率輸出的波動(dòng)特性，如果想要實(shí)現(xiàn)很好的平抑效果，需要FLF控制器具有很大的時(shí)間常數(shù)（即波動(dòng)比較快，只有時(shí)間常數(shù)大，才能保持輸出恒定）。然而，當(dāng)波動(dòng)很小時(shí)，這一很大的時(shí)間常數(shù)所導(dǎo)致的過(guò)補(bǔ)償使得BESS的容量需要配置得很高[14]。文獻(xiàn)[30-31]提出利用兩級(jí)電容和redox液流電池組成的混雜ESS系統(tǒng)，并采用具有不同時(shí)間常數(shù)的兩級(jí)低通濾波控制，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度下風(fēng)功率平滑控制。文獻(xiàn)[32-33]在一階低通濾波的基礎(chǔ)上，利用蓄電池的荷電狀態(tài)構(gòu)成負(fù)反饋，控制蓄電池的荷電狀態(tài)保持在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。文獻(xiàn)[34]在 FLF上增加了一個(gè)速率限制，使得任意20 min內(nèi)的最大風(fēng)電波動(dòng)不超過(guò)風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)容量的10%。

蓄電池控制應(yīng)該考慮如何防止風(fēng)功率波動(dòng)中的高頻分量導(dǎo)致的蓄電池頻繁充放電。文獻(xiàn)[14]采用滯環(huán)控制，當(dāng)風(fēng)電功率波動(dòng)量 ΔPwind小于給定的滯環(huán)帶寬ΔPε時(shí)，令蓄電池的輸出功率為0，反之，控制蓄電池使 Δ Pwind小于給定的ΔPε。其中，ΔPε按式(14)選擇

式中，0 ≤ t'≤ t -Δt ； ΔPw′ind(t')為平抑后的風(fēng)電功率波動(dòng)量，按式(15)計(jì)算

式中，ΔPε為可設(shè)定的風(fēng)場(chǎng)輸出波動(dòng)的最大允許值，由此將風(fēng)電功率波動(dòng)限制在ΔPε內(nèi)，避免蓄電池頻繁充放電。

不同時(shí)間尺度下風(fēng)功率波動(dòng)不同，滿(mǎn)足一定波動(dòng)限制所需的蓄電池容量也不同。可以結(jié)合不同時(shí)間尺度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性及儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行特性最優(yōu)，而如何實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間尺度之間的反饋及協(xié)調(diào)是控制的關(guān)鍵。

文獻(xiàn)[29]中實(shí)現(xiàn)了兩種不同時(shí)間尺度下的蓄電池協(xié)調(diào)控制。文獻(xiàn)在1 min和30 min兩個(gè)不同的時(shí)間尺度下，控制風(fēng)場(chǎng)輸出的波動(dòng)滿(mǎn)足不同的指標(biāo)，例如針對(duì)任意1 min時(shí)間窗，最大風(fēng)電波動(dòng)必須保持小于1min；任意30 min的時(shí)間窗內(nèi)，風(fēng)功率波動(dòng)必須小于。γ30min。1 min時(shí)間尺度下的優(yōu)化控制目標(biāo)為多目標(biāo)優(yōu)化，即實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)目標(biāo)之間的組合優(yōu)化：① 平抑波動(dòng)所需蓄電池容量最小；② 1 min內(nèi)輸出風(fēng)電的波動(dòng)不越限；③ BESS的充放電功率不越限。通過(guò)1 min優(yōu)化，一階濾波時(shí)間參數(shù)，必要的時(shí)候會(huì)放寬1 min內(nèi)輸出風(fēng)電的波動(dòng)量閾值。30 min時(shí)間尺度信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)反饋控制。根據(jù)前30 min波動(dòng)情況，控制1 min波動(dòng)限值的設(shè)定。當(dāng)前30 min波動(dòng)量超過(guò)30 min波動(dòng)限值時(shí)，則減小1 min波動(dòng)允許值。

4 結(jié) 語(yǔ)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用在探索解決大規(guī)模間歇性能源入網(wǎng)后提高電能的可靠性、穩(wěn)定性及質(zhì)量問(wèn)題的道路上邁出了重要的一步。儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)可以采用多種儲(chǔ)能技術(shù)。其適用性要根據(jù)投資、壽命、可靠性、容量、尺寸和環(huán)境影響等因素進(jìn)行綜合考慮。儲(chǔ)能型風(fēng)場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、容量配置及運(yùn)行控制技術(shù)等方面的研究，對(duì)合理規(guī)劃儲(chǔ)能投資、平抑風(fēng)場(chǎng)輸出功率波動(dòng)、減小風(fēng)力發(fā)電的不確定性、提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的接納能力的基礎(chǔ)做出了貢獻(xiàn)。本文針對(duì)風(fēng)場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、容量配置及運(yùn)行控制技術(shù)等的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，為進(jìn)一步的研究提供了有益的參考。

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