不同時間尺度風儲耦合特性研究

劉春燕，晁 勤，魏麗麗

（1.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊，830047；2.國網新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

風力發電系統中，由風速變化引起的風電功率波動對電力系統安全性和穩定性影響越來越受到關注。文獻[1]分析了不同時間尺度下風電功率波動對電網的影響；文獻[2]基于某風電場實際數據分析風電不同時間間隔的功率變化率，負荷率，地區相關性指標，提出建立有效的風電功率預測系統，安排足夠的火電備用容量來解決風電波動；文獻[3]基于東北風電場實時數據，定量分析了風電功率波動在不同時間、空間尺度上的分布特性。

隨著儲能技術水平不斷提高，經濟成本降低，在風電場出口側安裝儲能裝置平抑其輸出功率波動，一方面使風力發電可控可調度，減小風力發電對電網的影響，另一方面可充分發揮風電潔凈能源作用。目前儲能平抑風電功率波動方面的研究主要有以下2個方面:①研究單一儲能或混合儲能平抑風電功率波動的有效性與可行性，文獻[4]利用超級電容器組作為儲能元件，進行了風電場短時功率波動調節的仿真研究，有效地平滑了輸入電網的有功功率波動，文獻[5]針對不同風速的波動，基于VRB儲能裝置仿真分析表明液流電池可較好的平滑風電出力波動性，改善電壓穩定性，文獻[6]采用蓄電池組和超級電容器的混合儲能系統，提出了利用其平抑風力發電輸出功率的控制方法，驗證該方法能夠有效控制風電出力波動。②制定儲能裝置平抑目標及確定儲能容量，文獻 [7-8]提出采用低通濾波器的方法確定平抑目標，采用正態分布的方法選取儲能容量，文獻[9]提出基于風電功率預測和儲能配合的風電場平抑方法，根據風電出力日曲線確定儲能容量。

以上文獻均基于風電出力在不同時間尺度的波動規律制定平抑目標，合理經濟配套儲能裝置，但實現風儲系統長時間穩定、經濟運行研究內容較少。本文基于新疆某風電場實際數據，根據風電出力波動特性分析指標，研究在不同時間尺度上風電出力波動的規律，制定儲能裝置平抑目標及控制策略，以期合理經濟配置儲能裝置。

1 風電出力特性及風電波動規律研究

1.1 風電出力間歇性

根據新疆某風電場2010年12月1日～2011年1月1日實際出力，共3015個采樣點，有171次風電出力為0；最大連續風電出力為0有55次，持續時間9 h 10 min。圖1為該風電場實際相對出力曲線。

圖1 風電場相對出力

1.2 風電出力隨機性

由1.5 MW單臺風機連續三天風電出力 （見圖2）可以看出，風電的出力是隨機的。其中在55個采樣點可以明顯的看到，第一天的風電出力為0（標幺值）,第二天為0.56，第三天為0.8。由此可以看到風電出力具有隨機性。在同一天的風電出力0～1之間浮動，不能確切的知道下一時刻風電出力。

1.3 風電出力的波動性

通過實際數據的分析，由于風電出力的間歇性，隨機性導致風電出力的波動性，進而對電網安全穩定和電能質量產生影響，是風力發電不能大規模發揮其潔凈能源作用的致命原因。

圖2 單臺風機相鄰三天的風電出力

1.4 不同時間尺度風電出力波動特性分析指標

不同時間尺度風電出力特性指風電出力在不同時間尺度下的變化速率及幅度。風電功率變化率用ΔPb來描述，即

式中，P(t+1)為當前時刻風電出力；P(t)為前一時刻的風電出力；PN是總裝機容量。

變化幅度用平均值和標準差來描述。設風電場某時刻風電功率為P，n為風電場機組臺數，則風電功率波動幅度的平均值Pavr為

定義風電功率變化量標準差D刻畫風電功率波動幅值變化的特征，即

定義風電功率波動變化率分布概率刻畫風電功率波動變化的劇烈程度。

式中，NΔpb為風電功率變化率某數值出現的次數；Ntotal為風電功率變化率出現的總次數。

1.5 不同時間尺度風電出力波動特性分析

本文對算例系統中某單臺風電機組 （裝機容量為1.5 MW），該機組所屬風電場 （裝機容量為259.5 MW）在相同時間段內實測輸出功率數據進行分析，涉及的時間尺度為3 s、10 min、1 h、3 h。

圖3為單臺風電機組 （裝機容量1.5 MW），單個風電場 （裝機容量259.5 MW），一天內風電功率波動情況，風電功率基準值為對應風電場裝機容量。從圖中可以得出:由于風電場內各個風電機組排列方式，風速等因素的影響，在相同時間內，單臺風電機組出力效率要比風電場出力效率高。風電場輸出功率與單臺風電機組輸出功率存在一定差異。

圖4、5分別為3 s、10 min、1 h、3 h時間尺度下單臺風電機組，單個風電場風電出力變化率分布情況。根據數據顯示，單臺風電機組、風電場風電出力變化率集中于0值附近，主要分布在裝機容量的10%內，向兩側風電出力變化率增大方向概率減小。風電出力波動變化率規律滿足正態分布曲線。

在上述各時間尺度下，單臺風電機組和風電場輸出的功率平均值為0.4045（p.u.）和0.3194(p.u.)，功率標準差分別為0.3053(p.u.)和0.2779(p.u.)。由圖4和圖5數據分析，得出表1單臺風電機組和風電場輸出功率變化率在裝機容量的10%內分布的最大概率與最大風電出力波動量。

圖3 單臺風機，單個風電場輸出功率對比

圖4 不同時間尺度下單臺風電機組出力變化率情況

圖5 不同時間尺度下單個風電場出力變化率情況

在短時間尺度內，秒級和分鐘級風電功率的變化量較小。單臺風電機組和風電場出力，存在一定互補性，降低了新疆某風電場的總出力的變化率。在長時間尺度，即小時級以上，風電功率變化量較大。隨著時間尺度的增加，風電出力波動呈現一定上升趨勢增加，并且風電出力變化率分布不集中。

在同一時間尺度下，風電場的波動量比單臺風電機組波動量小。根據統計的風電出力最大波動量，秒級時間尺度波動量遠小于分鐘級和小時級。隨著時間尺度的增加，最大波動量增加。

以上結果分析表明，隨著時間尺度的增大，風電功率的相對可變性呈現上升趨勢，風電功率波動變化率，滿足正態分布曲線。

2 不同時間尺度下儲能裝置功率和容量研究

2.1 儲能裝置平抑風電出力波動策略

根據GB/T-200中對風電場輸出功率變化率明確的規定，表1中最大輸出功率變化率超出規定，會對電網的安全穩定造成嚴重影響，所以必須對風電輸出功率進行平抑，使風電輸出功率變化率滿足并網要求，使風能利用最大化，要達到這個目的必須利用儲能系統。

由1.5分析可知，風電出力變化率主要分布在裝機容量的10%左右，所以本文設計單臺風電機組或風電場在儲能系統的配合下以滿足相鄰時間尺度風電出力變化率占裝機容量的10%對系統進行輸出，來分析不同時間尺度下，平抑風電輸出功率變化率所需的儲能容量大小。一方面減小儲能成本，一方面也能滿足規定。本文設計方案如下:

（1）計算出數據樣本中單臺風電機組、風電場輸出功率變化率。

（2）以相鄰時間尺度風電出力變化率裝機容量10% （Pb）為基準值，將不同時間尺度下的風電出力變化率與基準值進行比較，大于基準值部分，按對應基準值功率輸出，多余的部分用儲能裝置存儲起來。若小于基準值對應風電輸出功率，直接輸出。

（3）由 （2）得出儲能裝置充放電功率曲線，計算充放電曲線概率密度曲線與累計概率曲線。當累積概率為1時確定為滿足當前時間尺度儲能系統額定功率。

（4）風電場所需配置的儲能系統容量為風電實際功率變化率曲線超出基準值上下限所圍成的最大面積。這樣的原則是為了保證在任何情況下，儲能都能將風電出力變化率平抑到裝機容量10%以內。

表1 不同時間尺度下分布最大概率和最大波動量

2.2 儲能平抑不同時間尺度風電功率波動效果分析

考慮到秒級風電出力波動變化率多數在裝機容量的10%以內，只有個別采樣點之間的風電出力變化率超出10%，且平抑秒級波動可通過風電機組槳距角和變頻器進行控制。所以在本文中主要分析分鐘級和小時級風電出力變化率所需儲能功率與容量。

由2.1儲能平抑風電出力控制策略，得出不同時間尺度下單臺風電機組和風電場儲能充放電功率的累計概率圖，如圖6、7所示。本文將累計概率為1時，定為儲能裝置額定功率。

圖6 儲能平抑單臺風電機組所需功率累計概率

圖7 儲能平抑風電場所需功率累計概率

儲能平抑單臺風電機組 （裝機容量為1.5 MW）出力在對應時間尺度下的額定功率分別為:0.75、1.2、1.35 MW；儲能平抑風電場 （裝機容量為259.5 MW）風電出力在對應時間尺度下的額定功率分別為117、156、195 MW。

根據2.1中儲能容量計算原則，得出單臺風電機組和風電場的儲能容量如表2所示。從表2中分析可得，儲能裝置平抑風電出力分鐘級波動所需的容量最小，小時級波動需要更大容量。

綜上所述，在平抑目標相同的條件下，風電出力變化率在分鐘級所需要的儲能容量較小時級小。隨著時間尺度增加，平抑風電出力變化率所需儲能容量增加。在平抑風電出力時，考慮儲能裝置的響應時間和功率密度，分鐘級波動采用功率型 （超級電容器）和能量型 （鉛酸蓄電池），小時級波動采用能量型儲能裝置。

表2 不同時間尺度儲能容量配置 MW·h

3 結 論

本文基于風電出力長時間實測歷史數據，對于單臺風電機組和風電場輸出功率在不同時間尺度下的波動特性進行了量化分析對比，對于平抑不同時間尺度下一定波動變化率范圍內的儲能裝置容量做了分析，結論如下:

（1）隨著時間尺度的增加，風電輸出功率變化率增加，主要分布在裝機容量的10%以內。

（2）考慮平抑風電輸出功率所需儲能的成本，設計風電輸出功率按照相鄰時間尺度風電出力變化率裝機容量10%進行輸出，得出儲能裝置平抑分鐘級波動所需容量較小。在平抑風電出力時，分鐘級波動采用功率型 （超級電容器）和能量型 （鉛酸蓄電池），小時級波動采用能量型儲能裝置。

（3）隨著時間尺度的增加，風電功率的變化量呈現上升趨勢，所需儲能裝置容量也增大，可以建設大容量的儲能電站滿足風儲系統安全穩定運行。

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