平滑風電功率的電池儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

王 剛，邱曉燕，張曉晨，郭 藝，江潤洲，廖 茜

（1.四川大學電氣信息學院智能電網四川省重點實驗室，成都610065；2.西安理工大學電力工程系，西安710048）

風電以其無污染、分布廣、可再生、能量大等優(yōu)點，受到了廣泛關注。近年來，我國風力發(fā)電發(fā)展十分迅速，然而，風力發(fā)電具有隨機性強、波動性大等特點，致使我國風電場棄風現象相當嚴重[1]。儲能系統(tǒng)憑借其可充可放的運行特性，可有效克服風電等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的波動性[2-4]。然而，如何安全、高效地利用有限容量的儲能系統(tǒng)平滑風電功率是研究的熱點與難點。

目前，國內外已提出了多種利用儲能系統(tǒng)抑制風電輸出功率波動的儲能控制方法。文獻[5]提出在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)變流器的直流側嵌入儲能系統(tǒng)，抑制風電出力波動，但每臺機組都需安裝雙向變流器，在大型風電場中，這不僅增加了統(tǒng)一協(xié)調控制的難度，也增加了投資成本。文獻[6]利用超導儲能系統(tǒng)來補償風電場輸出功率波動，但超導儲能的成本太高，且容量通常較低。文獻[7]利用儲能系統(tǒng)來改善風電場運行的穩(wěn)定性，將控制平滑目標設為單一恒定值，要求儲能容量較大。文獻[8]利用一階低通濾波原理平滑風電功率波動，此方法未考慮電池儲能系統(tǒng)BESS （battery energy storage system）的荷電狀態(tài)SOC（state of charge），易造成BESS 的過充/放電，且平滑效果較差。文獻[9]提出BESS 的SOC 反饋濾波控制方法，有效避免了BESS 的過充/放電，但利用SOC 反饋控制直接對由濾波算法計算出的BESS 輸出功率值進行修改，其平滑效果一般。文獻[10]在一階低通濾波原理的基礎上，加入BESS 的SOC 的反饋，對濾波時間常數進行修改，防止BESS 的過充/放電，但前一時刻輸出功率目標值對后續(xù)濾波效果影響大，平滑效果一般。文獻[11-12]采用普通滑動平均濾波法，其滑動平均濾波項數固定，未考慮儲能系統(tǒng)的SOC 對平滑效果的影響，平滑效果受到限制。

本文設計了一種變滑動平均項數濾波法，根據當前BESS 的SOC 和風電輸出功率的波動情況實時調節(jié)滑動平均濾波項數，改變BESS 的出力，使BESS 的SOC 穩(wěn)定在限定范圍的同時，有效減少輸出功率波動，提高風電輸出功率平滑性。

1 滑動平均濾波平滑原理

滑動平均濾波基于統(tǒng)計規(guī)律，將連續(xù)的采樣數據看成一個長度固守為N 的隊列，在新的一次測量后，將上述隊列的首數據去掉，其余N-1 個數據依次前移，并將新的采樣數據插入，作為新隊列的尾；然后對這個隊列進行算術運算，即沿全長為L 的數據不斷逐個移動地取N 個相鄰數據作加權平均來表示平滑數據，其表達式為

式中：Xk為k 時刻的采樣數據；ωi為權系數；N 為滑動平均濾波的項數，也被稱作期數；k=m+1，m+2，…，L-m。滑動平均濾波中各個參數的選取與平滑效果相關，一般根據需要達到的平滑效果及數據的變化情況來選取各個參數。其中，濾波器平滑效果與滑動平均濾波項數關系密切，N 越大，濾波通帶越窄，濾波后越平滑；N 越小，濾波通帶越寬，濾波后越陡峭[13]。

2 變滑動平均濾波項數儲能控制策略

含BESS 的風電系統(tǒng)并入電網的結構示意圖如圖1 所示，該系統(tǒng)由額定容量為PN的風電場，BESS 和基于BESS 的SOC 的變滑動平均濾波項數儲能系統(tǒng)控制器（本文簡稱為變滑動平均濾波儲能控制器）組成。

圖1 風-儲發(fā)電系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of BESS-wind power generation system

利用滑動平均濾波平滑原理，風電儲能系統(tǒng)t時刻的目標功率Pref，t和BESS t 時刻輸出功率PBESS，t可以表示為

式中：ωi權系數，取為為t 時刻風機原始輸出功率。

BESS 的SOC 是指BESS 當前的剩余能量水平[14]。取BESS 輸出功率PBESS采樣周期為1 min，BESS 的額定容量為EN，則不同時刻BESS 相對于初始狀態(tài)的能量波動Efluc（m）和不同時刻的荷電狀態(tài)SOC（m）計算式為

式中：Efluc（m）為BESS 在第m 個采樣周期結束時的能量波動，即前m 個采樣周期內BESS 充放電能量累加和，MW·h；SOC（0）為BESS 的初始荷電狀態(tài)值；SOC（m）為第m 采樣周期結束時BESS 的荷電狀態(tài)值。

基于實測BESS 荷電狀態(tài)的變滑動平均濾波項數控制策略是指，BESS 在對風電輸出功率進行平滑，限制一定時間（如20 min）的波動率在一定范圍內的同時，根據BESS 的荷電狀態(tài)值的大小對滑動平均濾波項數進行修正，以使BESS 的SOC始終穩(wěn)定在一定范圍的同時，減少風電輸出功率波動，提高風電輸出功率平滑性。

變滑動平均濾波項數儲能控制是在固定滑動平均濾波控制的基礎上加入SOC 反饋環(huán)節(jié)，對滑動平均項數進行修正，其控制框圖如圖2 所示。

圖2 儲能控制器控制框圖Fig.2 Control scheme of energy storage system controller

Pwind，t為t 時刻風機原始功率，Pref，t為平滑后整個系統(tǒng)輸出的目標功率值，PBESS，t為BESS 輸出的功率，即為平滑后系統(tǒng)輸出目標功率與風電原始功率的差值。考慮到風電儲能系統(tǒng)的經濟性與穩(wěn)定性，本文采用日本東北電力公司風電場接入電網20 min 有功功率波動規(guī)范，設定20 min 內風電系統(tǒng)輸出功率波動率σ20在10%以內。

BESS 采用固定滑動平均濾波項數控制方法時，未考慮BESS 的SOC，這樣，可能會導致BESS過充/過放，會對儲能設備造成很大的傷害，一方面會影響B(tài)ESS 的使用壽命，另一方面會導致注入電網的功率出現劇烈波動，影響電網穩(wěn)定性[15-16]。因此本文在固定滑動平均濾波項數控制方法的基礎上加入SOC 反饋控制，由滑動平均濾波項數調節(jié)器根據BESS 的SOC 和BESS 當前充/放電狀態(tài)，設定滑動平均濾波項數大小，改變目標輸出功率Pref，進而改變BESS 輸出功率，從而使荷電狀態(tài)穩(wěn)定在限定范圍內，有效避免了BESS 的過充/放電，并且減少風電輸出功率波動，提高風電輸出功率平滑性。為此，設置防止過充/放的SOC 保護閾值，如圖3 所示。

根據BESS 各保護閾值，滑動平均濾波項數調節(jié)器的控制步驟如下。

（1）若SOC〈SOCmin，則儲能系統(tǒng)只允許充電，不允許放電。

圖3 BESS 荷電狀態(tài)限值分類Fig.3 Limits classification of the state of charge of BESS

（2）若SOC〉SOCmax，則儲能系統(tǒng)只允許放電，不允許充電。

（3）BESS 放電時（即PESS〉0），當SOC〉SOChigh時，表示BESS 放電潛力很大，滑動平均濾波項數取2NN；當SOC〈SOClow時，表示BESS 放電潛力很弱，考慮到最大功率波動率的限制，滑動平均濾波項數取NN；當SOChigh〉SOC〉 SOClow時，滑動平均項數取在NN和2NN之間。BESS 放電時，滑動平均項數N（t）與BESS 荷電狀態(tài)SOC（t）關系如圖4（a）所示。

（4）BESS 充電時（即PESS〈0），當SOC〈SOClow時，表示BESS 充電潛力很大，滑動平均濾波項數取2NN；當SOC〉SOChigh時，表示BESS 充電潛力很弱，考慮到最大功率波動率的限制，滑動平均項數取NN；當SOChigh〉SOC〉SOClow時，滑動平均項數取在NN和2NN之間。BESS 充電時，滑動平均項數N（t）與BESS 荷電狀態(tài)SOC（t）關系如圖4（b）所示。

圖4 滑動平均濾波項數與荷電狀態(tài)關系Fig.4 Relationship between the number of terms of slip average filter and the state of charge

3 仿真分析

本算例的目的在于驗證含BESS 風力發(fā)電系統(tǒng)采用變滑動平均濾波儲能控制策略，在使BESS的SOC 維持在一定范圍內，防止BESS 過放/過充電的同時，限制風電功率波動率，降低風電輸出功率波動（具體為降低20 min 內功率波動累加和）。風電場為100 臺單機額定功率為1 MW 的風機組成。本文設定BESS 充放電功率為45 MW，容量30 MW·h，充/放電能量轉換效率均為90%，風速采集為某風電場2010 年8 月8 日全天的實測數據，采樣周期為1 min，風機出力曲線采用風電功率——風速關系[17]獲得，切入風速3 m/s，切出風速為23 m/s，額定風速為11 m/s。風電場原始輸出功率如圖5 虛線所示，其最大輸出功率為100.14 MW，最小輸出功率為0，全天平均功率為31.43 MW，20 min 功率波動率如圖6 虛線所示，20 min 最大功率波動率為63.5%，20 min 累計功率波動為17 511.16 MW。

本文取SOCmax= 1，SOChigh= 0.8，SOClow= 0.4，SOCmin=0.3。設定荷電狀態(tài)的初始值0.5。要求20 min 內風電系統(tǒng)輸出功率波動率σ20在10%以內，取正常滑動平均項數NN=60。圖5 和圖6 中實線所示分別為固定滑動平均濾波策略（簡稱普通策略）下的功率波動和20 min 功率波動率，其20 min最大功率波動率為9.9%，20 min 功率波動累加為5 025.67 MW；普通策略下的BESS 的實時出力如圖7 所示（BESS 出力為正表示其放電，出力為負表示其充電，下同）。

圖5 不同策略下的功率波動情況Fig.5 Power fluctuations under different strategies

圖6 不同策略下的20 min 內功率波動率Fig.6 Power fluctuation rate within 20 min under different strategies

圖7 普通策略下的BESS 出力變化Fig.7 BESS output change under the ordinary strategy

圖5和圖6 中虛線所示分別為變滑動平均濾波策略下的功率波動和20 min 功率波動率，20 min最大功率波動率為9.8%，其20 min 功率波動累加為3 995.09 MW。兩種策略下20 min 功率波動率都控制在10%以內，本文的變滑動平均濾波策略下的20 min 功率波動累加比平滑前減少13 515.97 MW，比普通策略下減少20.5%，平滑效果顯著提高。本文策略下BESS 的實時出力如圖8 所示。

兩種策略下BESS 的SOC 變化如圖9 所示，可以看出，本文提出的變滑動平均濾波策略下BESS 的荷電狀態(tài)（虛線所示）穩(wěn)定控制在30%～100%之間，其變化幅度比普通策略稍微大，這是由于本文策略使平滑效果顯著增加造成的，但會使其穩(wěn)定在要求范圍內，從而防止BESS 過充/放電，損害BESS 的壽命。

圖8 本文策略下的BESS 出力變化Fig.8 BESS output change under the proposed strategy in this paper

圖9 不同策略下的荷電狀態(tài)變化情況Fig.9 SOC change under different strategies

4 結語

風電等可再生能源輸出功率具有隨機性強、波動性大等特點，故配備一定容量的BESS，可對風電輸出功率進行平滑。本文在固定滑動平均濾波控制策略的基礎上，考慮風電功率波動率和BESS的SOC 等約束條件，提出一種基于變滑動平均濾波項數的風電功率波動平滑控制策略，在固定滑動平均濾波基礎上，加入滑動平均濾波項數的調整方法，根據BESS 的SOC 測量值，調整BESS 輸出功率。仿真證明，該方法在控制風電并網功率波動率的同時，可有效減少功率波動累加，平滑效果明顯提高，并使BESS 的SOC 穩(wěn)定在一定范圍內。

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