基于功率分解的風(fēng)電混合儲能容量配置研究

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中滲透率不斷增加，大規(guī)模風(fēng)電場并網(wǎng)點配置儲能裝置可以有效緩解風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)的沖擊影響。文章主要針對雙饋式風(fēng)電場實際功率輸出波動狀況，應(yīng)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(jù)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(fēng)電功率波動低頻分量，超級電容器儲能平抑風(fēng)電功率波動高頻分量。根據(jù)平抑準則，求解其各自概率密度函數(shù)曲線，采用高斯正態(tài)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(guān)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(fā)展，風(fēng)電機組并網(wǎng)規(guī)模不斷擴大。但風(fēng)能具有擾動性、間隔性、難以預(yù)測性，使得風(fēng)電并網(wǎng)會對電網(wǎng)穩(wěn)定產(chǎn)生嚴重影響[1-2]。風(fēng)電場采用儲能裝置平抑功率波動，提高并網(wǎng)質(zhì)量已經(jīng)一項有效的技術(shù)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(yōu)勢，對風(fēng)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(chǔ)上，考慮電網(wǎng)負荷需求及對儲能裝置經(jīng)濟成本的量化分析，結(jié)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(shù)和放電深度，將其轉(zhuǎn)化為儲能裝置循環(huán)壽命的折損，以平滑輸出功率為標(biāo)準，進行儲能容量配置的研究。儲能系統(tǒng)容量的合理配置，直接影響到儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。文章主要通過對實際風(fēng)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(tǒng)的容量配置合理。

1 雙饋型風(fēng)電場輸出功率分析

目前大型風(fēng)電場主要以集群和分布方式并入電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)電機組選用雙饋型風(fēng)力發(fā)電機。通過實際風(fēng)速變化，繪制出風(fēng)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(fēng)電場輸出功率特性曲線。

2 風(fēng)電波動功率分解

風(fēng)電輸出的波動功率需要儲能裝置進行平抑。風(fēng)電加入儲能裝置之后并網(wǎng)的功率為：

P0=PDFIG+Pb+Psc （2.1）

其中，P0為風(fēng)電經(jīng)過儲能裝置平抑后注入電網(wǎng)的功率值；PDFIG為風(fēng)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(yīng)用于風(fēng)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(biāo)功率值。

3 儲能裝置目標(biāo)功率幅值均值擬合計算

3.1 蓄電池儲能目標(biāo)功率均值的擬合計算

根據(jù)儲能裝置目標(biāo)功率輸出與時間的關(guān)系可以視為離散數(shù)據(jù)的隨機穩(wěn)態(tài)過程，滿足高斯正態(tài)分布。對離散數(shù)據(jù)采用4階高斯函數(shù)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(biāo)輸出功率轉(zhuǎn)化幅值的平均值，并用擬合函數(shù)求其密度分布的數(shù)學(xué)表達式。蓄電池|P■■|功率概率密度高斯擬合系數(shù)：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(shù)可得出Pb儲能系統(tǒng)的概率密度函數(shù)及擬合曲線。根據(jù)目標(biāo)輸出功率幅值計算Pb輸出功率數(shù)學(xué)期望值為Pav-b=1.52MW；其容為12.67MWh。

3.2 超級電容器儲能目標(biāo)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(shù)表達式。超級電容器功率密度|P■■|高斯正態(tài)分布擬合系數(shù)：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(shù)可求出Psc儲能系統(tǒng)的概率密度函數(shù)及擬合曲線。同理Psc輸出功率數(shù)學(xué)期望值為Pav-sc=0.895MW；其容量為7.45MWh。

4 結(jié)束語

根據(jù)風(fēng)場輸出功率的波動特性分析，將波動功率進行細化分解，結(jié)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(shù)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(shù)學(xué)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(jié)約了投資成本。

參考文獻

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[2]張鋒，李明霞，樊國偉，等.風(fēng)電接入對地區(qū)電網(wǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的影響[J].中國電力，2011，44（9）：17-21.

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[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(tǒng)容量優(yōu)化模型[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（34）：91-97.

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

黃山（1987-），男，沈陽工業(yè)大學(xué)，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)運行、優(yōu)化與控制。