李軍徽，朱星旭，嚴干貴，穆 鋼，王芝茗，羅衛(wèi)華

（1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

風力發(fā)電以其無污染、一次能源可永久續(xù)用等優(yōu)點成為發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要選擇。但是風能具有隨機性、間歇性和不可準確預測性[1-2]，而制定風電場出力計劃主要以預測數(shù)據(jù)為依據(jù)，導致無法實現(xiàn)風電場實時出力對計劃出力的跟蹤，因此要多接納風電就需要通過調(diào)整常規(guī)電源來補償風電預測誤差以實現(xiàn)電網(wǎng)的供需平衡[3-4]。這必然會導致系統(tǒng)旋轉備用容量的增加，造成燃料的浪費，從而違背發(fā)展低碳經(jīng)濟的初衷。

儲能由于能夠實現(xiàn)對風電功率的時空平移而被認為是可調(diào)控風電出力的一種有效手段[5-6]。受經(jīng)濟約束，能量型儲能介質由于循環(huán)壽命有限而難以承擔對風電功率的頻繁調(diào)控任務[7-8]。受技術條件約束，功率型儲能介質由于能量密度較低而難以承擔對風電功率長時間的調(diào)控任務[9-10]。混合儲能系統(tǒng)HESS（Hybrid Energy Storage System）——功率型-能量型儲能介質構成的儲能系統(tǒng)，具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，可完成長時間對風電功率的頻繁調(diào)控任務。

在HESS實際應用中，主要關注儲能介質的選擇、控制策略以及配置方法的研究，以實現(xiàn)HESS成本的最小化。全釩液流電池VRB（Vanadium Redox flow Battery）與其他能量型儲能介質相比具有設計靈活、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，被認為是作為HESS能量型儲能介質的最佳選擇之一[11]；電化學電容器EC（Electrochemical Capacitor）技術條件較為成熟，一直被作為HESS功率型儲能介質使用，因此本文選取VRB-EC作為儲能介質。關于HESS控制策略已有大量文獻做了研究，文獻[12-15]所設計的HESS控制策略可實現(xiàn)對風電出力的快速調(diào)控，同時盡量避免電池不必要的充放電，但僅從技術性層面驗證了控制策略的可用性。對此，相關文獻基于HESS控制策略計算其投資成本，文獻[16]基于荷電狀態(tài)設計的模糊控制策略，根據(jù)機會約束規(guī)劃模型計算HESS配置。文獻[17]權衡儲能系統(tǒng)的技術性能和經(jīng)濟性能，通過遺傳算法得到HESS的優(yōu)化配置結果。文獻[18]對比了單一儲能方式和混合儲能方式實現(xiàn)同一技術目標時的技術效果和成本投入。文獻[19]建立了風電功率預測誤差的風-儲模型，可以在一定概率水平下平抑風電功率預測誤差帶來的功率波動。

本文針對VRB-EC組成的HESS，提出一種考慮VRB分組控制的HESS控制策略，并分析了EC的最優(yōu)配置數(shù)量。根據(jù)風電場日預測出力設計HESS總充放電功率，設定EC的動作區(qū)間以降低VRB的損耗，通過排序法實現(xiàn)對VRB各單元快速、合理的調(diào)控?；谒峥刂撇呗苑治隽薊C配置數(shù)量對HESS成本的影響，最終得到HESS的最優(yōu)配置及最小成本，研究結果對VRB-EC組成的HESS在工程中的應用具有理論指導作用。

1 HESS結構設計

HESS 結構如圖 1 所示。圖中，Pwind（t）和 Pout（t）分別為t時刻經(jīng)HESS補償前、后的風電功率；Pref（t）為 t時刻風電預測功率；PHESS（t）、PBESS（t）和 PEC（t）分別為t時刻HESS、電池和EC的充電功率。

圖1 HESS結構圖Fig.1 Structure of HESS

本文設計的HESS由儲能模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計算模塊和控制模塊組成。儲能模塊由若干VRB單元和EC單元組成，各單元可獨立充放電；數(shù)據(jù)采集模塊由VRB及EC狀態(tài)采集器構成，負責采集各儲能單元的充放電狀態(tài)，并將狀態(tài)反饋給計算模塊；計算模塊由中央管理器構成，可根據(jù)反饋信號、風電數(shù)據(jù)和電網(wǎng)側要求計算各儲能單元的充放電功率，并將命令下發(fā)控制模塊；控制模塊由HESS充放電控制器構成，可根據(jù)計算模塊下發(fā)的命令完成對各儲能單元的充放電控制。

本文所述的HESS工作原理綜合考慮了對風電的控制要求和儲能系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)，可在完成充放電任務的同時達到其自身各充放電單元之間的功率優(yōu)化分配。

2 HESS控制策略設計

2.1 HESS總目標功率的確定

調(diào)度部門主要根據(jù)風電場預測出力制定其出力計劃，但風電出力具有不可準確預測性，可采用儲能系統(tǒng)實時補償風電出力，相當于提高了風電出力的預測精度，對減少系統(tǒng)備用容量、提高系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和安全性具有重要意義。

本文以降低風電并網(wǎng)功率與預測功率的差值為目標設計HESS總充電功率，風電并網(wǎng)功率與預測功率的差值μ（t）表示如下：

若電網(wǎng)側要求 μ（t）不超過設定值 ε（t），則有：

即：

其中，ε（t）在不同時刻取值不同，在負荷腰荷時段系統(tǒng)旋轉備用容量較為充足，ε（t）取值偏大，負荷峰谷時段則反之。

根據(jù)式（3）可確定HESS充電功率取值范圍如圖 2 中陰影區(qū)域所示，圖中，Pwind-Pref=｛…，Pwind（t）-Pref（t），…｝，即滿足 μ（t）為零的 HESS 充電功率；PHESS－up=｛…，Pwind（t）－Pref（t）+ε（t），…｝，即滿足 μ（t）不超過設定值 ε（t）的 HESS 充電功率上限；PHESS－down=｛…，Pwind（t）-Pref（t）-ε（t），…｝，即滿足 μ（t）不超過設定值ε（t）的HESS充電功率下限；t為采樣時刻。

圖2 HESS充放電功率設計Fig.2 Design of HESS charging/discharge power

本文以充放電功率最小為原則，可確定HESS的充電功率曲線如圖2中PHESS所示，即：

除此之外，由于VRB和EC充放電效率小于1，其長時間工作會出現(xiàn)“少充多放”的情況，因此在負荷腰荷時段由電網(wǎng)向HESS充電以校正其剩余能量。

2.2 HESS功率分配策略設計

2.2.1 VRB與EC之間功率分配策略

VRB與EC相比最大循環(huán)次數(shù)較少，由EC承擔PHESS（t）中幅值較小且頻繁波動的功率成分。EC能量密度較低，因此由VRB承擔長時間的充放電任務?？刂撇呗栽O計如下。

當 PHESS（t）＜PEC.N時，有：

其中，PEC.N為所配置EC的額定功率，由第3節(jié)所述HESS配置方法計算得到。

當 PHESS（t）＞PEC.N時，有：

則t時刻VRB和EC能量計算公式如下。

充電時：

放電時：

其中，Δt為采樣時間間隔；ηBESS.C和 ηEC.C、ηBESS.D和ηEC.D分別為 VRB 和 EC 的充 /放電效率；EBESS（t）和EEC（t）分別為 t時刻 VRB和 EC的能量，假定其初始值為0。

EC的能量密度較低，故引入EC的容量約束：

2.2.2 VRB分組控制策略

由于VRB最大循環(huán)次數(shù)有限，若所有VRB單元接受同樣的調(diào)度指令，不僅會造成對VRB不必要的損耗，而且不利于對風電出力的精確控制，因此需將PBESS（t）在各VRB控制單元之間合理分配，其原則為：某一時刻投入運行的VRB單元個數(shù)最少；HESS運行期間各VRB單元的累計運行時間均等；算法計算速度滿足實時控制要求。具體的調(diào)度策略如下。

如圖3所示，nBESS.i為第i個VRB單元的累計充放電次數(shù)，當充電周期開始時，將VRB單元按nBESS.i大小進行排序，nBESS.i多者居右，在此充電周期內(nèi)，從左至右選擇VRB單元投入運行，使其總充電功率剛好滿足控制要求；當放電周期開始時，將VRB單元按nBESS.i進行排序，nBESS.i多者居左，在此放電周期內(nèi)，按從右至左順序選擇VRB單元投入運行，使其總放電功率剛好滿足控制要求。此算法可避免VRB單元不必要的充放電，并避免工作任務集中于部分VRB單元。

圖3 VRB單元分組控制Fig.3 Group control of VRB cell

3 HESS優(yōu)化配置方法

優(yōu)化HESS配置目的為最小化其投資成本，儲能電站每年的平均成本計算方法如下：

其中，Nyear為儲能電站運行年限；Mb、MBESS和 MEC分別為儲能電站建設成本、電池和EC的投資成本，根據(jù)經(jīng)驗本文Mb取固定值（120萬元）。當Nyear確定時，M只與MBESS和MEC有關，即與VRB和EC的配置有關，下面詳細分析幾者之間的關系。

根據(jù)VRB和EC的自身特性，本文中MBESS和MEC的計算方法如下：

其中，NBESS.u和NEC.u分別為VRB和EC控制單元數(shù)目；CBESS.p和CEC.p分別為VRB和EC單位功率的投資成本（元/kW）；CBESS.e和CEC.e分別為VRB和 EC單位容量的投資成本（元/（kW·h））；PBESS.N-u和 PEC.N-u分別為VRB和EC單元的額定功率（kW/個）；EBESS.N為VRB總額定容量（kW·h）；EEC.N-u為EC單元的額定容量（kW·h/個）；γBESS.i和 γEC.i分別為 VRB 和 EC第i個控制單元的更換系數(shù)。

其中，nBESS.i和nEC.i分別為第 i個VRB和EC控制單元的充放電次數(shù)；nBESS.max和nEC.max分別為VRB和EC的最大循環(huán)次數(shù)。

由以上所述成本計算方法可知，若VRB和EC價格固定，則M與其配置及更換系數(shù)有關，幾者之間關系如圖4所示，選定NEC.u后根據(jù)第2節(jié)所述控制策略可得儲能電站仿真運行一段時間后的仿真數(shù)據(jù)，即 PBESS（t）、EBESS（t）、EEC（t）和 2 種儲能介質的更換系數(shù)，進一步有：

圖4 HESS成本計算方法Fig.4 Calculation method of HESS cost

將選定的NEC.u和根據(jù)儲能電站仿真運行分析所得的 NBESS.u、γBESS.i和 γEC.i代入式（11）—（13）可得M，若攝動NEC.u則可得多組M，選取最小成本下的HESS配置作為其優(yōu)化結果。

4 仿真分析

基于東北地區(qū)某裝機49.3 MW風電場30 d的運行數(shù)據(jù)，研究HESS的優(yōu)化配置結果及HESS的工作性能，VRB 和 EC 的技術經(jīng)濟參數(shù)見表 1[11，20]。

表1 VRB和EC技術經(jīng)濟參數(shù)Tab.1 Technical and economic parameters of VRB and EC

4.1 HESS優(yōu)化配置研究

以ε（t）=0 MW作為HESS工作的技術指標，研究HESS成本與NEC.u之間的關系，分析結果如圖5所示，圖中Mmin和NEC.u-b分別為HESS最小成本及EC的最優(yōu)配置數(shù)量。

圖5 M與NEC.u之間關系曲線Fig.5 M-NEC.ucurve

由圖5可知，隨著NEC.u由 0增加到400，M先下降后上升，NEC.u=150時，M達到最小值5 284萬元。分析其原因可知，增加NEC.u時，EC代替VRB承擔更多的充放電任務，可降低VRB充放電次數(shù)，但卻增加了EC的配置數(shù)量，而兩者對M的影響作用相反。當NEC.u從0增至150時，VRB充放電次數(shù)的降低對M的影響更為明顯，因此M逐漸降低；當NEC.u從150增至400時，EC自身成本的增加對M的影響更為明顯，因此M逐漸上升。

分別以 ε（t）取值為 1 MW、2 MW、3 MW、4 MW、5 MW作為HESS工作的技術指標，研究相應最優(yōu)的HESS配置，結果如表2所示。

表2 HESS優(yōu)化配置結果Tab.2 Optimized HESS configuration

由表2可知，隨著對風電控制要求的降低，HESS承擔的充放電任務逐漸減輕，表現(xiàn)為Mmin由4 783萬元減小到2 666萬元；表中所給EC最優(yōu)配置數(shù)量可為HESS在工程應用中最優(yōu)配置的選擇提供參考。

4.2 HESS控制策略有效性驗證

基于4.1節(jié)所得優(yōu)化配置結果，分析VRB和EC的運行情況以驗證所提HESS控制策略的有效性。

以ε（t）=0 MW作為HESS工作的技術指標，NEC.u-b=150，VRB和EC日充電功率曲線如圖6所示。由圖6可知，EC負責平抑0值附近頻繁波動的功率分量，VRB承擔其他時段的平抑任務，充放電次數(shù)顯著降低；圖中PEC并未達到EC的額定功率（NEC.u-bPEC.N-u），是由于EC容量密度較低、存在容量約束所導致。

圖6 VRB和EC充電功率波形Fig.6 Waveforms of VRB and EC charging power

分別以 ε（t）取值為0 MW、3 MW 和 5 MW 作為HESS工作的技術指標，根據(jù)4.1節(jié)所得NEC.u-b，統(tǒng)計各VRB單元在30 d內(nèi)的充放電次數(shù)，結果如圖7所示，nBESS.i為第i個VRB單元的充放電次數(shù)。由圖可知，隨著技術指標的降低，VRB單元最大充放電次數(shù)由754次減少到453次，說明VRB承擔的充放電任務逐漸減輕，與實際情況相符；在不同技術指標下各電池單元充放電次數(shù)相差不大，分別在0～81次、0～69次和0～63次變化（見表3），說明所設計控制策略合理分配了VRB單元的充放電任務。

圖7 VRB各單元充放電次數(shù)統(tǒng)計Fig.7 Statistics of charging/discharging times of VRB cells

表3 統(tǒng)計分析Tab.3 Statistical analysis

5 結論

a.提出了一種適用于VRB-EC混合儲能系統(tǒng)的控制策略，通過設置EC的動作區(qū)間，使EC代替VRB負責平抑數(shù)值較小且頻繁波動的功率分量，有效降低了VRB的充放電次數(shù)，通過排序法合理分配了VRB單元的充放電任務，有效避免了VRB不必要的損耗，對工程應用中VRB-EC混合儲能系統(tǒng)運行方式的制定具有理論指導作用。

b.基于所設計控制策略研究了EC配置數(shù)量對HESS成本的影響，仿真分析了在達到不同風電預測精度要求下的HESS最優(yōu)配置結果及最小成本，可為工程應用中VRB-EC混合儲能系統(tǒng)配置的選擇提供參考依據(jù)。