陳佩琳，賈成真，郭躍年

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.山西大學自動化系，山西 太原 030013；3.國家電投集團山西新能源有限公司，山西 太原 030006）

電網(wǎng)技術(shù)

基于移動平均值濾波的儲能容量配置研究

陳佩琳1，賈成真2，郭躍年3

（1.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.山西大學自動化系，山西 太原 030013；3.國家電投集團山西新能源有限公司，山西 太原 030006）

針對風儲容量配比問題，從分析風電場波動特性入手，將波動的動態(tài)指標轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)指標，研究了風電場的“平滑效應”，進而采用儲能集中式布置方式，基于風儲協(xié)調(diào)控制策略，提出了帶死區(qū)的移動平均值濾波算法，基于正態(tài)分布的數(shù)學分析方法，依據(jù)3σ原理得出儲能的額定功率值，依據(jù)儲能荷電狀態(tài)設(shè)置了合理的儲能容量裕度，按照儲能連續(xù)充放電的最大容量值來確定儲能系統(tǒng)的容量，并且在Matlab/Simulink中進行了仿真驗證，形成了一種簡單且工程實用的風儲容量配比估算理論。

移動平均值；正態(tài)分布；3σ；容量配比

0 引言

隨著風電裝機容量在電網(wǎng)中的占比不斷增加，而電網(wǎng)的備用裝機容量有限，風電消納已經(jīng)成為制約風電發(fā)展的瓶頸。以山西省為例，由于供熱機組裝機容量占比較大，到了冬季風電大發(fā)，電網(wǎng)調(diào)峰形勢嚴峻，導致“棄風”現(xiàn)象的發(fā)生，據(jù)國家能源局統(tǒng)計，去年山西省的棄風率為9%。

有許多研究從調(diào)節(jié)風機的槳距角出發(fā)來平抑風電的波動，但是對于短期的風功率波動，由于槳距調(diào)節(jié)的速度比較慢所以達不到平抑波動的要求。隨著化學儲能成本的降低、大規(guī)?；瘜W儲能集成控制技術(shù)的成熟，化學儲能被看成是平抑風電波動的有效途徑之一。儲能與風電之間的容量配比是近幾年來學者們研究的熱點。

文獻 [1]基于一階低通濾波原理，采用荷電狀態(tài)SOC（state of charge） 平衡控制策略減小了系統(tǒng)所需儲能容量，文獻 [2]從經(jīng)濟調(diào)度的角度對風儲的容量配置進行了優(yōu)化，文獻 [3]將容量配比與儲能SOC控制相結(jié)合，通過合理的統(tǒng)計計算得出儲能的容量配置，文獻 [4]基于自適應線性神經(jīng)元 (Adaline)原理，采用4步協(xié)調(diào)控制的方法大大減小了儲能的容量配置，文獻 [5]提出了一種雙層規(guī)劃模型，通過遺傳算法對模型進行求解，得到了全局經(jīng)濟性最優(yōu)的儲能容量配置。上述研究中，大多數(shù)學者利用一階低通濾波來求取儲能容量，然而這種方法在風功率波動頻繁時容易導致儲能的荷電狀態(tài)超限，而且一階低通濾波算法平滑后的風功率值存在“滯后”現(xiàn)象，使得到的儲能配置容量相對較大；采用多步協(xié)調(diào)，多層次規(guī)劃等方法對于儲能的容量配置估算太過復雜，不利于工程的實現(xiàn)，所以急需尋找一種簡單且工程實用的儲能容量配置估算方法。

論文首先分析了風電場波動特性，通過將波動的動態(tài)指標轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)指標，研究了風電場的“平滑效應”，進而采用儲能集中式布置方式；其次，提出了帶死區(qū)的移動平均值濾波算法，通過風儲之間的協(xié)調(diào)控制，得出儲能的充放電功率值，基于正態(tài)分布的數(shù)學分析方法，依據(jù)3σ原理得出儲能的額定功率值，依據(jù)儲能SOC設(shè)置了合理的儲能容量裕度，按照儲能連續(xù)充放電的最大容量值來確定儲能系統(tǒng)的容量，最后在 Matlab/ Simulink中進行了仿真驗證，形成了一種簡單且工程實用的風儲容量配比方法。

1 風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前儲能在風場的布置形式主要有2種，如圖1和圖2所示。

圖1 儲能集中式布置

圖2 儲能分散式布置

圖1 中儲能采用集中式布置，儲能通過DC/ DC、DC/AC兩級接入風電場35 kV母線，這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了風電場各臺風電機組廣域互補性，在一定程度上減小了儲能的容量配置；圖2中儲能采用分散式布置，該方案從風場的局部出發(fā)，通過對風場中各臺風機進行平滑控制，從而達到平抑整個風電場功率波動的目的，但是分散式布置使得系統(tǒng)的復雜性增加，對于整個風場來說總的容量要比集中配置儲能容量大[6]。

鑒于以上分析，并且根據(jù)國家已有風儲示范工程項目：張北的風光儲輸示范工程、遼寧的臥牛石風儲示范工程，其采用的是儲能集中式布置結(jié)構(gòu)，所以本文選擇儲能集中式布置的風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從分析風電場整體有功輸出波動性入手，來對儲能進行容量配置的分析。

2 風功率波動分析和風儲協(xié)調(diào)控制策略

2.1 風電功率波動分析

對于并網(wǎng)風電場來說，其最大功率變化需結(jié)合實際電網(wǎng)的調(diào)頻能力及其他電源調(diào)節(jié)特性來確定，很難給出一個統(tǒng)一的確定限值，適合于各種電網(wǎng)運行要求[7]。我國關(guān)于風電場并網(wǎng)運行時功率最大變化的推薦值如表1所示。

表1 風電場有功功率變化最大限值

經(jīng)過調(diào)研分析可知大部分運行的風電場1 min和10 min功率變化值都滿足國家的規(guī)定值，所以本文提出通過在風電場配置儲能，將風電場輸出功率變化值限制在1 min不超過風場裝機容量的2%，10 min不超過風場裝機容量的7%。

選取山西某一風電場為研究對象，依據(jù)風電場測風塔數(shù)據(jù)可知：風電場年平均風速7.42 m/s，風功率密度465.6 W/m2。該風電場額定裝機容量為49.5 MW，有33臺1.5 MW的華儀雙饋風力發(fā)電機組，啟動風速3.5 m/s，額定風速13 m/s，切出風速25 m/s，采用功率因數(shù)為1的恒功率因數(shù)控制方式。選取典型日運行數(shù)據(jù)，采樣時間間隔為30 s，單機輸出功率和風電場輸出功率如圖3和圖4所示。

圖3 單機輸出功率

圖4 風電場輸出功率

比較圖3和圖4可以得到如下結(jié)論：風電功率波動隨風電規(guī)模的增大存在“平滑效應”[8]。

依據(jù)文獻[9]提出的5個動態(tài)指標對風電功率波動進行分析，具體的指標表達如式（1）—（5）。

由于動態(tài)指標是隨時間不斷發(fā)生變化的，不利于定量分析，所以采用正態(tài)分布的統(tǒng)計方法，將動態(tài)指標轉(zhuǎn)化為靜態(tài)指標。表2給出了1 min波動變化率、波動率，10 min波動變化率、波動率和輸出功率方差在風機臺數(shù)分別為1臺、10臺、20臺、33臺時的統(tǒng)計指標。

表2 不同風機臺數(shù)的指標統(tǒng)計值

從表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出：無論是1 min還是10 min波動率都隨裝機容量的增加而呈現(xiàn)遞減的趨勢，說明了風電場各臺風機之間存在互補性；而波動變化率則隨容量的增加而呈現(xiàn)遞增的趨勢，說明風電場裝機容量越大，風電對電網(wǎng)的影響越大。

2.2 風儲協(xié)調(diào)控制策略

為了避免一階低通濾波的“滯后”現(xiàn)象，本文采用帶死區(qū)的移動平均值濾波算法，其原理如式（6）所示。

由于本文中采集的風電場數(shù)據(jù)有限，對于前n-1個數(shù)據(jù)的平滑采用式（7）進行處理。

風儲并網(wǎng)功率值Pg（i）不是每個時刻都是等于移動平均值平滑過后的值，只有當風電功率Pw（i）不在并網(wǎng)功率帶內(nèi)才需要對其進行平滑。并網(wǎng)功率帶按照風電波動的目標值進行設(shè)計，本文提出將1 min風功率波動限制在2%以內(nèi)，所以取移動平均值的±1%作為并網(wǎng)區(qū)間。

3 儲能容量配比

3.1 3σ原理簡介

正態(tài)分布又名高斯分布，是一個在數(shù)學、物理及工程等領(lǐng)域都非常重要的概率分布。正態(tài)分布的曲線特征如圖5所示。

在正態(tài)分布里，約有99.7%的情況都處于樣本μ±3σ這個區(qū)間內(nèi)，其他取值的概率不到0.3%，是幾乎不可能發(fā)生的小概率事件，μ、σ分別為樣本的平均值和標準差。

圖5 正態(tài)分布的概率密度曲線

通過風儲協(xié)調(diào)控制策略得出儲能的充放電功率值，依據(jù)數(shù)學概率統(tǒng)計學的知識，其符合均值為μ，方差為σ的正態(tài)分布[10]。μ和σ的表達式如式 (8)—(9)所示。

式（8）—（9） 中，N表示采樣的樣本數(shù)量，Pb1（k）表示k時刻儲能的充放電功率值。

3.2 儲能容量配比計算

取山西某一風電場2016年某一典型日的運行數(shù)據(jù)，采用帶死區(qū)的移動平均值濾波算法對其進行平滑處理，得到儲能一天的充放電功率值如圖6所示。

圖6 儲能充放電功率值

利用Matlab對儲能的充放電功率值進行統(tǒng)計計算，得出其平均值μ=-0.08，σ=4.08，按照式（10）確定儲能的額定功率值。

經(jīng)過計算可以得到Pb=12.32 MW。

對儲能的充放電功率值在時間域上進行積分，便可得到儲能一天容量的變化。在儲能系統(tǒng)實際運行過程中，由于常?？紤]儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC） 是否越限，本文按照儲能SOC值在0.2～0.8的區(qū)間內(nèi)屬于儲能的合理運行范圍，故求取儲能的容量按照20%的裕度進行計算，即如式（11）所示。

Ec_b和Ed_b分別表示儲能的充放電量，SOCmax和SOCmin表示儲能SOC的最大值和最小值，經(jīng)計算可以得到Eb=28.8 MW·h。所以風電場需要配置的儲能容量為12 MW/28.8 MW·h。

4 仿真驗證

在Matlab/Simulink中建立如圖7所示的仿真模型。模型中儲能的初始SOC值設(shè)為0.5，仿真的采樣時間設(shè)置為1 s，仿真時長為2 880 s。

按照本文提出的儲能容量配置，風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行中儲能系統(tǒng)的SOC變化曲線如圖8所示。圖中儲能SOC的最小值為0.2，最大值為0.68，能夠保證儲能SOC值運行在合理的工作區(qū)間。

在風電場中配置儲能，通過風儲之間的協(xié)調(diào)控制，降低了風電場輸出功率的波動性，能夠把波動率限制在本文所要求的指標內(nèi)。圖9具體給出了風儲聯(lián)合輸出功率的波動率曲線。

圖7 儲能SOC仿真圖

圖8 儲能SOC變化曲線

圖9 風儲功率波動率曲線圖

移動平均值濾波算法中移動平均的項數(shù)決定了平抑過后的風功率波動的大小，也決定了儲能容量配置，本文選取的移動平均值項數(shù)為300，滿足了1 min和10 min波動率指標要求。

5 結(jié)論

本文依托山西某一風電場實際運行數(shù)據(jù)，對風電場出力的波動性進行了分析，通過對單臺風機到10臺、20臺、33臺風機運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出風電場在空間上的“平滑效應”。采用帶有死區(qū)的移動平均值濾波算法，基于數(shù)學統(tǒng)計的方法得出儲能的估算容量配置，其原理簡單且工程實用。

[1] 時珊珊,蔡旭,歐陽曾愷,等.風儲聯(lián)合運行的儲能容量優(yōu)化選配算法及分析 [J].電器與能效管理技術(shù),2015,12(8): 39-44.

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Research on Energy Storage Capacity Distribution Based on Moving Average Filter

CHEN Peilin1,JIA Chengzhen2,GUO Yuenian3
（1.State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China；2.Department of Automation,Shanxi University,Taiyuan,Shanxi030013,China；3.SPIC Shanxi New Energy Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi030006,China）

In view of wind storage capacity ratio,the wind power fluctuation characteristics are analyzed.The dynamic fluctuation indexis transformed intostatic index,which verifies the"smooth effect"ofwind farm.Based on wind storage coordination controlling,BESS centralized arrangement is adopted,and a dead zone average filtering algorithm strategy is proposed.Based on the analysis of normal distribution and accordingto3σ，the storage rated power value is determined.Accordingto the storage state ofcharge(SOC),a reasonable storage capacity margin is set up.The storage capacity of the system is determined according to the maximum continuous charge and discharge capacity,and the simulation is conducted in the Matlab/Simulink,finally,a simple and practical wind storage capacity ratio estimation theoryis formed.

movingaverage;normal distribution;3σ;capacityratio

TM714；TM76

A

1671-0320（2017）04-0001-05

2017-05-04，

2017-05-19

陳佩琳（1960），女，湖南長沙人，1982年畢業(yè)于太原工業(yè)學院繼電保護專業(yè)，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度方面的研究；

賈成真（1989），男，河南安陽人，山西大學自動化系2015級碩士研究生在讀，從事風儲協(xié)調(diào)控制方面的研究；

郭躍年（1971），男，山西山陰人，1993年畢業(yè)于太原工業(yè)大學熱能動力專業(yè)，高級工程師，從事新能源并網(wǎng)方面的研究。