文 | 劉兵，銀磊，張新宇，王禹力

大規(guī)模風(fēng)電消納一直是世界性難題，“三北”地區(qū)在此方面問題更加突出。由消納產(chǎn)生的棄風(fēng)限電大量浪費(fèi)了風(fēng)能資源，造成了慘重的經(jīng)濟(jì)損失，而損失主要由風(fēng)電企業(yè)承擔(dān)，嚴(yán)重影響產(chǎn)業(yè)的研發(fā)及長遠(yuǎn)發(fā)展。

提高風(fēng)電的可控性是減少棄風(fēng)限電的有效應(yīng)對(duì)措施。在風(fēng)電場安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)可以顯著提高風(fēng)電場的并網(wǎng)性能。目前，在國內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)示范項(xiàng)目以及相關(guān)的研究成果。已有的研究中，存在關(guān)于抽水蓄能、風(fēng)電制熱、風(fēng)電制氫、電池儲(chǔ)能等多種實(shí)現(xiàn)方案。其中，電池儲(chǔ)能不受環(huán)境因素限制，建設(shè)地點(diǎn)和運(yùn)行方式靈活，且經(jīng)濟(jì)性高，是目前廣為采納的儲(chǔ)能類型。然而，在已有的通過儲(chǔ)能緩解棄風(fēng)限電的控制策略中，多數(shù)停留在策略的有效性上，沒有考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的充放電特性；控制策略中考慮的時(shí)間尺度較短，多數(shù)是以自然日為單位進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制；且經(jīng)濟(jì)性不高，不具備大范圍推廣的可行性。

本文以大慶中丹風(fēng)電場為例，分析風(fēng)電場一年的歷史數(shù)據(jù)，從季度、月份、晝夜的角度出發(fā)分析限電的規(guī)律并提取限電開始時(shí)刻、限電時(shí)長等特征參數(shù)。結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特性，提出基于調(diào)度預(yù)測(cè)的風(fēng)儲(chǔ)優(yōu)化控制算法，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用效率達(dá)到最優(yōu)。通過對(duì)大慶中丹風(fēng)儲(chǔ)微電網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行建模及仿真計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。

系統(tǒng)特征參數(shù)分析

一、棄風(fēng)限電特征參數(shù)

風(fēng)電場限電狀態(tài)的判斷方法如下：當(dāng)全場理論發(fā)電功率大于全場目標(biāo)功率時(shí)則認(rèn)為全場處于限電狀態(tài)。用公式可表示為：

式中，Pfarm為全場理論功率，Pset為電網(wǎng)調(diào)度下發(fā)的全場目標(biāo)功率。

根據(jù)風(fēng)電場限電狀態(tài)的判斷方法，統(tǒng)計(jì)一年內(nèi)風(fēng)電場的出力規(guī)律、限電規(guī)律。結(jié)合全年發(fā)電數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場限電規(guī)律進(jìn)行具體分析，統(tǒng)計(jì)全年的限電規(guī)律，結(jié)合全年限電整體特征規(guī)律，整理月度、日度限電規(guī)律。

二、儲(chǔ)能系統(tǒng)特性

從實(shí)時(shí)功率和可用容量的角度可將儲(chǔ)能分為功率型儲(chǔ)能和能量型儲(chǔ)能，功率型儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)大功率充放電，能量型儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間內(nèi)小功率充放電。針對(duì)不同的應(yīng)用場景，需要選用不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)。對(duì)于棄風(fēng)限電的場景，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要在較長時(shí)間內(nèi)持續(xù)吸收或釋放能量，此時(shí)，需要選用較高容量密度、較長額定功率充放電時(shí)間的能量型儲(chǔ)能系統(tǒng)，比如鋰電池、鉛酸電池、鉛炭電池、抽水蓄能等。相比其他幾種類型的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于鉛炭電池循環(huán)次數(shù)較高、度電成本低、安全性高，因此，在工程實(shí)踐中被廣泛采用。

目前，在制定控制策略時(shí)，極少會(huì)充分考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的充放電特性。部分文獻(xiàn)采用的是儲(chǔ)能電池恒功率充放電控制方法，沒有考慮到儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電和容量特征，從而造成儲(chǔ)能電池利用率的損失。

表1 風(fēng)電場限電特征參數(shù)

本文基于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的特征，對(duì)其經(jīng)濟(jì)利用率的最佳特征點(diǎn)進(jìn)行分析。

算例分析

結(jié)合風(fēng)電場棄風(fēng)限電的規(guī)律以及電池自身特性制定合理的控制策略，在風(fēng)電場限電時(shí)將能量存入儲(chǔ)能系統(tǒng)，在不限電時(shí)讓儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量；同時(shí)結(jié)合電池的循環(huán)深度與壽命的關(guān)系、充放電倍率與放電容量的關(guān)系，在電池全生命周期內(nèi)充分利用儲(chǔ)能系統(tǒng)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

風(fēng)電場的限電規(guī)律也影響著風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)控制策略的制定。下面就大慶中丹風(fēng)電場進(jìn)行特征分析。調(diào)取了該風(fēng)電場2015年11月至2016年10月的一整年實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。

該風(fēng)電場共有132臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組，根據(jù)一年內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析風(fēng)電場風(fēng)能資源、運(yùn)行調(diào)度及棄風(fēng)限電規(guī)律。所收集的數(shù)據(jù)為該風(fēng)電場每間隔十分鐘的全場目標(biāo)有功、全場實(shí)際發(fā)電功率、全場平均風(fēng)速，以及全場運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。

現(xiàn)統(tǒng)計(jì)該風(fēng)電場一年風(fēng)速變化規(guī)律、限電規(guī)律。如圖1所示，最大風(fēng)速主要集中在3至5月，限電損失也主要集中在這幾個(gè)月。3月的限電損失達(dá)到全年峰值，接近3000萬千瓦時(shí)，4月的限電損失近2694萬千瓦時(shí)。12月到2月的理論發(fā)電量雖然相對(duì)較少，但是也有超過一半的電量被限掉，1月限電達(dá)1576萬千瓦時(shí)，2月也超過1100萬千瓦時(shí)，其他月份的限電電量在271萬至976萬千瓦時(shí)之間。對(duì)整體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全年限電達(dá)12112.5萬千瓦時(shí)，占理論發(fā)電量的31%。

結(jié)合全年發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表具體分析風(fēng)電場限電規(guī)律，全年一共限電644次，限電時(shí)間共約1993小時(shí)，占其運(yùn)行時(shí)間的25%，平均每次限電時(shí)長3.1小時(shí)，其中最長限電時(shí)間超過69小時(shí)。在所有限電數(shù)據(jù)中，限電超過1小時(shí)以上占49%，限電半小時(shí)以上占62%。統(tǒng)計(jì)全年限電數(shù)據(jù)如表2。

根據(jù)棄風(fēng)限電規(guī)律可知，該風(fēng)電場棄風(fēng)限電呈現(xiàn)季節(jié)性變化以及晝夜性變化，圖3以及圖4為12個(gè)月的限電開始及結(jié)束時(shí)刻分析，以 20∶00 － 8∶00 為夜間，8∶00 － 20∶00為白天來進(jìn)行時(shí)段的劃分，可以看出，夜間開始限電、夜間結(jié)束限電占大部分比例，在限電嚴(yán)重的冬季，白天限電次數(shù)也明顯多于夏季，但小于同期夜間次數(shù)。

圖1 2015年11月至2016年10月的平均風(fēng)速

圖2 2015年11月至2016年10月的每月發(fā)電數(shù)據(jù)

表2 全年發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

此外，在棄風(fēng)嚴(yán)重的冬季每日限電呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，如圖5所示為比較典型的曲線。該曲線表示的是調(diào)度指令與理論功率的差值，如果值大于0則說明不限電，如果值小于0則說明限電。由圖5所示典型曲線可知，夜間出現(xiàn)長時(shí)間限電，日間長時(shí)間處于不限電狀態(tài)。

以某電池廠商提供的數(shù)據(jù)，對(duì)1.2MWh鉛炭電池循環(huán)次數(shù)與充放電深度以及電池可放電容量與放電倍率進(jìn)行分析。

表4為鉛炭電池在滿充情況下采用不同的倍率恒流放電所能夠放出的容量。由圖可知，當(dāng)電池放電倍率越小，電池可放電容量越大。

設(shè)電池單次放電能量為E0，放電倍率為P。從表4得到P越小，E0越大。

圖6為電池在恒定放電電流、不同溫度下循環(huán)次數(shù)N與充放電深度DoD之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。假設(shè)電池以恒定溫度、恒定倍率、恒定充放電深度進(jìn)行充放電，則其生命周期內(nèi)可放電能量為：

現(xiàn)取其中30℃環(huán)境下放電深度與循環(huán)次數(shù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，如表5所示。

由表5可知，在恒定溫度、恒定充放電倍率下，鉛炭電池在生命周期內(nèi)所能夠釋放的總能量在放電深度為0.3～0.6時(shí)，其能夠釋放的總能量較多，在0.7以上則會(huì)迅速減少。這意味盡可能避免電池過度深充深放，同時(shí)也要避免過于頻繁地淺充淺放。

結(jié)合上述分析可知，為使儲(chǔ)能電池在生命周期內(nèi)盡可能多地釋放電能，需要每次以小功率充放電，同時(shí)使放電深度控制在0.6以內(nèi)。

圖3 12個(gè)月限電開始時(shí)刻的次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 12個(gè)月限電結(jié)束時(shí)刻的次數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖5 日限電特性典型曲線（2015年11月4日）

表3 每月限電統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表4 鉛炭電池的放電倍率與可用容量之間的關(guān)系

表5 30℃環(huán)境下鉛炭電池循環(huán)次數(shù)與總能量的關(guān)系

控制策略

結(jié)合儲(chǔ)能電池自身特性，為了每次充分利用其容量，需盡可能使用小功率充放電，因此，在限電高峰期，可在限電較長時(shí)段采用小功率進(jìn)行循環(huán)充放電，以使儲(chǔ)能電池每次充放電能量都能達(dá)到最大。

根據(jù)以上分析，現(xiàn)提出以下基于調(diào)度預(yù)測(cè)及風(fēng)功率預(yù)測(cè)的最優(yōu)化儲(chǔ)能充放電策略：

算法流程圖如圖7所示，在每一個(gè)調(diào)度周期的起始時(shí)刻，通過歷史數(shù)據(jù)以及天氣預(yù)測(cè)信息預(yù)測(cè)未來T時(shí)間段內(nèi)的調(diào)度功率曲線Pset及風(fēng)功率曲線Pwind，根據(jù)調(diào)度功率與風(fēng)功率相減可得到限電曲線Pcut＝Pwind－Pset，若Pcut＞0，表示處于限電狀態(tài)；若Pcut＜0，表示處于非限電狀態(tài)。設(shè)限電曲線中第一段持續(xù)限電或不限電的時(shí)間為?T。設(shè)儲(chǔ)能最大充電功率為Pcmax，最大放電功率為Pdmax（充電為正，放電為負(fù)）。設(shè)電池SOC范圍為SOCmin＜SOC＜SOCmax，電池容量為C，當(dāng)前決策儲(chǔ)能充放電功率為Pbat。

若當(dāng)前決策處于充電時(shí)段，則：

若當(dāng)前決策處于放電時(shí)段，則：

仿真分析

該風(fēng)電場系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖8所示，風(fēng)電場配置1.2MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)其過去一年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，現(xiàn)采取兩種控制策略進(jìn)行仿真分析，第一種不考慮以預(yù)測(cè)限電時(shí)長為依據(jù)設(shè)定充放電倍率，始終以允許最大充放電倍率對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，第二種策略以預(yù)測(cè)限電時(shí)長調(diào)整充放電倍率。首先采用二次曲線擬合，根據(jù)可用容量與放電電流對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)可擬合出電池可用容量與充放電功率之間的關(guān)系。

圖6 鉛炭電池在不同放電深度下的循環(huán)次數(shù)

圖7 控制策略流程圖

圖8 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

當(dāng)電池充電時(shí)，電池可放出的容量BatC為：

當(dāng)電池放電時(shí)，電池可放出的容量BatD為：

當(dāng)采用第一種策略時(shí)，基于風(fēng)電場一年的歷史數(shù)據(jù)，儲(chǔ)能系統(tǒng)一共釋放2.0274e+05kWh電量。

當(dāng)采用第二種策略時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)一共釋放2.7280e+05kWh電量，說明后一種可以充分利用儲(chǔ)能容量與充放電倍率關(guān)系提升儲(chǔ)能放電電量，從而在項(xiàng)目生命周期內(nèi)增加收益。

攝影：王寶義

結(jié)論

本文針對(duì)風(fēng)電場運(yùn)行規(guī)律和儲(chǔ)能系統(tǒng)特性開展研究，風(fēng)電場的棄風(fēng)限電呈現(xiàn)出一定的季節(jié)性和周期性，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電容量與充放電倍率存在顯著的關(guān)系?；诜治鼋Y(jié)果，針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)度提出一種基于風(fēng)功率預(yù)測(cè)和調(diào)度預(yù)測(cè)的儲(chǔ)能充放電控制方法，基于該方法可實(shí)現(xiàn)在風(fēng)電場應(yīng)用場景中充分地利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命周期內(nèi)增加其充放電容量，從而提升系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。