靳雯皓，劉繼春，劉俊勇

（四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，成都610065）

0 引 言

能源需求量與日俱增、傳統(tǒng)化石能源日益枯竭以及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題使得人們更加關(guān)注風(fēng)能、太陽能等清潔能源的發(fā)展［1-3］。然而，清潔能源固有的波動(dòng)性、隨機(jī)性、間歇性等缺點(diǎn)不利于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，制約了清潔能源的大規(guī)模并網(wǎng)消納［4-5］。

儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能等清潔能源并網(wǎng)消納的一種重要途徑。文獻(xiàn)［6］基于小波包分解的方法對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行分解，令低頻功率作為并網(wǎng)功率，高頻功率繼續(xù)分解為次高頻和最高頻功率波動(dòng)分別由蓄電池和超級(jí)電容器補(bǔ)償。文獻(xiàn)［7］基于離散傅里葉變換對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行頻譜分析以確定儲(chǔ)能裝置容量配置及系統(tǒng)最小備用容量，在平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上緩解備用機(jī)組負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)［8］通過小波包分解法得到光伏功率信號(hào)細(xì)節(jié)，分析光伏功率的幅頻特性，將光伏功率分解為不同頻段波動(dòng)分量，利用功率型儲(chǔ)能裝置和能量型儲(chǔ)能裝置組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑輸出功率波動(dòng)。文獻(xiàn)［9］提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的儲(chǔ)能裝置平抑波動(dòng)方法，將風(fēng)電出力分解為高頻分量由儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償和低頻分量并入電網(wǎng)，以儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)和并網(wǎng)功率波動(dòng)率為約束條件實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法的濾波階數(shù)最佳選擇。傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)研究多采用小波包分解、濾波器濾波、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解及頻譜分析法等不同分頻方法將清潔能源出力分解為不同頻段功率波動(dòng)分別由功率型和能量型儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償，雖可實(shí)現(xiàn)功率波動(dòng)平抑，但未考慮能量型儲(chǔ)能設(shè)備壽命損耗過大、成本投資過高等問題。

為了減小儲(chǔ)能裝置壽命損耗，提高其運(yùn)行年限，已有學(xué)者針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略開展了研究。文獻(xiàn)［10］提出基于加權(quán)移動(dòng)平均濾波算法的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，依據(jù)蓄電池荷電狀態(tài)及風(fēng)電功率波動(dòng)程度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)及濾波帶寬，采用模糊控制法設(shè)計(jì)在線控制策略，實(shí)時(shí)調(diào)整蓄電池功率，維持蓄電池荷電狀態(tài)于規(guī)定范圍內(nèi)。文獻(xiàn)［11］提出了一種基于變平滑時(shí)間常數(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法，采用一階低通濾波器對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行濾波，通過蓄電池荷電狀態(tài)反饋，使其在平抑功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上減小蓄電池過充、過放次數(shù)。文獻(xiàn)［12］通過波動(dòng)率智能化分段實(shí)現(xiàn)平滑時(shí)間常數(shù)的選擇，基于蓄電池SOC反饋保證蓄電池運(yùn)行狀態(tài)，最大限度發(fā)揮蓄電池對(duì)清潔能源出力波動(dòng)的平抑能力。文獻(xiàn)［13］提出了一種儲(chǔ)能系統(tǒng)主動(dòng)控制策略，基于微網(wǎng)負(fù)荷短期預(yù)測(cè)在考慮蓄電池充放電次數(shù)及充放電特性的條件下，主動(dòng)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電。文獻(xiàn)［14］采用低通濾波時(shí)間常數(shù)追蹤荷電狀態(tài)的功率確定方法，基于模糊控制理論確定功率偏差，當(dāng)超級(jí)電容器的電量充足時(shí)獨(dú)立平抑功率偏差值，降低蓄電池的充放電次數(shù)。上述文獻(xiàn)通過儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略避免蓄電池出現(xiàn)過充、過放，減小蓄電池充放電次數(shù)，進(jìn)而降低蓄電池壽命損耗。

因此，本文基于傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)及其相關(guān)控制策略研究，提出了一種“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過滑動(dòng)平均法濾波得到平滑的并網(wǎng)功率，采用頻譜分析法將波動(dòng)功率分解為高頻和低頻功率波動(dòng)。其中，超級(jí)電容器用于平抑高頻功率波動(dòng)，三組蓄電池中的兩組作為充放組用于交替平抑低頻正、負(fù)功率波動(dòng)，最后一組蓄電池作為補(bǔ)充組即充放組蓄電池的補(bǔ)充。仿真結(jié)果表明，本文提出的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑，使其滿足并網(wǎng)波動(dòng)限制要求，與其他儲(chǔ)能方案相比具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

1．1 功率分解

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)》規(guī)定［15］，裝機(jī)容量低于30 MW的風(fēng)電場(chǎng)，1 min最大有功功率波動(dòng)限值為3 MW，10 min最大有功功率波動(dòng)限值為10 MW，即1 min最大功率波動(dòng)率不得超過10%，10 min最大功率波動(dòng)率不得超過33%。本文風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為30 MW，以該標(biāo)準(zhǔn)作為約束條件限制并網(wǎng)功率波動(dòng)。

采用滑動(dòng)平均法平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，窗口長(zhǎng)度值將影響并網(wǎng)功率平滑程度及儲(chǔ)能成本投資。窗口長(zhǎng)度過大，則儲(chǔ)能系統(tǒng)所平抑的波動(dòng)功率較大，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置及儲(chǔ)能成本投資過高；窗口長(zhǎng)度過小，則并網(wǎng)功率波動(dòng)較大，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不利影響，不能滿足并網(wǎng)要求。

式中Pgrid（t）為并網(wǎng)功率；Pw（k）為原始風(fēng)電功率；窗口長(zhǎng)度值為T。

通過滑動(dòng)平均法濾波控制，可使原始風(fēng)電功率分解為并網(wǎng)功率及波動(dòng)功率，并網(wǎng)功率的波動(dòng)率滿足要求接入電力系統(tǒng)，波動(dòng)功率由儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑。其表達(dá)式為：

式中Phess為波動(dòng)功率即儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑功率。

波動(dòng)功率由超級(jí)電容器和蓄電池補(bǔ)償，本文通過頻譜分析法對(duì)波動(dòng)功率進(jìn)行分頻處理。首先，對(duì)波動(dòng)功率做傅里葉變換，可得到其幅度Shess和頻率fhess分別為：

頻率分?jǐn)帱c(diǎn)的選取將影響超級(jí)電容器和蓄電池的功率、容量配置及系統(tǒng)成本投入。因此，本文綜合已有文獻(xiàn)［16-17］的研究，選取頻率分?jǐn)帱c(diǎn)為1．67 mHz。令超級(jí)電容器平抑頻段內(nèi)的幅值不變，平抑頻段外的幅值置零，對(duì)超級(jí)電容器的幅值結(jié)果做傅里葉反變換，可得超級(jí)電容器充放電功率為：

式中IDFT表示傅里葉反變換。

進(jìn)一步可得，蓄電池充放電功率為：

1．2 容量配置

儲(chǔ)能裝置充放電過程中存在功率損耗，根據(jù)儲(chǔ)能裝置充放電效率及實(shí)時(shí)功率可確定儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際充放電功率Px，n，x=（1，2）分別表示超級(jí)電容器和蓄電池。

式中Px（n）為相應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)n時(shí)刻充放電功率；ηx，1為儲(chǔ)能裝置充電效率；ηx，2為儲(chǔ)能裝置放電效率。

整個(gè)樣本數(shù)據(jù)周期內(nèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際充放電功率絕對(duì)值的最大值為其相應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)所應(yīng)具備的最大充放電功率即額定功率。

式中Px為相應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率。

儲(chǔ)能裝置容量配置過小，會(huì)導(dǎo)致部分波動(dòng)功率不能被平抑，并網(wǎng)功率平滑程度低，風(fēng)電資源浪費(fèi)；儲(chǔ)能裝置容量配置過大，會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能資源浪費(fèi)，成本投資過高。因此，儲(chǔ)能裝置容量配置不僅影響系統(tǒng)成本投入，同時(shí)影響并網(wǎng)功率的電能質(zhì)量，本文儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置方法如下［18］：

首先，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際充放電功率，對(duì)各采樣點(diǎn)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電電量進(jìn)行累積，得到儲(chǔ)能系統(tǒng)在各采樣點(diǎn)的累積能量。

式中Δt為采樣時(shí)間間隔；Ex，n為儲(chǔ)能裝置n時(shí)刻累積能量。

為了保證儲(chǔ)能裝置工作于最佳狀態(tài)，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置留有10%的裕度，儲(chǔ)能系統(tǒng)累積能量最大值為max（Ex，n），累積能量最小值為 min（Ex，n），考慮儲(chǔ)能裝置荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）約束，儲(chǔ)能系統(tǒng)所應(yīng)具備的容量即額定容量為：

式中SOCx，max為荷電狀態(tài)上限約束值；SOCx，min為荷電狀態(tài)下限約束值。

初始荷電狀態(tài)值SOCx，0由荷電狀態(tài)上、下限約束值共同確定，其表達(dá)式為：

本文采用了“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，超級(jí)電容器功率、容量配置可依據(jù)上述方法求得。而蓄電池分為充放組（即蓄電池組1、蓄電池組2）和補(bǔ)充組（蓄電池組3），為了避免能量浪費(fèi)三組蓄電池額定功率均采用上述配置方法，考慮到充放組蓄電池需進(jìn)行充放電工作狀態(tài)交換，設(shè)定其容量配置相同。三組蓄電池容量配置關(guān)系如式（11）所示。

式中Ebat1、Ebat2、Ebat3分別為充放組蓄電池組1、組2及補(bǔ)充組蓄電池組3的額定容量；β為容量配置系數(shù)且0＜β＜0．5。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

2．1 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

蓄電池的使用壽命主要由其充放電狀態(tài)切換次數(shù)、單次最大充放電深度及充放電速率等因素決定［19］。隨著充放電狀態(tài)切換次數(shù)增加蓄電池使用壽命將減小，為提高儲(chǔ)能裝置的使用效率，應(yīng)降低其充放電狀態(tài)切換次數(shù)，盡量使每次充放電可達(dá)到其最大充放電深度，使蓄電池經(jīng)歷完整的充放電周期。

本文提出的“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，令超級(jí)電容器平抑高頻功率波動(dòng)，三組蓄電池分為充放組蓄電池和補(bǔ)充組蓄電池，充放組的兩組蓄電池分別處于充、放電狀態(tài)，當(dāng)任意一組達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值，則停止該組蓄電池工作并由補(bǔ)充組蓄電池接替其繼續(xù)工作，直至另外一充放組蓄電池也達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值，同時(shí)交換兩組充放組蓄電池的初始充放電狀態(tài)，此時(shí)補(bǔ)充組蓄電池同步停止工作進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。以此，既可實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電狀態(tài)切換次數(shù)的優(yōu)化，又可以保證每次充放電達(dá)到其最大充放電深度，使蓄電池經(jīng)歷完整的充放電周期，提高循環(huán)使用壽命。

圖1中Pcap為超級(jí)電容器充放電功率；Pbat1、Pbat2分別為充放組蓄電池組1、組2充放電功率；Pbat3為補(bǔ)充組蓄電池組3充放電功率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Schematic diagram of system structure

2．2 控制策略流程圖

蓄電池工作狀態(tài)分為充電模式、放電模式、待機(jī)模式三種模式，當(dāng)功率波動(dòng)大于零由充電模式蓄電池補(bǔ)償波動(dòng)，當(dāng)功率波動(dòng)小于零由放電模式蓄電池補(bǔ)償波動(dòng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)充放組兩組蓄電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)任意一組達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值，則該組蓄電池進(jìn)入待機(jī)模式由補(bǔ)充組蓄電池接替其繼續(xù)工作，直至另外一組充放組蓄電池也達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值，同時(shí)交換充放組兩組蓄電池的初始充、放電工作模式，此時(shí)補(bǔ)充組蓄電池同步進(jìn)入待機(jī)模式，具體控制策略流程圖如圖2所示。

圖2 控制策略流程圖Fig．2 Flow chart of control strategy

以充放組蓄電池組1為充電模式，充放組蓄電池組2為放電模式，補(bǔ)充組蓄電池組3為待機(jī)模式為例。若充放組蓄電池組1首先達(dá)到荷電狀態(tài)上限約束值（即達(dá)到滿充），則補(bǔ)充組蓄電池組3接替充放組蓄電池組1進(jìn)入充電模式，充放組蓄電池組1進(jìn)入待機(jī)模式，直至充放組蓄電池組2達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值（即達(dá)到滿放），此時(shí)充放組蓄電池組1進(jìn)入放電模式，充放組蓄電池組2進(jìn)入充電電模式，補(bǔ)充組蓄電池組3進(jìn)入待機(jī)模式；若充放組蓄電池組2首先達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值（即達(dá)到滿放），則補(bǔ)充組蓄電池組3接替充放組蓄電池組2進(jìn)入放電模式，充放組蓄電池組2進(jìn)入待機(jī)模式，直至充放組蓄電池組1達(dá)到荷電狀態(tài)上限約束值（即達(dá)到滿充），此時(shí)充放組蓄電池組1進(jìn)入放電模式，充放組蓄電池組2進(jìn)入充電電模式，補(bǔ)充組蓄電池組3進(jìn)入待機(jī)模式；若充放組蓄電池組1、組2均處于荷電狀態(tài)上、下限約束值范圍內(nèi)，則三組蓄電池均保持上一時(shí)刻工作模式。通過充放組與補(bǔ)充組蓄電池交替平抑低頻正、負(fù)功率波動(dòng)，完成了充放組蓄電池完整的充放電周期交替，有效降低其充放電狀態(tài)切換次數(shù)，提高儲(chǔ)能裝置循環(huán)使用壽命。

2．3 控制策略分析

高頻功率波動(dòng)由超級(jí)電容器平抑，低頻功率波動(dòng)由蓄電池平抑，為了減小蓄電池壽命損耗本文采用三組蓄電池完成平抑工作。截取研究周期內(nèi)某一時(shí)間段，以該時(shí)間段為例介紹儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，控制策略示意圖如圖3所示，由圖3可知該時(shí)間段可分為六個(gè)小片段。

圖3 控制策略示意圖Fig．3 Schematic diagram of control strategy

（1）a-b片段。

充放組蓄電池組1處于充電模式，充放組蓄電池組2處于放電模式，且組1、組2均未達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值，補(bǔ)充組蓄電池組3處于待機(jī)模式。

（2）b-c片段。

b時(shí)刻充放組蓄電池組1達(dá)到荷電狀態(tài)上限約束值，充放組蓄電池組2未達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值，組1已達(dá)滿充停止工作，補(bǔ)充組蓄電池組3接替組1進(jìn)入充電模式，組1進(jìn)入待機(jī)模式，組2保持放電模式。

（3）c-d片段。

c時(shí)刻充放組蓄電池組2達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值，此時(shí)刻充放組蓄電池組1已達(dá)滿充，組2已達(dá)滿放，均經(jīng)歷了完整的充放電周期，組1、組2分別切換至放電模式、充電模式，補(bǔ)充組蓄電池組3切回至待機(jī)模式。

（4）d-e片段。

d時(shí)刻充放組蓄電池組2達(dá)到荷電狀態(tài)上限約束值，充放組蓄電池組1未達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值，組2已達(dá)滿充停止工作，補(bǔ)充組蓄電池組3接替組2進(jìn)入充電模式，組2進(jìn)入待機(jī)模式，組1保持放電模式。

（5）e-f片段。

e時(shí)刻充放組蓄電池組1達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值，此時(shí)刻充放組蓄電池組2已達(dá)滿充，組1已達(dá)滿放，均經(jīng)歷了完整的充放電周期，組1、組2分別切換至充電模式、放電模式，補(bǔ)充組蓄電池組3切回至待機(jī)模式。

（6）f-g片段。

f時(shí)刻充放組蓄電池組2達(dá)到荷電狀態(tài)下限約束值，充放組蓄電池組1未達(dá)到荷電狀態(tài)上限約束值，組2已達(dá)滿放停止工作，補(bǔ)充組蓄電池組3接替組2進(jìn)入放電模式，組2進(jìn)入待機(jī)模式，組1保持充電模式。

由此可知，充放組蓄電池每次充放電工作狀態(tài)切換時(shí)，均達(dá)到了荷電狀態(tài)上、下限約束值即都經(jīng)歷了完整的充放電周期，降低了其充放電工作狀態(tài)的切換次數(shù)，進(jìn)而減小了蓄電池運(yùn)行過程中的壽命損耗。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)成本

儲(chǔ)能裝置可有效平抑風(fēng)電輸出功率波動(dòng)，改善并網(wǎng)功率電能質(zhì)量，提高風(fēng)電資源的并網(wǎng)消納率。但成本投入過高、效益回報(bào)不明確等限制了儲(chǔ)能系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。在保證儲(chǔ)能系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本投入是目前亟待解決的問題，因此，本文構(gòu)建了儲(chǔ)能系統(tǒng)成本模型以驗(yàn)證本方案經(jīng)濟(jì)性。綜合考慮影響儲(chǔ)能系統(tǒng)成本投入的三個(gè)主要部分即購(gòu)置成本、損耗成本、運(yùn)維成本［20-21］。儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合成本表達(dá)式為：

式中Cciv為超級(jí)電容器購(gòu)置成本；Cbiv為蓄電池購(gòu)置成本；Cyw為運(yùn)維成本；Cdep為損耗成本。

（1）購(gòu)置成本。

購(gòu)置成本即初始投資成本，指儲(chǔ)能裝置建設(shè)時(shí)期投入的成本資金，該成本與儲(chǔ)能裝置自身的功率和容量相關(guān)［22］，本文系統(tǒng)模型包括超級(jí)電容器購(gòu)置成本和蓄電池購(gòu)置成本。

式中αciv、αbiv分別為超級(jí)電容器、蓄電池功率成本系數(shù)；βciv、βbiv分別為超級(jí)電容器、蓄電池容量成本系數(shù)；Pcap、Pbat、Ecap、Ebat分別為超級(jí)電容器、蓄電池系統(tǒng)額定功率和額定容量。

（2）損耗成本。

損耗成本是指將儲(chǔ)能裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的壽命損耗等效折算為相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本損耗，超級(jí)電容器循環(huán)使用壽命可達(dá)20年，與蓄電池相比有更多的循環(huán)使用次數(shù)［23］。因此，僅需要考慮蓄電池壽命損耗所造成的經(jīng)濟(jì)成本損耗。蓄電池充放電深度為D時(shí)，相應(yīng)的循環(huán)充放電次數(shù)表達(dá)式為：

式中 α1、α2、α3、α4、α5為相關(guān)特性參數(shù)。

蓄電池循環(huán)充放電一次，損耗的壽命可表示為1／Nbat，由此可得，研究周期內(nèi)損耗壽命總值為：

式中Nb為循環(huán)充放電次數(shù)。

進(jìn)一步可得，蓄電池壽命損耗所造成的經(jīng)濟(jì)成本損耗為：

式中Tc為研究周期時(shí)長(zhǎng)。

（3）運(yùn)維成本。

儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中隨著儲(chǔ)能設(shè)備的使用需要花費(fèi)額外的維護(hù)費(fèi)用，即為保證儲(chǔ)能裝置在使用周期內(nèi)正常運(yùn)行而投入的資金，運(yùn)維成本與儲(chǔ)能裝置容量配置有關(guān)［24］。

式中γcap、γbat分別為超級(jí)電容器、蓄電池單位容量運(yùn)行維護(hù)成本系數(shù)。

4 案例仿真

為了驗(yàn)證本文提出的“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及可行性，選取某風(fēng)電場(chǎng)某日的歷史輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

采用滑動(dòng)平均法平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，窗口長(zhǎng)度值是滑動(dòng)平均法重要參數(shù)，本文以1 min、10 min間隔的并網(wǎng)功率波動(dòng)率為約束條件，確定同時(shí)滿足兩種時(shí)間間隔波動(dòng)率要求的最小窗口長(zhǎng)度值。以此，既可保證并網(wǎng)功率波動(dòng)率滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，又可保證儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑的波動(dòng)功率不會(huì)過大，即儲(chǔ)能系統(tǒng)成本投資不會(huì)過高。不同窗口長(zhǎng)度值下的1 min、10 min間隔最大功率波動(dòng)率如圖4所示。

表1 相關(guān)參數(shù)Tab．1 Relative parameters

圖4 1 min、10 min間隔最大功率波動(dòng)率Fig．4 1 min，10 min interval maximum power fluctuation rate

由圖4可以看出，隨窗口長(zhǎng)度值增加，1 min、10 min間隔最大波動(dòng)率快速下降。當(dāng)窗口長(zhǎng)度值為12，1 min間隔最大波動(dòng)率為9．628%滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)窗口長(zhǎng)度值為15，10 min間隔最大波動(dòng)率為32．68%滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。為使1 min、10 min間隔波動(dòng)率均滿足要求，且減小儲(chǔ)能裝置平抑的波動(dòng)功率，應(yīng)選取同時(shí)滿足1 min、10 min間隔波動(dòng)率的最小窗口長(zhǎng)度值，即本文選取其值為15。

通過滑動(dòng)平均法濾除波動(dòng)功率可實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率平滑控制，提高并網(wǎng)功率電能質(zhì)量，控制結(jié)果如圖 5所示。

圖5 風(fēng)電功率與并網(wǎng)功率Fig．5 Wind power and grid-connected power

由圖5可以看出，原始風(fēng)電功率波動(dòng)性較大，通過滑動(dòng)平均法濾除波動(dòng)功率，降低了原始風(fēng)電功率的波動(dòng)率，為大規(guī)模風(fēng)電功率并網(wǎng)提供了可能，原始風(fēng)電功率及并網(wǎng)功率波動(dòng)率比較如圖6所示，具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 功率波動(dòng)統(tǒng)計(jì)表Tab．2 Power fluctuation statistics

由圖6、表2可知，相較于原始風(fēng)電功率，并網(wǎng)功率波動(dòng)率大幅度下降，平抑波動(dòng)后的1 min、10 min間隔最大波動(dòng)率分別為8．41%、32．68%均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，最大功率波動(dòng)率分別降低了21．83%、22．76%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)并網(wǎng)功率波動(dòng)的有效控制。

通過頻譜分析法將波動(dòng)功率分解為高、低頻波動(dòng)分量，由圖7可知，高頻波動(dòng)由超級(jí)電容器補(bǔ)償，低頻波動(dòng)由蓄電池補(bǔ)償，避免了頻繁的充放電對(duì)蓄電池運(yùn)行壽命的影響。

圖6 1 min、10 min間隔功率波動(dòng)率Fig．6 1 min， 10 min interval power fluctuation rate

圖7 功率分配曲線Fig．7 Curves of power distribution

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池分為充放組和補(bǔ)充組，容量配置系數(shù)的選取將影響充放組蓄電池組1、組2及補(bǔ)充組蓄電池組3的容量配置，進(jìn)而會(huì)影響并網(wǎng)功率平滑程度及系統(tǒng)成本投入。因此，本文基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本模型研究不同容量配置系數(shù)下的成本投入，選擇最優(yōu)蓄電池容量配置系數(shù)，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同容量配置系數(shù)下的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本Fig．8 Cost of the system under different capacity configuration factors

由圖8可知，本方案儲(chǔ)能系統(tǒng)成本投入隨著容量配置系數(shù)增加呈現(xiàn)先減小后增大變化趨勢(shì)，當(dāng)容量配置系數(shù)取值0．368時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本投入達(dá)最小值6．43千萬元。因此，本文選取容量配置系數(shù)為0．368，此系數(shù)下充放組蓄電池組1、組2容量配置為5．84 MW·h，補(bǔ)充組蓄電池組3容量配置為4．19 MW·h。采用三組蓄電池對(duì)低頻功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，三組蓄電池荷電狀態(tài)變化如圖9所示。

圖9 蓄電池荷電狀態(tài)Fig．9 State of charge of battery

由圖9可以看出，充放組蓄電池組1、組2及補(bǔ)充組蓄電池組3的荷電狀態(tài)被控制在荷電狀態(tài)上、下限約束值范圍之內(nèi)，避免了蓄電池出現(xiàn)過充、過放而造成的壽命損耗。當(dāng)任意一組充放組蓄電池達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值時(shí)，由補(bǔ)充組蓄電池接替其工作，避免了充放組蓄電池繼續(xù)工作而出現(xiàn)的過充、過放現(xiàn)象。充放組蓄電池的充放電工作狀態(tài)進(jìn)行交換時(shí)，兩組蓄電池都已經(jīng)達(dá)到滿充、滿放，保證了兩組蓄電池都經(jīng)歷了完整的充放電周期，減小了充放電工作狀態(tài)切換次數(shù)，提高了其循環(huán)使用壽命。

為了驗(yàn)證本文新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，本文設(shè)計(jì)了3組對(duì)比方案，方案I：超級(jí)電容器儲(chǔ)能，方案II：蓄電池儲(chǔ)能，方案III：超級(jí)電容器+蓄電池儲(chǔ)能，結(jié)果如表3所示。

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置結(jié)果Tab．3 Configuration results of energy storage system

由表3可以看出，相較于方案I，方案III儲(chǔ)能系統(tǒng)成本降低了47．94%，采用超級(jí)電容器平抑幅值過大的功率波動(dòng)導(dǎo)致其容量配置增加，由于超級(jí)電容器容量成本系數(shù)高，故成本投資將會(huì)增加。相較于方案II，方案III儲(chǔ)能系統(tǒng)成本降低了23．85%，蓄電池作為能量型儲(chǔ)能裝置，功率密度低，高頻波動(dòng)使蓄電池頻繁充放電，增大了其壽命損耗。采用“超級(jí)電容器+蓄電池”組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充分發(fā)揮了超級(jí)電容器和蓄電池的儲(chǔ)能特性，故其成本低于單一超級(jí)電容器或單一蓄電池組成的儲(chǔ)能系統(tǒng)。相較于方案III，本方案儲(chǔ)能系統(tǒng)成本降低了24．57%，本方案使得蓄電池可以經(jīng)歷完整的充放電周期，通過交替平抑正、負(fù)功率波動(dòng)降低了蓄電池充放電工作狀態(tài)的切換次數(shù)，極大程度降低了其壽命損耗。

5 結(jié)束語

本文提出了一種“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平抑風(fēng)電功率波動(dòng)，提高并網(wǎng)功率平滑程度。三組蓄電池中的兩組充放組蓄電池用于交替平抑低頻正、負(fù)功率波動(dòng)，最后一組補(bǔ)充組蓄電池作為補(bǔ)充，當(dāng)任意一充放組蓄電池達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值接替其繼續(xù)工作，直至另外一充放組蓄電池也達(dá)到荷電狀態(tài)上、下限約束值時(shí)，同步交換兩組充放組蓄電池充放電工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)其滿充、滿放，以降低充放電工作狀態(tài)頻繁的切換導(dǎo)致的壽命損耗，超級(jí)電容器用以實(shí)現(xiàn)高頻功率波動(dòng)的平抑。最后，通過某風(fēng)電場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論。

（1）“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)原始風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑，通過滑動(dòng)平均法濾波得到平滑的并網(wǎng)功率，提高了并網(wǎng)功率的電能質(zhì)量，增大了風(fēng)電資源的消納率；

（2）相對(duì)于傳統(tǒng)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，“一組超級(jí)電容器+三組蓄電池”組成的新型混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可大幅度降低蓄電池充放電工作狀態(tài)切換次數(shù)，并使蓄電池經(jīng)歷完整的充放電周期，延長(zhǎng)了儲(chǔ)能裝置循環(huán)使用壽命，減小了成本投資；

（3）蓄電池容量配置系數(shù)具有可調(diào)性，可根據(jù)不同地區(qū)不同的清潔能源特性選擇合適的系數(shù)值，實(shí)現(xiàn)三組蓄電池的容量配置選擇。