詹仲強，付菊霞

(1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

風(fēng)能有別于化石能源，具有清潔、可再生等特

科技項目：新疆維吾爾自治區(qū)高校科研重點項目(XJEDU20181005)

點，受到各國的廣泛關(guān)注[1]，已成為中國電力發(fā)展的主要方向。但風(fēng)能發(fā)電具有隨機波動特性，嚴(yán)重影響大規(guī)模風(fēng)電友好并網(wǎng)[2]，因此有必要采用儲能系統(tǒng)維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[3]。

儲能系統(tǒng)的主要功能是彌補能量的過剩與不足。目前，單一儲能形式已不能在風(fēng)能發(fā)電應(yīng)用中同時滿足儲存容量大、響應(yīng)速度快的要求[4-5]?；诖耍Y(jié)合蓄電池能量密度大和超級電容功率密度高的特點，采用蓄電池-超級電容構(gòu)成的混合儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動，使兩者優(yōu)勢互補，達到最優(yōu)平抑效果。

文獻[6-7]通過低通濾波方法獲得目標(biāo)并網(wǎng)功率和儲能系統(tǒng)功率指令，但風(fēng)速隨機變化，使得低通濾波時間常數(shù)難以確定，可能存在頻率混疊現(xiàn)象，不能精確提取風(fēng)功率信號特征。文獻 [8-9]采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 (empirical mode decomposition，EMD)方法和集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(ensemble EMD, EEMD)方法平滑風(fēng)電出力，但這兩種方法存在邊界效應(yīng)和模態(tài)混疊問題。雖然EEMD方法對模態(tài)混疊現(xiàn)象有所改善，但卻不能完全避免。文獻[10-11]采用小波包方法對風(fēng)功率進行分解，但分解過程中需要指定分解層數(shù)，分解結(jié)果隨分解層數(shù)的不同而改變，存在主觀因素影響。

文獻[12]提出一種基于規(guī)則的混合儲能系統(tǒng)功率分配策略，在不考慮功率容量限制的情況下，該策略在經(jīng)濟性和動態(tài)特性方面具有很好的合理性。文獻[13]提出一種混合儲能系統(tǒng)模糊滑?？刂撇呗?，采用模糊控制器消除滑模控制器的高頻抖振現(xiàn)象，具備平抑風(fēng)電出力和提高系統(tǒng)抗擾性能的雙重作用。文獻[14]設(shè)計一種分層控制策略，包括裝置層和系統(tǒng)層。采用前饋控制器及模糊優(yōu)化的思想，進行補償風(fēng)電場出口的功率波動，實現(xiàn)風(fēng)電可靠并網(wǎng)。文獻[15]提出了一種基于模糊經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的蓄電池儲能系統(tǒng)控制策略。該方案儲能形式單一，但在緩解風(fēng)電波動以及減少集成電池儲能系統(tǒng)的過充/放電操作方面有所改進。

上述文獻表明，采用合理的功率分解方法和有效的控制策略可以緩解風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)的沖擊。采用滑動平均濾波算法和自適應(yīng)小波包分解方法獲得目標(biāo)并網(wǎng)功率，以正常運行下風(fēng)電場接入電網(wǎng)的雙時間尺度有功功率變化最大限值為標(biāo)準(zhǔn)，進行對比分析，說明自適應(yīng)小波包分解方法的分解效果更好。再從時頻角度進行分析，根據(jù)蓄電池和超級電容充放電響應(yīng)頻率不同進行初次功率分配；再結(jié)合儲能設(shè)備荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)和充放電功率需求，設(shè)計一種風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，保證蓄電池和超級電容工作在規(guī)定的出力區(qū)間，同時其SOC維持在合理范圍。

1 目標(biāo)并網(wǎng)功率獲取方法

1.1 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在風(fēng)電場并網(wǎng)側(cè)加入儲能系統(tǒng)可有效平抑風(fēng)電并網(wǎng)功率波動，圖1為風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對風(fēng)電場有功出力Pw，首先分別采用滑動平均濾波方法和自適應(yīng)小波包分解方法，獲取風(fēng)電并網(wǎng)功率Pgrid，比較兩種方法的優(yōu)劣，選擇合適的功率分解方法。再由混合儲能系統(tǒng)的輸出功率Ph補償或消納風(fēng)電場并網(wǎng)功率缺額和盈余部分。最后，通過風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略調(diào)節(jié)蓄電池輸出功率Pb和超級電容輸出功率Psc，實現(xiàn)兩種儲能設(shè)備間的能量流動，其中，Pb、Psc大于0表示充電，小于0表示放電。根據(jù)圖1的功率流向可得

(1)

1.2 基于滑動平均濾波方法的風(fēng)功率分解

采用滑動平均算法，對于M個非平穩(wěn)風(fēng)電功率采樣數(shù)據(jù)，通過選擇合適的滑動時間窗，對窗口內(nèi)的風(fēng)功率采樣值做算術(shù)平均，然后將得到的平均值作為目標(biāo)并網(wǎng)功率值，進而得到儲能系統(tǒng)功率指令，如式(2)所示。

(2)

式中：i=N/2,N/2+1,…,M-N/2；Pw(i)為第i個采樣風(fēng)電功率數(shù)據(jù)；N為滑動時間窗的窗口長度偶數(shù)；Pgrid(i)為第i個目標(biāo)并網(wǎng)分量數(shù)據(jù)；Ph(i)為第i個混合儲能系統(tǒng)功率指令。

滑動時間窗的窗口長度N的選取直接影響風(fēng)電功率的平抑效果，窗口長度N選取越大，得到的平抑效果越明顯，同時儲能系統(tǒng)吸收與消納的能量就越多，導(dǎo)致儲能系統(tǒng)的容量過大，設(shè)備成本也就相應(yīng)提高；若窗口長度N選取較小時，并網(wǎng)功率分量的波動幅度增大，不能滿足風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。通過歷史風(fēng)電數(shù)據(jù)進行滑動時間窗窗口長度N的選擇，以風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為約束條件，對N值進行校正，進而選擇合適的N值。

根據(jù)GB/T 19963-2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》可知，當(dāng)風(fēng)電場裝機容量在30～150 MW 之間時，其 1分鐘級波動標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)電有功功率變化量不超過總裝機容量的 1/10，10分鐘級波動標(biāo)準(zhǔn)為風(fēng)電有功功率變化量不超過總裝機容量的1/3。式(3)為t時刻，風(fēng)電輸出功率1 min及10 min最大功率波動量計算公式。

(3)

式中：l表示1 min或10 min內(nèi)的采樣個數(shù)；Δt表示風(fēng)電功率數(shù)據(jù)采樣間隔； ΔPgrid.1 min(t)表示t時刻1分鐘功率波動量；ΔPgrid.10 min(t)表示t時刻10分鐘功率波動量。

圖2為滑動時間窗N值的校正流程圖。首先要確定N的初值N0，然后對風(fēng)功率數(shù)據(jù)做算術(shù)平均，將得到的平均值根據(jù)式(3)計算并網(wǎng)波動量，并與并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)限值作比較，判斷出是否同時滿足雙時間尺度并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；若不滿足，N值增加2，繼續(xù)進行判斷，直至滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為止。

1.3 基于自適應(yīng)小波包方法的風(fēng)功率分解

對于非平穩(wěn)、突變的風(fēng)功率信號，相對于小波分解方法，小波包分解方法更具有應(yīng)用價值，不僅可以實現(xiàn)信號低頻部分的分解，也可以對信號的高頻部分進行分解，最終的分解結(jié)果是將原始信號映射到2n(n為分解層數(shù))個小波包子空間中，在結(jié)構(gòu)上以二叉樹的形式體現(xiàn)，是一種更加精細(xì)的信號處理方法，可以提高時頻分辨率[10]。

采用DB6小波[16]對風(fēng)電功率數(shù)據(jù)進行n層分解，得到其低頻部分 an,0和高頻部分 an,j(其中j1,2,, 2n-1)的功率指令。低頻部分 an,0作為并網(wǎng)功率指令，高頻部分 an,j作為混合儲能系統(tǒng)的功率指令，如式(4)所示。

圖2 滑動時間窗N值的校正流程

(4)

圖3為滿足1分鐘級并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)小波包分解流程圖。首先判斷風(fēng)電功率是否滿足風(fēng)電并網(wǎng)1分鐘級波動標(biāo)準(zhǔn)，若滿足標(biāo)準(zhǔn)條件，則直接進行并網(wǎng)；若不滿足條件，進行小波包分解，給分解層數(shù)n設(shè)一個初值，將分解結(jié)果與并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進行比較，滿足即并入電網(wǎng)，不滿足條件時，n值增加1，繼續(xù)上述操作，直到滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為止。同理，10分鐘級并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與上述方法一致。

圖3 滿足1分鐘級并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)小波包分解流程

1.4 分解結(jié)果比較分析

基于Matlab/Simulink仿真平臺，采用新疆某風(fēng)電場日有功出力數(shù)據(jù)進行驗證分析。其中，該風(fēng)電場總裝機容量為49.5 MW，采樣間隔Δt為10 s。圖4為原始風(fēng)電場有功出力曲線。

圖4 原始風(fēng)電場有功出力曲線

根據(jù)上述風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，裝機容量為49.5 MW的風(fēng)電場1 min和10 min的有功功率波動限值分別為

1 min: 49.5/10=4.95 MW

10 min: 49.5/3=16.5 MW

表1為滑動濾波算法數(shù)據(jù)統(tǒng)計，表2為小波包分解法數(shù)據(jù)統(tǒng)計。從表1中可以看出，時間窗N的選取直接影響風(fēng)電的平抑效果。當(dāng)N取24時，并網(wǎng)功率1 min最大波動量為4.70 MW，1分鐘最大波動率為9.49%，滿足了風(fēng)電并網(wǎng)1分鐘級波動標(biāo)準(zhǔn)，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了10分鐘級波動標(biāo)準(zhǔn)。所以需對N值繼續(xù)增加，當(dāng)N值為46時，同時滿足雙時間尺度并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 滑動濾波算法數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表2 小波包分解法數(shù)據(jù)統(tǒng)計

從表2可以看出，當(dāng)同時滿足1分鐘級和10分鐘級并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)時，優(yōu)分解層數(shù)n為6。比較表1、表2可以看出，在同時滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，采用小波包分解方法得到的目標(biāo)并網(wǎng)功率更加平滑。圖5為采用不同平抑方法得到的目標(biāo)并網(wǎng)功率。

圖5 目標(biāo)并網(wǎng)功率

從圖5可以看出，在22～24 h之間時，采用滑動平均濾波方法獲得的目標(biāo)并網(wǎng)功率存在時間延遲，主要原因是由于滑動時間窗的選取，當(dāng)滑動時間窗N值選取越大時，延遲時間越長，反之越小。綜合上述分析，采用小波包分解方法獲得目標(biāo)并網(wǎng)功率和儲能系統(tǒng)功率指令更具可靠性。

2 混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略

由文獻[17]可知，蓄電池充放電響應(yīng)時間范圍為數(shù)分鐘到數(shù)小時，而超級電容充放電響應(yīng)時間范圍在數(shù)毫秒到數(shù)分鐘之間，因此，選取1 min作為蓄電池和超級電容的充放電響應(yīng)分界時間，對應(yīng)響應(yīng)頻率為1.67×10-2Hz。即由蓄電池吸收頻率小于1.67×10-2Hz的功率分量，超級電容吸收頻率大于1.67×10-2Hz的功率分量。圖6為混合儲能系統(tǒng)功率指令頻譜圖，頻率小于5.00×10-4Hz的能量已并入電網(wǎng)，大于 1.67×10-2Hz 以上的部分幅值很小，所以選取 1.67×10-2Hz 為蓄電池和超級電容器的分界頻率是合理的。

圖6 混合儲能系統(tǒng)功率指令頻譜

通過對小波包分解結(jié)果進行重構(gòu)，各儲能設(shè)備的功率指令計算公式為

(5)

式中：Pb_ref為蓄電池的參考功率指令；Psc_ref為超級電容的參考功率指令。

由于超級電容充放電次數(shù)達幾十萬次，使用壽命長，在對儲能系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制時，以超級電容優(yōu)先充放電為主，對蓄電池充放電功率進行限幅處理，達到延長蓄電池使用壽命的目的。

蓄電池和超級電容工作在正常SOC范圍(蓄電池為0.2～0.8；超級電容為0.1～0.9)，風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略如表3所示。其中:SOCb、SOCsc分別為蓄電池和超級電容的SOC;Pb_a、Psc_a分別為協(xié)調(diào)控制后蓄電池和超級電容的充放電功率；Pb.min、Pb.max分別為蓄電池最小、最大功率限值，均大于0。

表3共有 60種工作模式，模式之間相互切換，下面說明幾種典型的工作模式：

模式1：當(dāng)蓄電池功率指令為充電狀態(tài)，充電功率在0到Pb.min之間，且SOC小于0.8時，采用最小充電功率Pb.min對蓄電池進行充電，此時，當(dāng)超級電容荷電狀態(tài)在0.1～0.9之間時，不管是充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，均對蓄電池缺額功率進行補償。當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)達到0.8時，切換至模式6。

模式12：當(dāng)蓄電池功率指令為充電狀態(tài)，充電功率在Pb.min～Pb.max之間，且荷電狀態(tài)小于0.8時，采用Pb_ref對蓄電池進行充電，此時，當(dāng)超級電容荷電狀態(tài)大于等于0.9時，且處于充電狀態(tài)，超級電容充電功率為0。當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)達到0.8時，切換至模式17。

模式55：當(dāng)蓄電池功率指令為放電狀態(tài)，放電功率大于Pb.max，且荷電狀態(tài)小于等于0.2時，蓄電池放電功率為0，此時，當(dāng)超級電容荷電狀態(tài)小于等于0.1，且處于放電狀態(tài)，超級電容放電功率為0。當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)大于0.2時，切換至模式60。

3 算例分析

仿真中，蓄電池和超級電容SOC初始值和期望值均設(shè)置為50%，額定充放電功率均為5 MW。

圖7為采用小波包分解方法得到的各儲能設(shè)備的功率指令，圖8為采用協(xié)調(diào)控制方法得到的儲能設(shè)備功率指令。從圖7和圖8可以看出，未對蓄電池進行功率限幅控制前，功率幅值可能出現(xiàn)超過蓄電池額定充放電功率的情況，會對蓄電池的使用壽命產(chǎn)生影響。經(jīng)過對蓄電池進行限功率操作和實現(xiàn)儲能設(shè)備間的功率流動之后，可以看出蓄電池承擔(dān)大部分儲能工作，具備能量型器件的特征。

表3 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略表

(續(xù)表)

運行模式Pb_refSOCbPsc_ref充電放電SOCscPb_aPsc_a21222324252627282930>Pb.max<0.8≥0.8√√√√√√√√√√√√(0.1,0.9)≥0.9≤0.1(0.1,0.9)≥0.9≤0.1Pb.max0Pb_ref- Pb.max +Psc_ref0Psc_refPb_ref- Pb.max+Psc_refPb_ref- Pb.maxPb_ref+Psc_ref0Psc_refPb_ref+Psc_refPb_ref31323334353637383940-Pb.min～0≤0.2>0.2√√√√√√√√√√√√(0.1,0.9)≥0.9≤0.1(0.1,0.9)≥0.9≤0.10-Pb.minPb_ref+ Psc_refPb_refPb_ref+Psc_refPsc_ref0-Pb_ref-Pb.min+Psc_ref-Pb_ref-Pb.min-Pb_ref-Pb.min+Psc_refPsc_ref041424344454647484950-Pb.min～-Pb.max≤0.2>0.2√√√√√√√√√√√√(0.1,0.9)≥0.9≤0.1(0.1,0.9)≥0.9≤0.10Pb_refPb_ref+ Psc_refPb_refPb_ref+Psc_refPsc_ref0Psc_ref0Psc_refPsc_ref051525354555657585960<-Pb.max～0≤0.2>0.2√√√√√√√√√√√√(0.1,0.9)≥0.9≤0.1(0.1,0.9)≥0.9≤0.10-Pb.maxPb_ref+ Psc_refPb_refPb_ref+Psc_refPsc_ref0Pb_ref+Pb.max+Psc_ref-Pb_ref+Pb.maxPb_ref+Pb.max+Psc_refPsc_ref0

圖9為采用小波包分解方法得到的蓄電池和超級電容SOC曲線，圖10為采用所提控制方法后得到的蓄電池和超級電容SOC。比較圖9、圖10可以看出，在同樣的儲能設(shè)備容量配置下，采用小波包分解方法按頻率劃分得到儲能設(shè)備的充放電功率指令，其蓄電池SOC曲線出現(xiàn)超過上限0.8的時刻，而超級電容的SOC出現(xiàn)接近于1的時刻。在采用所提控制策略后，可有效改善兩種儲能設(shè)備的荷電狀態(tài)，避免其出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象，進而延長其使用壽命。

圖7 采用小波包分解方法得到儲能設(shè)備功率指令

圖8 采用協(xié)調(diào)控制方法得到儲能設(shè)備功率指令

圖9 小波包分解方法

圖10 協(xié)調(diào)控制方法

4 結(jié) 語

通過搭建風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，采用蓄電池-超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動，可得出以下結(jié)論：

1)通過比較滑動平均濾波方法和自適應(yīng)小波包分解方法對風(fēng)電功率信號的平抑效果，得到自適應(yīng)小波包分解方法更具有優(yōu)勢，目標(biāo)并網(wǎng)功率更加平滑，也可避免滑動平均濾波方法出現(xiàn)的延遲現(xiàn)象。通過仿真結(jié)果表明，自適應(yīng)小波包分解方法可以避免通過主觀設(shè)定分解層數(shù)所帶來的局限性，不僅對風(fēng)電平滑效果好，同時也兼具了儲能設(shè)備的容量配置最優(yōu)。

2)設(shè)計一種風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，對經(jīng)過頻域分析得到的蓄電池和超級電容的功率指令進行儲能設(shè)備間能量的再分配。這樣，可以同時綜合儲能設(shè)備的頻率和出力兩方面的需求，使能量流動于不同儲能設(shè)備之間，發(fā)揮各自儲能設(shè)備的不同優(yōu)勢。