周奇聰，徐耀良，褚世沖，楊　波

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上?！?00090)

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一種新型的基于蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)功率平抑策略

周奇聰，徐耀良，褚世沖，楊波

(上海電力學(xué)院自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090)

0引言

由于全球資源短缺和環(huán)境保護(hù)的問題越來越突出，以風(fēng)電為代表的清潔可再生能源得到普遍重視，逐漸在全世界推廣開來。隨著風(fēng)電發(fā)展的積累，風(fēng)機(jī)的制造與控制技術(shù)已基本成熟，越來越多的風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)。由于風(fēng)電兼具間歇性與波動(dòng)性的特點(diǎn)[1-2]，大量風(fēng)電的并網(wǎng)加劇了電力系統(tǒng)的不確定性和變化性[3-4]，降低了運(yùn)行效率，甚至可能導(dǎo)致“棄風(fēng)”現(xiàn)象發(fā)生[5]，制約了風(fēng)電自身發(fā)展。

因此平抑風(fēng)電功率的波動(dòng)，使風(fēng)電功率趨于平穩(wěn)成為解決并網(wǎng)問題的必要條件。電池儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展為平抑風(fēng)電功率提供了一種解決方案。近年來，許多學(xué)者在此領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究，取得了大量的研究成果[6-12]。文獻(xiàn)[6-7]認(rèn)為電池儲(chǔ)能技術(shù)有望解決風(fēng)電并網(wǎng)的一系列問題，減小風(fēng)電并網(wǎng)的隱患，提高并網(wǎng)效益。文獻(xiàn)[8]討論BESS對(duì)電力系統(tǒng)短期可靠性的影響。文獻(xiàn)[9]利用BESS平滑風(fēng)功率中的波動(dòng)分量，從而緩解風(fēng)功率波動(dòng)特性對(duì)電網(wǎng)的不利影響。文獻(xiàn)[10-11]結(jié)合頻譜分析，利用超級(jí)電容器與電池儲(chǔ)能的混合儲(chǔ)能方式分別平抑風(fēng)功率中不同頻率段的波動(dòng)分量，有效緩解了風(fēng)功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[9-11]提出的技術(shù)方案可有效平抑風(fēng)功率波動(dòng)，但由于風(fēng)功率波動(dòng)具有不確定性，導(dǎo)致BESS 在充、放電狀態(tài)間頻繁切換，且不能保證電池在單次充、放電周期內(nèi)充分使用，這大大降低了電池的使用效率和壽命。文獻(xiàn)[12]在深入分析風(fēng)功率分鐘級(jí)波動(dòng)的概率特性及現(xiàn)有電池技術(shù)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)-儲(chǔ)混合電站模型。用兩組電池交替工作平抑風(fēng)功率的正、負(fù)波動(dòng)分量，從而有效降低了BESS的充放電次數(shù)，提高了電池的使用效率和使用壽命。但雙電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)-儲(chǔ)電站模型是建立在較為長(zhǎng)期的概率特性分析基礎(chǔ)上，且當(dāng)BESS平抑波動(dòng)經(jīng)歷的單個(gè)充放電周期越長(zhǎng)，風(fēng)功率正負(fù)波動(dòng)的概率才越接近，電池使用效率也才越高。因此，對(duì)于雙電池組結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能系統(tǒng)來說，其單組電池的容量越大工作效率才越高，并不能較好地普及到各容量級(jí)別的風(fēng)場(chǎng)。

在結(jié)合風(fēng)功率波動(dòng)概率特性和蓄電池自身特性的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高蓄電池的使用效率，本文提出了一種基于三電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。在分別平抑風(fēng)功率正負(fù)波動(dòng)分量的基礎(chǔ)上按照一定的控制策略，交替切換三組電池的工作模式，從而實(shí)現(xiàn)電池使用效率的大幅提升。并基于某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證本文所提技術(shù)方案的有效性。

1風(fēng)功率分鐘級(jí)波動(dòng)分量的提取

本文借鑒文獻(xiàn)[13]所提的經(jīng)典算法，采用滑動(dòng)平均法分離分鐘級(jí)風(fēng)電功率的波動(dòng)分量。設(shè)滑動(dòng)平均時(shí)段長(zhǎng)度為N分鐘，t時(shí)刻風(fēng)電的持續(xù)分量、分鐘級(jí)波動(dòng)分量按下式計(jì)算：

(1)

式中：Pt為實(shí)測(cè)的第t分鐘的平均功率；Pft為持續(xù)分量；Pmt為分鐘級(jí)波動(dòng)分量。對(duì)于一般負(fù)荷，N值選為15 min比較合適，本文將滑動(dòng)平均時(shí)段N的長(zhǎng)度選為15 min。

BESS平抑風(fēng)電波動(dòng)功率的策略是根據(jù)風(fēng)功率歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前實(shí)際功率數(shù)據(jù)及超短期15 min的風(fēng)功率預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)估算當(dāng)前時(shí)刻的風(fēng)功率波動(dòng)分量，在此基礎(chǔ)上結(jié)合電池荷電狀態(tài)、BESS當(dāng)前工作模式等狀態(tài)信息計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑波動(dòng)功率所需的充電、放電功率，從而給出控制信號(hào)至各BESS對(duì)應(yīng)的功率變換器，如圖1所示。

圖1　儲(chǔ)能系統(tǒng)工作流程圖

2BESS的控制策略

2.1電池儲(chǔ)能的特點(diǎn)

BESS主要由電池組與功率控制系統(tǒng)構(gòu)成。電池使用壽命與電池的充、放電速率，充、放電次數(shù)，單次最大充、放電深度及環(huán)境溫度等因素有關(guān)[1-15]。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式來說，電池的使用壽命主要由充、放電次數(shù)和單次的最大充、放電深度決定[14]。一般來說，電池的使用壽命隨著電池充、放電次數(shù)的增多而減小，隨著單次最大充、放電深度的加深而減小。

因此，為提高電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率，延長(zhǎng)電池壽命，應(yīng)盡可能減少充放電次數(shù)，并力求電池每次充、放電都能達(dá)到合適的單次最大充、放電深度，使電池經(jīng)歷完整的充放電周期。

2.2三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)要求每組BESS單獨(dú)可控從而達(dá)到主動(dòng)控制電池使用效率的目的，故三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)需要三組雙向功率變換裝置，三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

BESS的平抑效果受儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的影響，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量越大，BESS平抑效果越好。但考慮到電池造價(jià)昂貴[16]，過大容量的BESS顯然經(jīng)濟(jì)成本過高，實(shí)際參考意義將大打折扣，因此BESS必須選擇合適的容量，以滿足BESS在絕大多數(shù)情況下能夠平抑風(fēng)功率的波動(dòng)。BESS的容量設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[12]中的計(jì)算方法，即按下式確定BESS的額定充、放電功率Pm：

(2)

式中：函數(shù)F-1(β)為風(fēng)功率波動(dòng)幅值累積概率分布函數(shù)的反函數(shù)；β為指定的風(fēng)功率波動(dòng)幅值累積概率水平。

BESS 額定容量Em的設(shè)計(jì)按下式確定：

Em=nPm

(3)

式中：參數(shù)n介于4～6之間[12,17]。

2.4三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略

三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)采取各電池組互補(bǔ)工作的基本策略。在三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)中，單組BESS的運(yùn)行模式分4種：充電模式、放電模式、滿電模式和空電模式(滿電模式和空電模式均屬于備用狀態(tài))。每組BESS依次按照“充-備-放-備-充”的循環(huán)模式進(jìn)行工作。當(dāng)某一電池組達(dá)到滿電模式或空電模式后進(jìn)入備用狀態(tài)，與此同時(shí)由處于空電模式或滿電模式備用狀態(tài)的電池組接替進(jìn)行工作。

三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略的步驟如下：

①初始狀態(tài)。默認(rèn)BESS I為放電模式，BESS II為充電模式，BESS III為初始備用狀態(tài)；

②判斷BESS I和BESS II的工作狀態(tài)。若BESS I先進(jìn)入空電模式，則BESS III接替BESS I進(jìn)入放電模式；若BESS II先進(jìn)入滿電模式，則BESS III接替BESS II進(jìn)入充電模式。

③若BESS III進(jìn)入放電模式，判斷BESS II是否進(jìn)入滿電模式，若BESS II進(jìn)入滿電模式，則BESS I由空電模式接替BESS II進(jìn)入充電模式；若BESS III進(jìn)入充電模式，判斷BESS I是否進(jìn)入空電模式，若BESS I進(jìn)入空電模式，則BESS II由滿電模式接替BESS I進(jìn)入放電模式；

④處于滿電模式或空電模式的BESS等待處于充電模式或放電模式的BESS狀態(tài)改變后接替工作，需要交接的兩組BESS同步切換至新的工作模式，重復(fù)步驟③。

為簡(jiǎn)便起見，BESS運(yùn)行策略示意如圖3所示。

圖3　三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行策略

由此可以看出，三組BESS工作期間保證有兩組BESS處于充、放電工作模式，另一組處于備用狀態(tài)，且每組BESS可在其目標(biāo)限制充放電深度內(nèi)各自經(jīng)歷完整的充放電循環(huán)周期，從而避免了電池因經(jīng)歷不完整充放電周期所導(dǎo)致的壽命損耗。

3算例仿真

圖4是山東某風(fēng)電場(chǎng)1月份連續(xù)2d的192點(diǎn)風(fēng)功率數(shù)據(jù)，此時(shí)間段內(nèi)該風(fēng)場(chǎng)共有23臺(tái)風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)組容量為1.5MW，風(fēng)場(chǎng)容量為34.5MW。

圖4　連續(xù)2日風(fēng)功率

圖5顯示了該風(fēng)場(chǎng)這兩日的風(fēng)功率波動(dòng)情況，可以看出僅僅兩日內(nèi)該風(fēng)場(chǎng)就有兩次最大功率波動(dòng)高達(dá)15MW左右，占總?cè)萘康?3.48%，遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[18]，需要使用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行功率平抑。

圖5　連續(xù)兩日風(fēng)功率波動(dòng)

算例中的BESS額定儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能容量設(shè)為15MW與60 MWh(n=4)。由于風(fēng)功率波動(dòng)特性可以由正態(tài)分布描述[1, 19]，根據(jù)正態(tài)分布的3σ原理，式(3)中的β設(shè)定為0.997。電池的使用效率根據(jù)電池充、放電效率來衡量。其中，電池的單次充、放電使用效率可根據(jù)其單次充、放電周期內(nèi)的電池荷電狀態(tài)(state-of-charge,SOC)極值來確定。

電池的單次充電效率可按下式計(jì)算：

(4)

同理，電池的單次放電效率可按下式計(jì)算：

(5)

式中：SOCmax和SOCmin分別表示單次充、放電周期內(nèi)充電荷電狀態(tài)極值和放電荷電狀態(tài)極值，SOCempty表示電池的荷電下限，SOCfull表示系統(tǒng)設(shè)定的電池荷電上限與荷電下限的差值。

為驗(yàn)證本文所提方案的有效性，假定BESS I、II、III在初始時(shí)刻分別處于充電、放電、備用狀態(tài)，初始荷電狀態(tài)(SOC0)均為0.5，設(shè)置各BESS的充電SOC極限為0.95,放電SOC極限為0.05。針對(duì)上述風(fēng)功率數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，功率平抑后的風(fēng)功率波動(dòng)情況如圖6所示。三組BESS 的荷電狀態(tài)曲線如圖7所示。

圖6　三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后的風(fēng)功率波動(dòng)

圖7　三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)

由圖6可知經(jīng)BESS平抑后，風(fēng)電場(chǎng)的分鐘級(jí)風(fēng)功率波動(dòng)分量最大值僅為5.57MW，為風(fēng)場(chǎng)總?cè)萘康?6.14%，與平抑前相比大大減少了風(fēng)功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響。

由圖7可以看出BESS I、II、III在模擬日內(nèi)均只切換1次狀態(tài)，各電池組均經(jīng)歷了完整的充放電周期，使用效率幾乎達(dá)100%。

保持算例中的BESS額定儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能容量不變，使用文獻(xiàn)[12]的雙電池組BESS對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，平抑效果如圖8所示，平抑后兩組BESS的荷電狀態(tài)曲線如圖9所示。

圖8　雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后的風(fēng)功率波動(dòng)

圖9　雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)

由圖8可以看出，雙電池組BESS中各電池組均切換兩次狀態(tài)，且BESS I在兩次切換狀態(tài)時(shí)荷電狀態(tài)分別為0.27和0.85，單次充、放電周期的充電效率為75.6%，放電效率為88.9%。顯然，雙電池組BESS的電池使用效率要比傳統(tǒng)的單電池組BESS高很多，但與三電池組BESS中電池組100%的使用效率還有不小的差距。

綜上可知，在同等功率波動(dòng)下，相比于傳統(tǒng)的單電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)，雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)各電池組的充放電次數(shù)大大減小。相比于雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)，三電池組的狀態(tài)切換次數(shù)減少近一半，電池使用效率進(jìn)一步大幅提高，單次充放電周期使用效率高達(dá)100%，電池使用壽命將大大延長(zhǎng)。從平抑效果來看，雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后風(fēng)功率波動(dòng)分量最大值為5.29MW，平抑后的波動(dòng)分量共有6次超過3MW。三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后風(fēng)功率波動(dòng)分量最大值為5.57MW，與雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑后風(fēng)功率的最大波動(dòng)分量基本持平，而平抑后的波動(dòng)分量?jī)H有4次超過3MW。由此可見，與雙電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的平抑效果進(jìn)一步提升。

4結(jié)語

在平抑風(fēng)功率波動(dòng)的前提下，為提高電池的使用效率、延長(zhǎng)電池的壽命，本文在結(jié)合風(fēng)功率波動(dòng)概率特性的基礎(chǔ)上提出了基于三電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，并根據(jù)電池的技術(shù)特性設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行策略，使三組BESS分別在“充-備-放-備-充”的循環(huán)工作模式下交替使用互補(bǔ)工作，提高了電池的使用效率，將大大延長(zhǎng)電池壽命。

基于某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的仿真實(shí)驗(yàn)證明了本文所提方案的有效性，三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)在保證良好平抑風(fēng)功率波動(dòng)分量的基礎(chǔ)上，各電池在平抑過程中切換次數(shù)大大減小，并均可經(jīng)歷完整充放電周期，使用效率幾乎達(dá)到100%。然而由于三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要三組功率變換裝置，在交替工作時(shí)，需保證平滑過渡以盡可能減小其過渡暫態(tài)給電站所帶來的影響。此外，三電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)在相對(duì)降低電池成本的同時(shí)增加了功率變換裝置的成本，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本有一定的影響，作者將對(duì)這一問題加以研究。

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周奇聰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化等,E-mail: 594451874@qq.com；

徐耀良(1953-)，男，教授級(jí)高工，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、自動(dòng)化儀表等；

褚世沖(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、智能儀器儀表等；

楊波(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化、電力系統(tǒng)通信等。

(責(zé)任編輯：林海文)

A New Strategy for Smoothing Wind Power Fluctuation Based on Battery Energy Storage SystemZHOU Qicong, XU Yaoliang, CHU Shichong, YANG Bo

(College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China)

摘要：為平抑風(fēng)功率的波動(dòng)，提高電池儲(chǔ)能的使用效率和使用壽命。本文根據(jù)電池的技術(shù)特性，從控制電池的角度出發(fā)，提出了基于三電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(battery energy storage system，BESS)，并設(shè)計(jì)了控制策略控制不同電池組處于不同的工作狀態(tài)，即其中兩組分別處于充、放電狀態(tài)，另外一組處于備用狀態(tài)，三組電池交替工作平抑風(fēng)功率中的正、負(fù)波動(dòng)分量，依次在“充-備-放-備-充”的循環(huán)模式下工作，從而提高電池的使用效率，延長(zhǎng)電池壽命。最后基于某風(fēng)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)的仿真表明，基于三電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能系統(tǒng)在平抑風(fēng)功率波動(dòng)的基礎(chǔ)上可提高蓄電池的使用效率幾乎達(dá)100%。

關(guān)鍵詞：風(fēng)功率波動(dòng)；功率平抑；電池儲(chǔ)能；電池使用效率

Abstract：In order to improve the usage efficiency and increase service life of the storage battery, a topology of treble battery energy storage systems (BESSs) is proposed to smooth fluctuation of wind power from the aspect of battery controlling based on the technical characteristics of batteries. Besides, a controlling strategy is also designed to guarantee that different battery energy storage systems have different tasks among these treble battery energy storage systems, in which two BESSs are running in charging and discharging states respectively, while the other is in the standby state. Thus to dispatch alternatively, the positive and negative fluctuating components of wind power are applied. The usage efficiency and the cycle life of the battery can be improved successfully if the treble battery energy storage systems (BESSs) work in the cyclical patterns of charge-storage-discharge -storage-charge. The simulation results of a certain wind farm show that the usage efficiency of the storage battery can be improved to almost 100% with the topology of treble BESSs based on the function of smoothing the fluctuation of wind power.

Keywords：wind power fluctuation; power smoothing; battery storage; usage efficiency of battery

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-04-07

中圖分類號(hào)：TM614

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2322(2016)02-0059-05