不同时间尺度风储耦合特性研究

刘春燕，晁 勤，魏丽丽

（1.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐，830047；2.国网新疆电力公司昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100）

风力发电系统中，由风速变化引起的风电功率波动对电力系统安全性和稳定性影响越来越受到关注。文献[1]分析了不同时间尺度下风电功率波动对电网的影响；文献[2]基于某风电场实际数据分析风电不同时间间隔的功率变化率，负荷率，地区相关性指标，提出建立有效的风电功率预测系统，安排足够的火电备用容量来解决风电波动；文献[3]基于东北风电场实时数据，定量分析了风电功率波动在不同时间、空间尺度上的分布特性。

随着储能技术水平不断提高，经济成本降低，在风电场出口侧安装储能装置平抑其输出功率波动，一方面使风力发电可控可调度，减小风力发电对电网的影响，另一方面可充分发挥风电洁净能源作用。目前储能平抑风电功率波动方面的研究主要有以下2个方面:①研究单一储能或混合储能平抑风电功率波动的有效性与可行性，文献[4]利用超级电容器组作为储能元件，进行了风电场短时功率波动调节的仿真研究，有效地平滑了输入电网的有功功率波动，文献[5]针对不同风速的波动，基于VRB储能装置仿真分析表明液流电池可较好的平滑风电出力波动性，改善电压稳定性，文献[6]采用蓄电池组和超级电容器的混合储能系统，提出了利用其平抑风力发电输出功率的控制方法，验证该方法能够有效控制风电出力波动。②制定储能装置平抑目标及确定储能容量，文献 [7-8]提出采用低通滤波器的方法确定平抑目标，采用正态分布的方法选取储能容量，文献[9]提出基于风电功率预测和储能配合的风电场平抑方法，根据风电出力日曲线确定储能容量。

以上文献均基于风电出力在不同时间尺度的波动规律制定平抑目标，合理经济配套储能装置，但实现风储系统长时间稳定、经济运行研究内容较少。本文基于新疆某风电场实际数据，根据风电出力波动特性分析指标，研究在不同时间尺度上风电出力波动的规律，制定储能装置平抑目标及控制策略，以期合理经济配置储能装置。

1 风电出力特性及风电波动规律研究

1.1 风电出力间歇性

根据新疆某风电场2010年12月1日～2011年1月1日实际出力，共3015个采样点，有171次风电出力为0；最大连续风电出力为0有55次，持续时间9 h 10 min。图1为该风电场实际相对出力曲线。

图1 风电场相对出力

1.2 风电出力随机性

由1.5 MW单台风机连续三天风电出力 （见图2）可以看出，风电的出力是随机的。其中在55个采样点可以明显的看到，第一天的风电出力为0（标幺值）,第二天为0.56，第三天为0.8。由此可以看到风电出力具有随机性。在同一天的风电出力0～1之间浮动，不能确切的知道下一时刻风电出力。

1.3 风电出力的波动性

通过实际数据的分析，由于风电出力的间歇性，随机性导致风电出力的波动性，进而对电网安全稳定和电能质量产生影响，是风力发电不能大规模发挥其洁净能源作用的致命原因。

图2 单台风机相邻三天的风电出力

1.4 不同时间尺度风电出力波动特性分析指标

不同时间尺度风电出力特性指风电出力在不同时间尺度下的变化速率及幅度。风电功率变化率用ΔPb来描述，即

式中，P(t+1)为当前时刻风电出力；P(t)为前一时刻的风电出力；PN是总装机容量。

变化幅度用平均值和标准差来描述。设风电场某时刻风电功率为P，n为风电场机组台数，则风电功率波动幅度的平均值Pavr为

定义风电功率变化量标准差D刻画风电功率波动幅值变化的特征，即

定义风电功率波动变化率分布概率刻画风电功率波动变化的剧烈程度。

式中，NΔpb为风电功率变化率某数值出现的次数；Ntotal为风电功率变化率出现的总次数。

1.5 不同时间尺度风电出力波动特性分析

本文对算例系统中某单台风电机组 （装机容量为1.5 MW），该机组所属风电场 （装机容量为259.5 MW）在相同时间段内实测输出功率数据进行分析，涉及的时间尺度为3 s、10 min、1 h、3 h。

图3为单台风电机组 （装机容量1.5 MW），单个风电场 （装机容量259.5 MW），一天内风电功率波动情况，风电功率基准值为对应风电场装机容量。从图中可以得出:由于风电场内各个风电机组排列方式，风速等因素的影响，在相同时间内，单台风电机组出力效率要比风电场出力效率高。风电场输出功率与单台风电机组输出功率存在一定差异。

图4、5分别为3 s、10 min、1 h、3 h时间尺度下单台风电机组，单个风电场风电出力变化率分布情况。根据数据显示，单台风电机组、风电场风电出力变化率集中于0值附近，主要分布在装机容量的10%内，向两侧风电出力变化率增大方向概率减小。风电出力波动变化率规律满足正态分布曲线。

在上述各时间尺度下，单台风电机组和风电场输出的功率平均值为0.4045（p.u.）和0.3194(p.u.)，功率标准差分别为0.3053(p.u.)和0.2779(p.u.)。由图4和图5数据分析，得出表1单台风电机组和风电场输出功率变化率在装机容量的10%内分布的最大概率与最大风电出力波动量。

图3 单台风机，单个风电场输出功率对比

图4 不同时间尺度下单台风电机组出力变化率情况

图5 不同时间尺度下单个风电场出力变化率情况

在短时间尺度内，秒级和分钟级风电功率的变化量较小。单台风电机组和风电场出力，存在一定互补性，降低了新疆某风电场的总出力的变化率。在长时间尺度，即小时级以上，风电功率变化量较大。随着时间尺度的增加，风电出力波动呈现一定上升趋势增加，并且风电出力变化率分布不集中。

在同一时间尺度下，风电场的波动量比单台风电机组波动量小。根据统计的风电出力最大波动量，秒级时间尺度波动量远小于分钟级和小时级。随着时间尺度的增加，最大波动量增加。

以上结果分析表明，随着时间尺度的增大，风电功率的相对可变性呈现上升趋势，风电功率波动变化率，满足正态分布曲线。

2 不同时间尺度下储能装置功率和容量研究

2.1 储能装置平抑风电出力波动策略

根据GB/T-200中对风电场输出功率变化率明确的规定，表1中最大输出功率变化率超出规定，会对电网的安全稳定造成严重影响，所以必须对风电输出功率进行平抑，使风电输出功率变化率满足并网要求，使风能利用最大化，要达到这个目的必须利用储能系统。

由1.5分析可知，风电出力变化率主要分布在装机容量的10%左右，所以本文设计单台风电机组或风电场在储能系统的配合下以满足相邻时间尺度风电出力变化率占装机容量的10%对系统进行输出，来分析不同时间尺度下，平抑风电输出功率变化率所需的储能容量大小。一方面减小储能成本，一方面也能满足规定。本文设计方案如下:

（1）计算出数据样本中单台风电机组、风电场输出功率变化率。

（2）以相邻时间尺度风电出力变化率装机容量10% （Pb）为基准值，将不同时间尺度下的风电出力变化率与基准值进行比较，大于基准值部分，按对应基准值功率输出，多余的部分用储能装置存储起来。若小于基准值对应风电输出功率，直接输出。

（3）由 （2）得出储能装置充放电功率曲线，计算充放电曲线概率密度曲线与累计概率曲线。当累积概率为1时确定为满足当前时间尺度储能系统额定功率。

（4）风电场所需配置的储能系统容量为风电实际功率变化率曲线超出基准值上下限所围成的最大面积。这样的原则是为了保证在任何情况下，储能都能将风电出力变化率平抑到装机容量10%以内。

表1 不同时间尺度下分布最大概率和最大波动量

2.2 储能平抑不同时间尺度风电功率波动效果分析

考虑到秒级风电出力波动变化率多数在装机容量的10%以内，只有个别采样点之间的风电出力变化率超出10%，且平抑秒级波动可通过风电机组桨距角和变频器进行控制。所以在本文中主要分析分钟级和小时级风电出力变化率所需储能功率与容量。

由2.1储能平抑风电出力控制策略，得出不同时间尺度下单台风电机组和风电场储能充放电功率的累计概率图，如图6、7所示。本文将累计概率为1时，定为储能装置额定功率。

图6 储能平抑单台风电机组所需功率累计概率

图7 储能平抑风电场所需功率累计概率

储能平抑单台风电机组 （装机容量为1.5 MW）出力在对应时间尺度下的额定功率分别为:0.75、1.2、1.35 MW；储能平抑风电场 （装机容量为259.5 MW）风电出力在对应时间尺度下的额定功率分别为117、156、195 MW。

根据2.1中储能容量计算原则，得出单台风电机组和风电场的储能容量如表2所示。从表2中分析可得，储能装置平抑风电出力分钟级波动所需的容量最小，小时级波动需要更大容量。

综上所述，在平抑目标相同的条件下，风电出力变化率在分钟级所需要的储能容量较小时级小。随着时间尺度增加，平抑风电出力变化率所需储能容量增加。在平抑风电出力时，考虑储能装置的响应时间和功率密度，分钟级波动采用功率型 （超级电容器）和能量型 （铅酸蓄电池），小时级波动采用能量型储能装置。

表2 不同时间尺度储能容量配置 MW·h

3 结 论

本文基于风电出力长时间实测历史数据，对于单台风电机组和风电场输出功率在不同时间尺度下的波动特性进行了量化分析对比，对于平抑不同时间尺度下一定波动变化率范围内的储能装置容量做了分析，结论如下:

（1）随着时间尺度的增加，风电输出功率变化率增加，主要分布在装机容量的10%以内。

（2）考虑平抑风电输出功率所需储能的成本，设计风电输出功率按照相邻时间尺度风电出力变化率装机容量10%进行输出，得出储能装置平抑分钟级波动所需容量较小。在平抑风电出力时，分钟级波动采用功率型 （超级电容器）和能量型 （铅酸蓄电池），小时级波动采用能量型储能装置。

（3）随着时间尺度的增加，风电功率的变化量呈现上升趋势，所需储能装置容量也增大，可以建设大容量的储能电站满足风储系统安全稳定运行。

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