一种新型的基于蓄电池储能的风功率平抑策略

周奇聪，徐耀良，褚世冲，杨　波

(上海电力学院自动化工程学院，上海　200090)



一种新型的基于蓄电池储能的风功率平抑策略

周奇聪，徐耀良，褚世冲，杨波

(上海电力学院自动化工程学院，上海200090)

0引言

由于全球资源短缺和环境保护的问题越来越突出，以风电为代表的清洁可再生能源得到普遍重视，逐渐在全世界推广开来。随着风电发展的积累，风机的制造与控制技术已基本成熟，越来越多的风电场接入电力系统。由于风电兼具间歇性与波动性的特点[1-2]，大量风电的并网加剧了电力系统的不确定性和变化性[3-4]，降低了运行效率，甚至可能导致“弃风”现象发生[5]，制约了风电自身发展。

因此平抑风电功率的波动，使风电功率趋于平稳成为解决并网问题的必要条件。电池储能技术的快速发展为平抑风电功率提供了一种解决方案。近年来，许多学者在此领域进行了广泛研究，取得了大量的研究成果[6-12]。文献[6-7]认为电池储能技术有望解决风电并网的一系列问题，减小风电并网的隐患，提高并网效益。文献[8]讨论BESS对电力系统短期可靠性的影响。文献[9]利用BESS平滑风功率中的波动分量，从而缓解风功率波动特性对电网的不利影响。文献[10-11]结合频谱分析，利用超级电容器与电池储能的混合储能方式分别平抑风功率中不同频率段的波动分量，有效缓解了风功率波动。文献[9-11]提出的技术方案可有效平抑风功率波动，但由于风功率波动具有不确定性，导致BESS 在充、放电状态间频繁切换，且不能保证电池在单次充、放电周期内充分使用，这大大降低了电池的使用效率和寿命。文献[12]在深入分析风功率分钟级波动的概率特性及现有电池技术特性的基础上，提出了一种基于双电池组拓扑结构的风-储混合电站模型。用两组电池交替工作平抑风功率的正、负波动分量，从而有效降低了BESS的充放电次数，提高了电池的使用效率和使用寿命。但双电池组拓扑结构的风-储电站模型是建立在较为长期的概率特性分析基础上，且当BESS平抑波动经历的单个充放电周期越长，风功率正负波动的概率才越接近，电池使用效率也才越高。因此，对于双电池组结构储能系统来说，其单组电池的容量越大工作效率才越高，并不能较好地普及到各容量级别的风场。

在结合风功率波动概率特性和蓄电池自身特性的基础上，为进一步提高蓄电池的使用效率，本文提出了一种基于三电池组拓扑结构的储能系统模型。在分别平抑风功率正负波动分量的基础上按照一定的控制策略，交替切换三组电池的工作模式，从而实现电池使用效率的大幅提升。并基于某风电场的实测数据进行仿真，验证本文所提技术方案的有效性。

1风功率分钟级波动分量的提取

本文借鉴文献[13]所提的经典算法，采用滑动平均法分离分钟级风电功率的波动分量。设滑动平均时段长度为N分钟，t时刻风电的持续分量、分钟级波动分量按下式计算：

(1)

式中：Pt为实测的第t分钟的平均功率；Pft为持续分量；Pmt为分钟级波动分量。对于一般负荷，N值选为15 min比较合适，本文将滑动平均时段N的长度选为15 min。

BESS平抑风电波动功率的策略是根据风功率历史数据、当前实际功率数据及超短期15 min的风功率预测数据估算当前时刻的风功率波动分量，在此基础上结合电池荷电状态、BESS当前工作模式等状态信息计算储能系统平抑波动功率所需的充电、放电功率，从而给出控制信号至各BESS对应的功率变换器，如图1所示。

图1　储能系统工作流程图

2BESS的控制策略

2.1电池储能的特点

BESS主要由电池组与功率控制系统构成。电池使用寿命与电池的充、放电速率，充、放电次数，单次最大充、放电深度及环境温度等因素有关[1-15]。对于储能系统的工作模式来说，电池的使用寿命主要由充、放电次数和单次的最大充、放电深度决定[14]。一般来说，电池的使用寿命随着电池充、放电次数的增多而减小，随着单次最大充、放电深度的加深而减小。

因此，为提高电池储能系统的效率，延长电池寿命，应尽可能减少充放电次数，并力求电池每次充、放电都能达到合适的单次最大充、放电深度，使电池经历完整的充放电周期。

2.2三电池组储能系统的拓扑结构

三电池组储能系统要求每组BESS单独可控从而达到主动控制电池使用效率的目的，故三电池组储能系统需要三组双向功率变换装置，三电池组储能系统的拓扑结构如图2所示。

图2　三电池组储能系统拓扑结构

2.3三电池组储能系统容量设计

BESS的平抑效果受储能系统容量的影响，储能系统容量越大，BESS平抑效果越好。但考虑到电池造价昂贵[16]，过大容量的BESS显然经济成本过高，实际参考意义将大打折扣，因此BESS必须选择合适的容量，以满足BESS在绝大多数情况下能够平抑风功率的波动。BESS的容量设计参考文献[12]中的计算方法，即按下式确定BESS的额定充、放电功率Pm：

(2)

式中：函数F-1(β)为风功率波动幅值累积概率分布函数的反函数；β为指定的风功率波动幅值累积概率水平。

BESS 额定容量Em的设计按下式确定：

Em=nPm

(3)

式中：参数n介于4～6之间[12,17]。

2.4三电池组储能系统的运行策略

三电池组储能系统采取各电池组互补工作的基本策略。在三电池组储能系统中，单组BESS的运行模式分4种：充电模式、放电模式、满电模式和空电模式(满电模式和空电模式均属于备用状态)。每组BESS依次按照“充-备-放-备-充”的循环模式进行工作。当某一电池组达到满电模式或空电模式后进入备用状态，与此同时由处于空电模式或满电模式备用状态的电池组接替进行工作。

三电池组储能系统运行策略的步骤如下：

①初始状态。默认BESS I为放电模式，BESS II为充电模式，BESS III为初始备用状态；

②判断BESS I和BESS II的工作状态。若BESS I先进入空电模式，则BESS III接替BESS I进入放电模式；若BESS II先进入满电模式，则BESS III接替BESS II进入充电模式。

③若BESS III进入放电模式，判断BESS II是否进入满电模式，若BESS II进入满电模式，则BESS I由空电模式接替BESS II进入充电模式；若BESS III进入充电模式，判断BESS I是否进入空电模式，若BESS I进入空电模式，则BESS II由满电模式接替BESS I进入放电模式；

④处于满电模式或空电模式的BESS等待处于充电模式或放电模式的BESS状态改变后接替工作，需要交接的两组BESS同步切换至新的工作模式，重复步骤③。

为简便起见，BESS运行策略示意如图3所示。

图3　三电池组储能系统运行策略

由此可以看出，三组BESS工作期间保证有两组BESS处于充、放电工作模式，另一组处于备用状态，且每组BESS可在其目标限制充放电深度内各自经历完整的充放电循环周期，从而避免了电池因经历不完整充放电周期所导致的寿命损耗。

3算例仿真

图4是山东某风电场1月份连续2d的192点风功率数据，此时间段内该风场共有23台风机正常运行，单台机组容量为1.5MW，风场容量为34.5MW。

图4　连续2日风功率

图5显示了该风场这两日的风功率波动情况，可以看出仅仅两日内该风场就有两次最大功率波动高达15MW左右，占总容量的43.48%，远超过国家标准[18]，需要使用储能装置进行功率平抑。

图5　连续两日风功率波动

算例中的BESS额定储能功率和储能容量设为15MW与60 MWh(n=4)。由于风功率波动特性可以由正态分布描述[1, 19]，根据正态分布的3σ原理，式(3)中的β设定为0.997。电池的使用效率根据电池充、放电效率来衡量。其中，电池的单次充、放电使用效率可根据其单次充、放电周期内的电池荷电状态(state-of-charge,SOC)极值来确定。

电池的单次充电效率可按下式计算：

(4)

同理，电池的单次放电效率可按下式计算：

(5)

式中：SOCmax和SOCmin分别表示单次充、放电周期内充电荷电状态极值和放电荷电状态极值，SOCempty表示电池的荷电下限，SOCfull表示系统设定的电池荷电上限与荷电下限的差值。

为验证本文所提方案的有效性，假定BESS I、II、III在初始时刻分别处于充电、放电、备用状态，初始荷电状态(SOC0)均为0.5，设置各BESS的充电SOC极限为0.95,放电SOC极限为0.05。针对上述风功率数据进行仿真，功率平抑后的风功率波动情况如图6所示。三组BESS 的荷电状态曲线如图7所示。

图6　三电池组储能系统平抑后的风功率波动

图7　三电池组储能系统的荷电状态

由图6可知经BESS平抑后，风电场的分钟级风功率波动分量最大值仅为5.57MW，为风场总容量的16.14%，与平抑前相比大大减少了风功率波动对电网运行的影响。

由图7可以看出BESS I、II、III在模拟日内均只切换1次状态，各电池组均经历了完整的充放电周期，使用效率几乎达100%。

保持算例中的BESS额定储能功率和储能容量不变，使用文献[12]的双电池组BESS对仿真数据进行仿真，平抑效果如图8所示，平抑后两组BESS的荷电状态曲线如图9所示。

图8　双电池组储能系统平抑后的风功率波动

图9　双电池组储能系统的荷电状态

由图8可以看出，双电池组BESS中各电池组均切换两次状态，且BESS I在两次切换状态时荷电状态分别为0.27和0.85，单次充、放电周期的充电效率为75.6%，放电效率为88.9%。显然，双电池组BESS的电池使用效率要比传统的单电池组BESS高很多，但与三电池组BESS中电池组100%的使用效率还有不小的差距。

综上可知，在同等功率波动下，相比于传统的单电池组储能系统，双电池组储能系统各电池组的充放电次数大大减小。相比于双电池组储能系统，三电池组的状态切换次数减少近一半，电池使用效率进一步大幅提高，单次充放电周期使用效率高达100%，电池使用寿命将大大延长。从平抑效果来看，双电池组储能系统平抑后风功率波动分量最大值为5.29MW，平抑后的波动分量共有6次超过3MW。三电池组储能系统平抑后风功率波动分量最大值为5.57MW，与双电池组储能系统平抑后风功率的最大波动分量基本持平，而平抑后的波动分量仅有4次超过3MW。由此可见，与双电池组储能系统相比，三电池组储能系统的平抑效果进一步提升。

4结语

在平抑风功率波动的前提下，为提高电池的使用效率、延长电池的寿命，本文在结合风功率波动概率特性的基础上提出了基于三电池组拓扑结构的储能系统，并根据电池的技术特性设计了储能系统的运行策略，使三组BESS分别在“充-备-放-备-充”的循环工作模式下交替使用互补工作，提高了电池的使用效率，将大大延长电池寿命。

基于某风电场实测数据的仿真实验证明了本文所提方案的有效性，三电池组储能系统在保证良好平抑风功率波动分量的基础上，各电池在平抑过程中切换次数大大减小，并均可经历完整充放电周期，使用效率几乎达到100%。然而由于三电池组储能系统结构需要三组功率变换装置，在交替工作时，需保证平滑过渡以尽可能减小其过渡暂态给电站所带来的影响。此外，三电池组储能系统在相对降低电池成本的同时增加了功率变换装置的成本，对整个系统的经济成本有一定的影响，作者将对这一问题加以研究。

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周奇聪(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为新能源发电、电力系统及其自动化等,E-mail: 594451874@qq.com；

徐耀良(1953-)，男，教授级高工，硕士生导师，研究方向为电力系统及其自动化、自动化仪表等；

褚世冲(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化、智能仪器仪表等；

杨波(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为电力系统及其自动化、电力系统通信等。

(责任编辑：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：为平抑风功率的波动，提高电池储能的使用效率和使用寿命。本文根据电池的技术特性，从控制电池的角度出发，提出了基于三电池组拓扑结构的电池储能系统(battery energy storage system，BESS)，并设计了控制策略控制不同电池组处于不同的工作状态，即其中两组分别处于充、放电状态，另外一组处于备用状态，三组电池交替工作平抑风功率中的正、负波动分量，依次在“充-备-放-备-充”的循环模式下工作，从而提高电池的使用效率，延长电池寿命。最后基于某风场实际数据的仿真表明，基于三电池组拓扑结构的储能系统在平抑风功率波动的基础上可提高蓄电池的使用效率几乎达100%。

关键词：风功率波动；功率平抑；电池储能；电池使用效率

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

作者简介：

收稿日期：2015-04-07

中图分类号：TM614

文献标志码：A

文章编号：1007-2322(2016)02-0059-05