應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)控制與配置綜述

1、第 卷 第 期 年 月 日 ，：應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)控制與配置綜述汪海蛟，江全元浙江大學電氣工程學院 ，浙江省杭州市 摘要：隨著電力系統(tǒng)中風力發(fā)電滲透率的不斷增加 ，在 風力發(fā)電機上或者風電場并網(wǎng)點集成儲能 系統(tǒng)對風電功率波動進行平抑 ，以減少其對電力 系統(tǒng)運行控制的影響成為研究的熱點。 文中首先 對目前已有的應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)示范工程進行了介紹 ，然后對儲能系 統(tǒng)應用的 個重要問題進行了全面的綜述與總結 ，包 括儲能類型的選取、儲能 系統(tǒng)的功率和容量配置、波 動 平抑控制算法、儲能系統(tǒng)能量管理等 個方面，并對目前存在的關鍵技術問題以及未來的研究方向 進行了探討與分析

2、。關鍵詞：風力發(fā)電；功率波動；儲能；波動平抑 引言近年來，風 力發(fā)電在世界范圍內(nèi)得到迅速的發(fā) 展。 截 至 年，全 球風電裝機容量達 到，預 計 年 將 達 到 。 年，中國風電 新 增 裝 機 容 量 ，總 裝 機 容 量 已 達。然 而，隨 著 風 電 滲 透 率 的 不 斷 增 大 ，風 電的功率波動將對電力系統(tǒng)的運行控制帶來挑戰(zhàn)。研究顯示，高 滲透率下的風電功率波動對系統(tǒng) 的爬坡和備用容量提出了更高的要求 ，并 且將影響 互聯(lián)系統(tǒng)的區(qū)域控制和頻率控制 ，甚至會危害小型 孤島電力系統(tǒng)的平安運行。 文獻 基 于傳遞函 數(shù)分析，對含風電的 機 節(jié)點系統(tǒng)的頻率波動進 行研究，提出要保證該系統(tǒng)頻

3、率波 動在 ± 以內(nèi)， 風電功率波動在頻率的幅值不能超過風電 額定功率的 。 文 獻 提 出，波 動 幅 值 在 常 規(guī)發(fā)電容量以上的風電 功率波動將可能使系統(tǒng) 頻率偏差超過±，從而限制系統(tǒng)對風電的消納能 力。因此，風電功 率的波動平抑成為近年來研究的 熱點，包括中國在 內(nèi)的一些國家的電力公司已經(jīng)或 將要出臺針對并網(wǎng)風電場功率波動的技術標準。目前，對風電功率進行平抑的方法主要有兩類 ： 風力 發(fā) 電控制的改良和新型儲 能 系統(tǒng) ，的 應用。 文獻 提 出了一種 直流母線電壓和槳距角的協(xié)調(diào)控制方法來抑制永磁 同步發(fā)電機的功率波動。 文獻 提出了一種風電 收稿日期 ：；修 回日

4、期 ：。國 家高技術研究開展 計 劃 計 劃 資 助 項 目；國 家 重點根底研究開展方案 計 劃 資助工程。機組最大轉速限制的動態(tài)調(diào)整方法 ，使 得變速風力 發(fā)電機的功率波動得到平抑 ，并降低了風電功率波 動對系統(tǒng)頻率的影響。 然而，基于風力發(fā)電機控制 的改良方法根本都是以犧牲 風 能 捕 獲 效 率 為 代 價 的，并且其平抑控 制的能力受到風電機組自身的控 制能力和風速的影響。 隨著電池儲能、超 級電容儲 能、超導磁儲能、飛輪儲能等新型儲能技術的迅速進 步和產(chǎn)業(yè)化，使用 儲能系統(tǒng)對風電功率波動進行平 抑成為理論研究和工程示范的熱點。與風力發(fā)電的 改良控制方法相比，儲能的快速充放能力使得風

5、電 功率平抑更為靈活，且不需要改變已并網(wǎng)的風電機 組控制。目前針對儲能在電力系統(tǒng)中的應用的綜述主要 側重于各類型儲能的特性介紹與比照 、儲 能系統(tǒng)的 構 建 方 式，以及在電力系統(tǒng)中的應用領域概述 等。然而，對于不同的應用領域 ，儲能系統(tǒng)的控 制目標和控制方法均不相同。即使對于同樣的應用 領域，不同控制方法的控制效果并不相同 ，所需的儲 能容量和功率也不同。本文將首先對目前已有的應 用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)示范工程進行介 紹，然后將對實際 應用中儲能系統(tǒng)的控制與配置這 一關鍵問題進行全面的綜述和總結 ，包括：儲能類型 的選取、儲能系統(tǒng)的功率與容量配置 、波動平抑控制 算法、儲能系統(tǒng)能量管

6、理等 個方面。 應 用 于 平 抑風電功率波動的儲能示 范工程表中列舉了局部世界上已有的應用于風電功 率平抑的儲能系統(tǒng)示范工程。下面將選取兩個示范 工程進行詳細的介紹。 · 綜述· 汪海蛟 ，等 應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)控制與配置綜述 表 儲能系統(tǒng)應用于平抑風電功率波動的示范工程 國家示范工程系統(tǒng)規(guī)模 、儲能類型與規(guī)模 風電 ；電 池儲能 · 至 年風電容量將到達 ；鋰 電池儲能 ·美國 風電 ；鋰 電池儲能 · 液流電池儲能 · 風電 ；鉛 酸電池儲能 ·日本 風電 ；液 流電池儲能 · 風電 ；超 級電

7、容儲能 ，鉛 酸電池儲能中國張北風光儲輸示范基地一期風電 ；光 伏發(fā)電 ；電 池儲能 中國張北風光儲輸示范基地中國張北國家風光儲輸示范基地儲能電站一期 規(guī) 劃 容 量 為 · ，其 中 · 的 磷 酸 鐵 鋰 電池已經(jīng)投入運 行。在儲能類型的選取方 面，示 范基地的磷酸鐵 鋰電池儲能 系 統(tǒng) 依 據(jù) 電 池 特 性 的不同分為能量型 ·和 功 率 型 · 兩種。功率型儲 能電池容量較小 ，但 其充放電功 率大，可達額定功率的兩 倍 ，適 用于平抑波 動以及系統(tǒng)調(diào)頻等應用。在儲能系統(tǒng)的功率和容量配置方面 ，示 范基地 研究人員基于歷史風電功率數(shù)據(jù) ，對不同

8、濾波時間 常數(shù)下平抑波動控制指標的滿足率進行分析 ，并 最 終確定滿足率 達 到 以 上 時 所 需 的 儲 能 容 量 和 功率以及濾波時間常數(shù)。在控制方法與能量管理方面 ，儲 能電站具有多 種運行模式，其中 平抑波動控制采用一階低通濾波 控制，并參加能量狀態(tài)反應環(huán)節(jié)和功率限幅環(huán)節(jié) ，目 前能夠?qū)崿F(xiàn) 內(nèi)風光儲聯(lián)合功率輸出最大波 動不超過的控制目標。 日本 風電場日 本 風 電 場 是 選 取 總 容 量 為 的風力發(fā)電機進行平抑波動的示范工 程。 儲 能 系 統(tǒng) 采 用 超 級 電 容 ·和 鉛酸電池 · 兩種儲能類型。超級電容用于平抑短時間尺度的功 率波動，鉛酸電池用于

9、平抑長時間尺度的功率波動 。平抑波動控制方法采用可變時間常數(shù)的一階濾 波控制，依據(jù)儲能 單元的充放電功率指令對濾波時 間常數(shù)進行實時調(diào)整。 并且，引入 了風電機組啟停 輔助控制，減小風 電機組啟停時功率的瞬時變化對 電網(wǎng)的沖擊。在風電機組將要啟動并網(wǎng)時 ，提 前釋 放局部能量，保證 儲能在風電機組并網(wǎng)時能吸收功 率，減緩功率的上 升；在 風電機組將要停機時，提 前 儲存局部能量，保 證儲能在風電機組停機時能釋放 功率，減緩功率的下降 。 應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)構架根據(jù)上述示范工程的介紹可以得出，儲 能類型 的選擇、儲能功率和容量的配置 、平抑波動控制算法 以及能量管理方法是儲能系統(tǒng)構

10、建的重要內(nèi)容 ，并 且這個方面之間相互聯(lián)系 、相 互影響。 應用于平 抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)一般構建方式如圖 所 示，平抑波動控制 算法依據(jù)實時的風電功率數(shù)據(jù)和 儲能系統(tǒng)的能量狀態(tài)得到儲能系統(tǒng)需補償?shù)墓β手?令。儲能系統(tǒng)的能量管理是基于儲能系統(tǒng)能量狀態(tài) 的反應機制，防止儲能系統(tǒng)的過充過放 ，同時可對多 單元的儲能系統(tǒng)進行管理。經(jīng)過儲能系統(tǒng)的功率補 償，風電和儲能系統(tǒng)的總輸出功率波動得到平抑 。圖 應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)根本構架 儲能類型的選取選取應用于風電功率波動平抑的儲能類型需要 對風電功率波動限制指標以及各類型儲能的技術與 經(jīng)濟特性進行綜合分析與評估。不同國家根據(jù)自身電力系統(tǒng)的

11、需求對風電場的 功率波動提出了不同的限制指標 ，甚至是兩個時間 尺度上的限制指標。 德國 電力公司以及 美國 電力公司對并網(wǎng)風電功率波動的限制 指標均是每 最大功率波動不超過其額定 功率 的。丹麥 電力公司要求 風電機組在 每 的波動率在額 定容量的 間可調(diào)整。而愛爾蘭 電力公司那么針對 和 ， 兩 個 時 間 尺度的功率波 動 提 出限制指標。 在英國，功率波動 指標是根據(jù)風電場的容量大小設 定 的， 以下的風電場 不 受 限 制， 的 風 電 場 最 大 功 率 波 動 不 能 超 過 ，而 以上的風電場最大功 率波動不能超過 。 日本東北電力公司 提出每 的最大功率波動不超過風電場額 定

12、功 率的，每 最大功 率波動不能超過 。 中國也依據(jù)風電場容量大小 ，在 和 兩 個時間尺度提出不同的功率波動限制指標?？梢钥闯?，系 統(tǒng)對風電功率波動所提出的限制 指標有兩個方面：時間尺度和波動幅值 。因此，儲能 類型的選取應當重點考慮該類型在波動限制指標時 間尺度上的功率特性表現(xiàn)，如圖所示。圖 不同類型儲能的功率等級 范圍及充放電時間尺度 根據(jù)目前已有的研究成果來看 ，平 抑短時間尺 度如 以下 的 功率波動，需 要儲能系統(tǒng)在短 時間內(nèi)快速反復充放電 ，因此多采用超級電容儲能 、 飛輪儲能、超導 磁儲能等功率密度大 、循 環(huán)壽命長，時間尺度的功率波動 ，而 電池儲能用來平抑較長時 間尺度的功

13、率波動。通過上述分析可以看出，在 儲能類型的選擇方 面，各類型儲能的技術特性研究與測試已比擬完善 ， 然而各類型儲能的經(jīng)濟性評 估 手 段 仍 有 待 深 入 研究。其關鍵難點主要有 ：除鋰電池、鉛酸電池和超 級電容之外，其他儲能類型的產(chǎn)業(yè)化仍不完善 ，供給 商單一，價格不透 明，投 資本錢評估較為困難； 目前儲能系統(tǒng)的實際商業(yè)應用工程仍較少 ，缺 乏實際數(shù)據(jù)對儲能系統(tǒng)的維護本錢 、檢修本錢等進行詳細 分析；應用于平 抑波動的儲能系統(tǒng)長期運行在頻 繁充放電切換的狀態(tài) ，而 儲能生產(chǎn)廠家提供的循環(huán) 壽命數(shù)據(jù)大多基于固定充放電深度的循環(huán)測試 ，所 以，儲能的實際運行壽命 、年損耗率等數(shù)據(jù)的評估較

14、為困難。因此，除 了各類型儲能技術自身的開展和 產(chǎn)業(yè)化之外，儲能應用的投資本錢、運行本錢等經(jīng)濟 性評估將是未來重要的研究方向。 儲能系統(tǒng)的功率和容量配置儲能系統(tǒng)的功率和容量配置需對波動 限 制 指 標、儲能類型的特性 、平抑波動控制和能量管理方法 進行全面的考慮，配置的目標是在滿足系統(tǒng)要求的 前提下盡量減少儲能功率和容量。目前已有的儲能 系 統(tǒng) 功 率 和 容 量 配 置 方 法 主 要 有 基 于 理 論 分 析，和基于仿真分析，兩種途徑?；诶碚摲治龅呐渲梅椒ㄒ话阆然跉v史數(shù)據(jù) 對風電功率的波動性進行分析和特征提取 ，然 后依 據(jù)功率波動特征如 最大波動、時 間尺度等 對 儲能 的功率和容

15、量進行估計。文獻提出在一階濾波 控制方式下，所需 儲能系統(tǒng)最小容量為濾波時間常 數(shù)與風電額定容量的乘積 ，但該結論未考慮是否滿 足波動限制指標以及儲能系統(tǒng)投入時的初始能量狀態(tài)。 文獻提出，欲平抑頻率區(qū)間的但能量密度不大的儲能類型；平抑較長時間尺 風電功率波動，需 要的超級電容儲能容量與一階濾 度數(shù)分鐘到數(shù)十 分鐘 的 功率波動，對 儲能系統(tǒng)的能量密度要求較高 ，多 采用電池儲能，如 鋰電池、鉛 酸電池、鈉硫電池以及液流電池等；而平抑長時 間尺度小時級以 上的 功率波動，對儲能系統(tǒng)的能 量儲存能力要求非常高 ，可采用的儲能類型有抽水 蓄能和壓縮空氣儲能，但 是這兩種儲能技術對地 理環(huán)境有特殊要求

16、，應用于風電場 的波動平抑存在 現(xiàn)實因素限制。假設應對長短兩個時間尺度的波動限 制指標，目前的研 究和工程示范大多采用兩種不同 特性的儲能類型組成混合儲能系統(tǒng)，如 超級電 容器和電池混合儲能系統(tǒng) ，超級電 容器用來平抑短 波時間常數(shù)以及風電功率在頻率上的最大 功率波動幅值有關。文獻根據(jù)系統(tǒng)有功功率和 頻率之間的關系，分析在不同濾波時間常數(shù)下儲能 對系統(tǒng)頻率偏差的改善作用 ，然后依據(jù)系統(tǒng)對頻率 偏差的需求，得到 適宜的儲能功率配置。 文獻 對風電場輸出功率中的波動分量進行積分 ，從 而得 到壓縮空氣儲能所需的功率和容量范圍 ，然 后根據(jù) 燃氣輪機的額定功率和臺數(shù)得到需要的儲氣空間。 算例分 析

17、顯 示，對 于 的 風 電 場 需 配 置 ·的壓 縮空氣儲能電站進行波 動平抑以滿足指標要求。文獻對需儲能平抑的 · 綜述· 汪海蛟 ，等 應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)控制與配置綜述 功率波動幅值大小進行概率分析 ，得到其累積概率 分布，超級電容用來平抑累積概率 以外的幅值 較大的波動，電池儲能用來平抑累積概率 以內(nèi) 的幅值較小的波動，從而得到了超 級電容和電池儲 能的功率配置?；诜抡娣治龅呐渲梅椒ㄒ话慊诖罅炕虻湫?的風電功率數(shù)據(jù)，利用已有的波動 平抑控制和能量 管理方法對平抑控制效果進行仿真分析 ，最 后得到 在滿足波動限制指標的前提下所需的最小儲能功

18、率 和容量。文獻 以 一 個 額 定 容 量 為 的 小 型風電場為對象，分析了采用不同 控制方法完成不 同波動限制指標所需的鋰電池儲能系統(tǒng)的功率和容 量。結果顯示，采用該文所提出的控制方法 ，要完成 “每 最大功率波動 不超過額定功率的 ，每 不超過 的 指標，需 配置 的 最 小 儲 能 功 率和容量分別為 ， ·，是 所有參與比照的控制方法中最少的?？梢钥闯?，真實、完整的風電功率歷史數(shù)據(jù)是儲 能系統(tǒng)的功率和容量配置的重要根底。 同時，儲 能 系統(tǒng)的配置結果與需滿足的波動限制指標 、擬 采用 的儲能類型、平抑 波動的控制方法以及能量管理方 法都有著緊密的聯(lián)系。 因此，儲能 的功率

19、和容量配 置的難點就在于如何對以上各方面進行全面的評估 和分析。本文提出一套基于仿真分析的儲能功率和 容量配置方法，如圖所示。圖 為風電場配置應用于平抑波動的 儲能系統(tǒng)的流程 首先，需確定 系統(tǒng)對風電場要求的波動限制指 標，包括時間尺度和波動幅值 。然后，依次選擇使用的儲能類型、平抑波動控制方法以及能量管理方法 。 接著，基于歷史風 電功率數(shù)據(jù)對波動平抑控制過程 進行大量仿真分析，并且可以調(diào)整儲能類型和控制 方法。由此，可以 得到在不同儲能類型以及不同控 制方法下，所需的儲能功率和容量 。最后，對不同的 配置方案進行經(jīng)濟性和可行性評估 ，得 到最適合于 該風電場的儲能配置方案。 波動平抑控制算

20、法目前已有研究采用的波動平抑控制算 法 主 要 有： 一 階 濾 波 控 制 算 法 最 常 用 ， 和 滑 動 平 均 控 制算法，；卡 爾 曼 濾 波、小 波 濾 波等 方 法； 模 型 預 測 控 制、基 于 專 家 系 統(tǒng) 的 控 制 算 法，等其他控制方法。 一階濾波控制和滑動平均控制一階濾波控制算法是目前應用最廣泛的控制算 法，其根本原理是 風電功率經(jīng)過一階濾波環(huán)節(jié)得到 平抑后的目標功率，而目標功率與風電功率之間的 差值即為儲能系統(tǒng)需補償?shù)墓β手噶睢Ｒ浑A濾波算 法原理簡單，其關鍵控制參數(shù)是濾波時間常數(shù) 。 時 間常數(shù)越大，平抑后的功率越平滑，而需要的儲能功 率和容量也 越 大；時

21、間 常 數(shù) 越 小，功 率 平 抑 效 果 越 小，而需要的儲能功率和容量也越小 。同時，假設使用 混合儲能對不同時間尺度的波動進行平抑 ，可 為不 同的儲能類型設計不同時間常數(shù)的濾波器。由于風 電功率波動的不確定性 ，簡單的一階濾波控制不一 定能保證基于時間窗口 如 內(nèi)， 內(nèi)等 提出的波動限制指標完全被滿足。 因此，在 實際應 用中，基于確定的功率波動限制指標 ，如何選擇或調(diào) 整濾波時間常數(shù)成為重要的研究內(nèi)容。文獻基 于真實的風電功率數(shù)據(jù) ，在 不同時 間尺度分析了濾波時間常數(shù)的大小對風電波動平抑 效果以及所需的儲能功率和容量的影響 ，并 提出了 功 率 積 分 時 間 尺 度 ， 和 標

22、準 差 ， 兩個功率波動特性評價指標 。文獻，將 一階濾波與斜率限制控制相結合 ，以保證功率波動 限制指標的實現(xiàn)。文獻使用兩個變時間常數(shù)的 一階濾波分別控制超級電容器和蓄電池 ，各 濾波時 間常數(shù)分別隨各儲能類型的實時充放電功率變化而 變化，變化的函數(shù) 關系參數(shù)由粒子群算法基于歷史 功率曲線離線優(yōu)化得到 ，針對不同的波動限制指標 可得到不同的函數(shù)關系。文獻提出了時間常數(shù) 實時優(yōu)化的一階濾波控制方法 ，基于風電功率的超 ，短期預測，以 未來 使用的儲能容量最小為優(yōu) 化目標，以風電與 儲能總輸出功率滿足波動限制指 標為 約 束，對 濾 波 時 間 常 數(shù) 進 行 實 時 優(yōu) 化；并 引 入 和 兩

23、 個時間 尺 度之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化 策略，在滿足兩個時間尺度的波動限制指標的同時 ， 減小儲能容量的使用?；瑒悠骄刂婆c一階濾波控制原理類似 ，其 關 鍵參數(shù)是滑動窗口的寬度。文獻將滑動平均控 制與斜率限制控制相結合 ，并提出 了功率完全補償 時間百分比 和 能 量 補 償 百分比兩個功率波動平 抑效果評價指標。 卡爾曼濾波和小波濾波控制卡爾曼濾波、小 波濾波等可自適應的濾波算法 在處理風 電 功 率 的 波 動 特 性 方 面 具 有 優(yōu) 勢。 文 獻使用卡爾曼濾波控制鋰電池儲能對風電功率進 行平抑，并引入了 基于復雜邏輯的儲能能量狀態(tài)反 饋控制。文獻采用實時 小波濾波控制方法 ，對 滾動時段內(nèi)

24、的風電功率曲線進行實時小波分解 ，高 頻波動分配給超級電容器平抑 ，低 頻局部分配給鋰 電池平抑，充分地發(fā)揮了超級電容響應速度快 、循環(huán) 壽命長的優(yōu) 勢，減少 了鋰電 池的充放電切換 次 數(shù)。 同時，風 電 與 儲 能 的 總 功 率 輸 出 滿 足 和 兩個時間尺度的波動限制指標 。 模型預測控制等其他控制方法模型預測控制是一種基于過程預測的在線優(yōu)化 啟發(fā)式控制方法。文獻使用模型預測控制方法 控制鋰電池對風電功率波動進行平抑 ，并 引入功率 波動粗糙度懲罰因子 ，使得在滿足兩個時間尺度的 波動限制指標的同時進一步平滑了風電與儲能總輸 出功率，并減少了使用的儲能容量 ?；趯＜蚁到y(tǒng)的控制算法是

25、指基于風電實時功 率以及儲能能量狀態(tài)等因素 ，通過 一系列預先指定 的規(guī)那么之后得到滿足波動限制指標的儲能補償功率 指令。文獻針對超級電容器和蓄電池組成的混 合儲能系統(tǒng)，提出了一種雙層控制模型 ，并建立專家 信息庫，根據(jù)實時風電功率及儲能的能量狀態(tài) ，檢索 預制的專家信息庫，可得到充放電 控制器相應的控 制算法。從上述分析可以得出 ，通 過對根本波動平抑控 制算法進行各種改良 ，波動限制指標的實現(xiàn)已不再 是技術難題。然而，由于目前儲能 系統(tǒng)的本錢仍比 較高，因此，如何在滿足波動限制指標的同時減少儲 能容量的使用成為未來需解決的關鍵技術問題 ，即 如何在滾動的時間窗口內(nèi) ，使用較 少的儲能容量將

26、 風電功率最大波動限制在指標內(nèi)。解決這一問題的 主要途徑如下。風電功率序列的超短期實時預測波動限制指標是基于任意一個時段內(nèi) 如 任意 內(nèi)提 出 的，于 是，在 實 時 控 制 中，如 果 能 夠 對下一個時段內(nèi)的風電功率序列做出準確的預測， 將有利于當前時刻做出最優(yōu)的控制策略。 然而，目 前已發(fā)表的關于風速以及風電功率的超短期預測的 研究大多是針對固定的時間段的均值，不 能滿 足平抑波動這種短時功率控制應用的需求。多時間尺度滾動實時控制由于風電功率的不確定性，一 個時段內(nèi)的靜態(tài) 控制難以保證波動限制指標的實現(xiàn)以及儲能容量的 優(yōu)化利用，引入多 時間尺度的滾動實時控制是解決 這一問題的最有效途 徑

27、 之 一。 在 作 者 的 前 期 工 作，中，將 滾動控 制的思想分別應用 在 模 型 預測控制、一階濾波控制 以及混合整數(shù)規(guī)劃 種算 法中，在滿足波動 限制指標的同時減少了儲能容量 的使用。但是，滾動控制參數(shù)的實時調(diào)整策略 、滾動 窗口的時間尺度與波動限制指標的時間尺度之間的 協(xié)調(diào)策略，以及實 時計算速度的提升仍然是未來面 向?qū)嶋H應用需進一步研究的重要問題。 儲能系統(tǒng)的能量管理波動平抑算法解決的是如何將風電功率波動平 抑到滿足波動限制指標的問題。 而在實際應用中， 由于風電功率變化的不確定性 ，配置的儲能功率和 容量未必能夠完全滿足平抑控制的需要。儲能剩余 能量過高時，無法滿足充電指令，過

28、低時無法滿足放 電指令。另外，對于電池儲能系統(tǒng)，過充過放也會對 其使用壽命產(chǎn)生影響。 因此，儲能系統(tǒng)的實時能量 管理也是應用于風電功率波動平抑的重要內(nèi)容。根據(jù)儲能系統(tǒng)在平抑波動領域的一般 應 用 形 式，可將儲能系統(tǒng)的能量管理分為 個層面：不同 類型儲能之間的能量協(xié)調(diào)管理 ； 單個類型儲能的 能量管理；單個 類型儲能內(nèi)部各單元之間的能量 協(xié)調(diào)管理。 不同類型儲能之間的能量協(xié)調(diào)管理不同類型儲能之間的能量協(xié)調(diào)管理重點在于充 分發(fā)揮不同類型儲能的優(yōu)勢 ，減少單個類型儲能過 充過放的情況，延長混合儲能系統(tǒng)整體循環(huán)壽命 。文獻利用超級電容的實時端電壓來決定蓄 電池的充放電策略，同時依據(jù)風電場的實際運行數(shù)

29、 據(jù)對超級電容的容量 、上 下限門檻電壓和裕量系數(shù) 進行設定，從而減少蓄電池的充放電頻率 ，延長其使 · 綜述· 汪海蛟 ，等 應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)控制與配置綜述 用壽命。文獻依據(jù)超級電容和蓄電池的能量狀 態(tài)不斷調(diào)整滑動平均算法的窗口寬度和補償系數(shù)， 防止儲能系統(tǒng)的過充過放。文獻依據(jù)超級電容 的端電壓和預設的專家規(guī)那么 ，對超 級電容和鋰電池 的充放電功率指令進行實時修正 ，使超級電容處于 高能量狀態(tài)時少充電多放電 ，處于 低能量狀態(tài)時少 放電多充電。文獻設計了基于鋰電池充放電狀 態(tài)的協(xié)調(diào)控制策略。 當鋰電池為放電狀態(tài)時，使 超 級電容的能量狀態(tài)保持在較低水平

30、，以 應對可能突 發(fā)的充電指令；反之，使超級電容的能量狀態(tài)保持在 較高水平，以應對可能突發(fā)的 放電指令。 文獻 在一階濾波環(huán)節(jié)之后 ，增加了一個基于神經(jīng)網(wǎng)絡的 儲能能量管理系統(tǒng)，根據(jù)超級電容 和鉛酸蓄電池的 能量狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整了兩個儲能單元的充放電指令 ， 減少了儲能容量的使用。文獻依據(jù)鋰電池的能 量狀態(tài)動態(tài)調(diào)整一階濾波時間常數(shù) ，進 而動態(tài)分配 超導磁儲能和鋰電池的補償功率 ，延長鋰電池的使 用壽命。 單個類型儲能的能量管理單個類型儲能的能量管理重點在于完成平抑波 動指令與減少過充過放之間的協(xié)調(diào)平衡。通過引入 儲能能量狀態(tài)的反應控制 ，動態(tài)調(diào) 整儲能的充放電 功率指令，防止儲能的過充過放 ，

31、從而保證了平抑波 動控制長期運行的有效性 ，延長了 儲能系統(tǒng)的循環(huán) 使用壽命。但是，波動平抑的效果一般都有所損失 。 目 前已有的能量 狀 態(tài)反應控制 方法 主要有以 下種：傳遞 函 數(shù) 分 析； 充放電功率動態(tài)限 幅，； 復 雜 邏 輯，或 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡； 動 態(tài)優(yōu)化，。文獻在 一階濾波環(huán)節(jié)之后 ，增 加了以儲能 系統(tǒng)剩余能量狀態(tài)和一階濾波輸出值為輸入的比例 反應環(huán)節(jié)，并分析了反應控制參數(shù)的選取原那么 ，改善 了長時間運行過程中由于儲能系統(tǒng)過充過放導致的 平抑控制失效問題。超級電容的端電壓可表征其能 量狀態(tài)，因此文獻引入電壓控制環(huán)和電壓限制 模塊，當電壓過高時限制充電功率 ，當電壓過低時限

32、 制放電功率。文獻在卡爾曼濾波環(huán)節(jié)之后參加 基于復雜邏輯的反應控制 ，依據(jù)儲 能系統(tǒng)的充放電 功率和能量狀態(tài)對卡爾曼濾波的控制參數(shù)進行實時 調(diào)整。飛 輪 儲 能 的 轉 速 反 映 了 其 能 量 狀 態(tài)，文 獻基于歷史風 電功率曲線 ，以時 段內(nèi)飛輪功率變 化量最小為優(yōu)化目標，以波動限制指標為約束 ，優(yōu)化 得到飛輪的最優(yōu)轉速序列 ，并通過 大量的仿真驗證 與統(tǒng)計，得到最優(yōu) 轉速與風電功率平均值之間的近 似線性關系，于是 在一階濾波環(huán)節(jié)之外參加基于比 例積分控 制 的 最 優(yōu) 轉 速 反 饋 環(huán) 節(jié) ，使 得 飛 輪 在平抑功率波動的同時能夠盡量保持在最優(yōu)轉速附 近。文獻依 據(jù)鋰電池儲能系統(tǒng)的

33、能量狀態(tài) ，動 態(tài)調(diào)整濾波時間實時常數(shù)優(yōu)化算法中兩個時間尺度 的波動限制指標。當儲能系統(tǒng)的能量狀態(tài)在合理范 圍之內(nèi)時，執(zhí)行最嚴格的波動限制指標 ；當儲能系統(tǒng) 的能量狀態(tài)過高且儲能系統(tǒng)的預測充放電指令為充 電時，或者當儲能 系統(tǒng)的能量狀態(tài)過低且儲能系統(tǒng) 的預測充放 電 指 令 為 放 電 時 ，松 弛 波 動 限 制 指 標。 通過動態(tài)調(diào)整波動限制指標來緩解儲能系統(tǒng)過充過 放的壓力，而不是直接調(diào)整儲能的功率指令 ，使得平 抑波動控制的效果更加可控。 儲能內(nèi)部各單元之間的能量協(xié)調(diào)管理應用于平抑風電功率波動的儲能系統(tǒng)一般由多 個儲能單元并聯(lián)組成。為應對風電功率變化的不確 定性，儲能系統(tǒng)在 運行過程中

34、應始終保持具有最大 的充放電能力，即 防止個別儲能單元因能量狀態(tài)過 高或過低而影響充放電指令響應。這就要求單類型 儲能系統(tǒng)內(nèi)部各單元的能量狀態(tài)盡可能保持一致。 同時，應用于平抑 功率波動的儲能系統(tǒng)需要頻繁地 進行充放電切換，由于各儲能單元在能量轉換效率 等方面的差異性，各單元的能量狀態(tài)一致性難以僅 通過平均分配功率的簡單方法保證。文獻在確定了整個儲能系統(tǒng)的充放電功率 指令之后，設計了基 于專家邏輯的 層調(diào)整機制對 各儲能單元的充放電功率指令進行調(diào)整 ，依 據(jù)各儲 能單元剩余能量狀態(tài)比例進行充放電功率指令的分 配，同時考慮了各儲能單元的最大充放電功率約束 ， 以及各儲能單元之間的能量狀態(tài)一致性。

35、文獻 提出了基于混合整數(shù)二次規(guī)劃的儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率 優(yōu)化分配方法。該方法以各儲能單元剩余容量標準 差最小為優(yōu)化目標，考慮了各儲能單元充放電切換 次數(shù)約束、最大充放電功率約束 、過充過放限制約束 等，在滿足功率指令的同時 ，保證了各儲能單元的能 量狀態(tài)一致性，并 且減少了各儲能單元的平均充放 電切換次數(shù)，延長了儲能系統(tǒng)的使用壽命 。通過上述分析可以看出，目 前已有的儲能系統(tǒng) 能量管理方面的研究重點關注的根本都是防止 “過 充過放等危害 儲能使用壽命的情況。 而在實際工 程應用中，還有一 個需重點關注的內(nèi)容是如何在安 全運行情況下延長儲能的循環(huán)使用壽命 ，這 是關系 到儲能系統(tǒng)投資經(jīng)濟性的重要方面

36、。在已發(fā)表的關 于電池等儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命的研究中 ，大 多是基于恒定電流、恒定放電深度， 測試得到儲能系統(tǒng)可循環(huán)次數(shù)。 然而，在 平抑 ，功率波動、參與系統(tǒng)調(diào)頻等短時間尺度的應用中 ，儲 能的充放電功率隨機變化 ，不可能按 照既定的 進行充放電，其充 放電切換的次數(shù)不能對應到循環(huán) 壽命進行分析和評估。在作者的前期工作中，對 比分析了在滿足功率指令的前提下 ，儲 能單元 約束和充放電持續(xù)時間約束兩種約束條件對儲能單 元充放電切換次數(shù)的影響。 不過，未來有兩個問題 需要進一步研究。各類型儲能技術，尤其是電池儲能 ，在充放電 功率隨機變 化 狀 況 下 的 循 環(huán) 壽 命測試以及評估方 法。與恒定

37、循 環(huán) 測 試 相 比，由 于 儲 能 的 每 次 充放電循環(huán)都不相同 ，儲能的循環(huán)壽命不能簡單地 用可循環(huán)次數(shù)表征，應該引入能更 清晰地反映儲能 全壽命運行過程的表征量 ，比方可循環(huán)總能量 、可連 續(xù)使用年限等。這對儲能應用工程的投資評估也十 分重要?？紤]儲能 系統(tǒng)循環(huán)壽命的能量管理方法 ，在 滿足充放電指令的同時延長儲能系統(tǒng)的循環(huán)壽命。 在儲能的循環(huán)壽命評估的根底上 ，提煉影響平抑波 動運行 模 式 下 儲 能 循 環(huán) 壽 命 的 關 鍵 因 素，如 平 均 、平 均 充 放 電 循 環(huán) 幅 度 和 循 環(huán) 周 期 等 ，并 引 入 到儲能系統(tǒng)的實時能量管理中 ，進 而延長儲能系統(tǒng) 的循環(huán)壽命。 結語本文對儲能系統(tǒng)應用于平抑風電功率波動領域 的假設干重要問題進行了綜述和總結。在儲能類型的選擇方面 ，本 文提出應重點考慮 各類型儲能在波動限制指標規(guī)定的時間尺度上的功 率特性表現(xiàn)。同時，各類型儲能的 投資經(jīng)濟性評估 是未來儲能系統(tǒng)進一步應用