平抑风电波动的混合储能容量配置及控制策略

岳东

国家电投集团黄河上游水电开发有限责任公司海南风电分公司

摘要：构建新型电力系统是实现“双碳”目标的必由之路，已上升为国家发展战略。风能以清洁、高效、无污染等特点成为近年新能源发展的热点。风电装机规模的持续增长在带来巨大经济效益和环境效益的同时，也给电网带来了巨大的挑战。风力发电具有较强的波动性、间歇性和随机性，其对电网可靠运行、经济运行造成的不利影响也日趋严重。

关键词：混合储能系统；风电功率波动；容量配置

1电解制氢-超级电容混合储能系统功率选择与容量配置

将储能系统直接接在“源侧”，即在风电并网前对风电功率波动进行平抑，从而使风电场输出功率满足相关规定，减小风电波动对电网造成的不利影响。本文采用电解制氢-超级电容混合储能系统平抑风电波动。能量型储能元件电解槽主要用于吸收低频功率。功率型储能元件超级电容承担吸收高频功率和向电网释放功率的任务。

1.1混合储能系统额定功率选择

本文从储能系统的经济性以及最大限度满足平抑波动需求2个角度出发，制定了混合储能系统额定功率的配置原则。首先对混合储能系统输出功率Ps(t)进行概率统计，并对其进行正态分布拟合，得到拟合曲线的均值μ和σ标准差，则输出功率Ps(t)为

式中：Ps(t)为t时刻混合储能系统输出功率，其正值代表储能系统充电，负值代表储能系统放电；Pw(t)为t时刻风电原始出力；Pg-ref(t)为在满足风电场输出功率波动量标准的前提下，经过自适应滑动平均滤波（moving average filter，MAF）算法得到的t时刻的并网功率参考值。

不同置信水平下储能系统的额定输出功率PN(p)为

式中：p为置信水平；zp为不同置信水平p对应的z分位数。

波动平抑效果和储能系统容量呈线性关系，即储能容量越大波动平抑效果越好。两者之间存在“转折点”，当储能系统的功率大于转折点对应的功率后，波动平抑效果开始趋于平缓。若继续增大储能系统容量，波动平抑效果基本不变，但系统经济性大幅度降低。因此，本文将转折点对应的功率配置为额定功率，实现在满足系统要求的前提下尽量减少储能功率配置的目标。本文通过并网功率波动率δ(t)来衡量安装混合储能系统后风电波动的平抑效果，并网功率波动率为

式中：Pg(t)为安装储能系统后t时刻的并网功率；Prate为风电场额定装机容量。

1.2混合储能系统额定容量

基于电解槽吸收低频功率和超级电容吸收高频功率的工作特性，本文通过MAF算法再次对混合储能总体功率指令Ps(t)分解，得到的低频功率分量作为电解槽的功率Pel(t)，Ps(t)与Pel(t)做差得到超级电容的功率Psc(t)。

吸收相同电量时，电解槽的成本远低于超级电容，为提高混合系统的经济性应尽可能减少超级电容的容量。因此，使用MAF算法分解时通过调节滑动窗口大小进而调节超级电容出力，使得超级电容容量最小，达到经济性最优的目标。将全年储能总体功率指令序列T划分为K个充放电周期，则1个周期内超级电容的额定容量为

式中：E(t)为t时刻超级电容剩余容量；ηC、ηD分别为超级电容的充、放电效率；t为时间间隔；ts为1个储能充放电周期时长；Eisc为通过计算得到的第i个周期的超级电容的额定容量；Ssc_max、Ssc_min分别为超级电容荷电状态的上限和下限。

2混合储能系统运行控制策略

荷电状态是指剩余电量与额定容量的比值，为避免储能系统完全充放电，超级电容的荷电状态有一定的上下限值。t时刻超级电容的荷电状态Ssc(t)为

通过MAF算法分解储能出力为理论值，而实际运行时超级电容出力受到荷电状态的约束。因此本文从超级电容的荷电状态出发制定混合储能系统协调运行控制策略。

（1）混合储能吸收功率。当功率指令Ps(t)≥0时，此时混合储能系统承担消纳功率的任务。依据超级电容的荷电状态可以分为以下3种工况。

工况1：当超级电容的荷电状态Ssc取值范围为（Ssc_max+Ssc_min）/2≤Ssc≤Ssc_max时，超级电容和电解槽共同吸收功率。超级电容吸收功率值为混合储能吸收功率与电解槽吸收功率的差值。电解槽的吸收功率为

工况2：当荷电状态Ssc取值范围为时Ssc≤（Ssc_max+Ssc_min）/2，此时功率全部由超级电容吸收。

工况3：当超级电容的荷电状态Ssc取值范围为Ssc_max≤Ssc≤1时，此时超级电容停止充电，混合储能系统停止运行，直至混合储能系统发出放电指令。

（2）混合储能释放功率。当功率指令Ps(t)＜0，此时混合储能系统承担放电的任务，该部分功率全部由超级电容提供。依据超级电容的荷电状态可以分为以下2种工况。

工况4：当荷电状态Ssc取值范围为Ssc≥SSC_min时，此时超级电容正常放电。

工况5：当荷电状态Ssc取值范围为0≤Ssc＜SSC_min时，此时超级电容的荷电状态小于最小值，不能继续放电，混合储能系统停止工作直至混合储能系统发出充电指令。

此外，电解槽运行功率受额定功率Pel的限制，若t时刻电解槽的功率指令大于其额定功率则电解槽按额定功率运行，否则按正常分配功率运行。

结语

在风电场侧加装混合储能系统以平滑风电出力是减小风电功率波动对电网安全性、可靠性、稳定性带来的不良影响的有效途径，本文研究了超级电容与电解制氢相结合的混合储能系统容量配置方法，并制定了基于超级电容的荷电状态的运行控制策略，加装储能系统后风电波动取得了良好的平抑效果。

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