楊水麗，惠 東，李建林，梁 亮，李 蓓

（中國電力科學(xué)研究院，北京市，100192）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)電場的建設(shè)也在逐步加快。但是，由于風(fēng)電輸出受天氣和地理條件等影響具有很大的波動特性，導(dǎo)致風(fēng)電輸出對電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性會造成很大的影響，這在一定程度上制約了風(fēng)電的快速發(fā)展。因此，為了促進風(fēng)能的利用與發(fā)展，必須減小風(fēng)電的輸出波動。

本文致力于風(fēng)電輸出波動的平滑技術(shù)研究，依據(jù)成本/性能比，利用計算機仿真來推導(dǎo)獲取最佳電池功率與容量。

目前，日本和芬蘭等國家對風(fēng)電功率波動的平滑化進行了比較深入的研究，并提出了應(yīng)用儲能平滑風(fēng)電波動的運算法則及評估標準[1-2]。在對風(fēng)電輸出波動平滑效果的判據(jù)方面，日本的研究者提出了平滑時間常數(shù)-電池容量特性和平滑時間常數(shù)-系統(tǒng)輸出效率特性[2]，依據(jù)成本/性能比得出最佳的電池容量。而平滑時間常數(shù)-系統(tǒng)輸出效率特性的獲取依賴于實際應(yīng)用的儲能系統(tǒng)的效率，在儲能系統(tǒng)的電池類型未確定的情況下，則存在獲取儲能系統(tǒng)效率困難的問題，故此判據(jù)存在一定的局限性。

在研究平滑時間常數(shù)-電池容量特性的基礎(chǔ)上，本文提出了一種新的判據(jù)，即平滑時間常數(shù)-合成輸出標準偏差特性。通過分析這2種特性之間的特點，同時依據(jù)成本/性能比來確定合適的時間常數(shù)，使其既能滿足風(fēng)電輸出平滑化的需求，又能使電池容量比較小，而且在儲能系統(tǒng)的儲能電池未確定的情況下，也能得出最佳的儲能系統(tǒng)參數(shù)。

1 平滑化原理及評估指標

利用電池存儲系統(tǒng)來平滑風(fēng)電輸出的波動，通過控制電池存儲系統(tǒng)使風(fēng)電功率輸出和電池存儲系統(tǒng)功率輸出的總和嚴格追隨著輸出目標值。輸出目標值的大小通過1個低通濾波器過濾風(fēng)電輸出功率而得到。電池出力要求值為輸出目標值與風(fēng)電出力的差，如果電池輸出是正值，表示電池放電；如果電池輸出是負值，則表示電池充電。最后，系統(tǒng)輸出（合成輸出）是電池輸出與風(fēng)電輸出的總和。所需存儲系統(tǒng)功率與容量的求取在文獻[1]中有詳細描述。

對風(fēng)電輸出波動平滑的效果分析采用2個評估指標，即風(fēng)電輸出的標準偏差和波動變化率。

（1）標準偏差。

標準偏差可以衡量一個隨機變量偏離它的均值程度。若曲線越平滑，標準偏差越小，表征隨機變量偏離均值越小。在這里用標準偏差作為評估長時間段內(nèi)風(fēng)電輸出波動的評估指標。

（2）輸出波動的變化率。

波動的變化率為相鄰兩輸出差的絕對值，這是一個評估短時間段內(nèi)風(fēng)電輸出波動的評估指標。

2 實例計算

實例計算依據(jù)張北某風(fēng)電場49.5 MW級系統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)（energy management system，EMS）中10個月（2008年6月—2009年3月）的功率數(shù)據(jù)，采集時間間隔為5 min，風(fēng)電功率所測數(shù)據(jù)如圖1所示。

由圖1可知，其風(fēng)電出力特性為：全網(wǎng)風(fēng)電低于10%額定功率的概率為38%，出力為20%～30%額定功率的概率為14%，而出力超過50%額定功率的概率為15%。對風(fēng)電出力特性的研究，有益于最佳電池容量選取的經(jīng)濟性分析。

風(fēng)電功率波動的變化率如圖2所示。由圖2可知，風(fēng)電功率波動變化率分布在20%額定功率值（10 MW）范圍內(nèi)，其最大的波動變化率達到40%額定功率值（20 MW）。由此可見，未加入儲能系統(tǒng)的風(fēng)電功率的波動是大而頻繁的，因此需要加入儲能系統(tǒng)對其波動進行平滑。

依據(jù)此風(fēng)電系統(tǒng)功率測量數(shù)據(jù)，以不同時間常數(shù)t來計算輸出目標值，功率積分區(qū)間為1天，得出平滑所需的電池功率與電池容量，然后統(tǒng)計電池功率與電池容量的主要概率分布區(qū)域，得出最佳的儲能系統(tǒng)的功率與容量大小。計算結(jié)果如表1所示，不同平滑時間常數(shù)下對應(yīng)的平滑效果如圖3所示。

表1 不同平滑時間常數(shù)下所需電池功率與容量Tabb.1 Battery power and capacity needed under different time constants

由表1和圖3可知，隨著平滑時間常數(shù)的增大，平滑效果越好，但所需電池功率和電池容量也隨之增大。因此，從性能與成本的角度來考慮，需要選取一個既能達到較好的平滑效果，又能比較經(jīng)濟的平滑時間常數(shù)。

3 平滑時間常數(shù)-合成輸出標準偏差特性

由于所需電池功率與容量的求取是以功率積分區(qū)間為1天，統(tǒng)計303天（10個月）的電池功率與容量的主要概率分布區(qū)域來得出最佳值。因此，則可選取特征日（2008年6月1日）的輸出數(shù)據(jù)來對平滑時間常數(shù)-電池容量特性和平滑時間常數(shù)-合成輸出標準偏差特性進行分析，得出最佳的平滑時間常數(shù)。

平滑時間常數(shù)與電池容量成正比關(guān)系，如圖4所示（2008年6月1日）。而標準偏差與平滑效果呈相對的反比關(guān)系，因此，可得出時間常數(shù)-合成輸出標準偏差的特性關(guān)系，如圖5所示（2008年6月1日）。

由圖5可知，合成輸出的標準偏差隨時間常數(shù)的增加而減小，當(dāng)時間常數(shù)增大，合成輸出的標準偏差減小，即表示電池容量越大，合成輸出偏離它均值的偏差越小，得到的合成輸出曲線越平滑。但當(dāng)平滑時間常數(shù)增大到7000 s的時候，隨著平滑時間常數(shù)的增大，標準偏差減小的幅度緩慢，對合成輸出曲線平滑效果的改善越來越不顯著。

由圖3也可以非常直觀地看出，隨著時間常數(shù)t的增大，合成出力的曲線愈平滑，但平滑的效果隨著t的增大越發(fā)地趨于接近，當(dāng)時間常數(shù)超過7000 s后，對平滑效果的改善越來越小。

選擇中節(jié)能風(fēng)電場其他日的功率數(shù)據(jù)進行平滑時間常數(shù)-電池容量特性和平滑時間常數(shù)-合成輸出標準偏差特性分析，仍發(fā)現(xiàn)當(dāng)時間常數(shù)超過7000 s后，所需電池容量增大，但對平滑效果的改善越來越不顯著。

因此，從成本/性能的視角來說，7000 s是適用于本風(fēng)電場的最佳平滑時間常數(shù)。對應(yīng)此平滑時間常數(shù)的電池功率選取10 MW，電池容量選取50 MW·h，是假定系統(tǒng)設(shè)置最佳的參數(shù)，如表2所示。

表2 最佳平滑時間常數(shù)對應(yīng)的所需電池功率與容量Tab.2 Battery power and capacity underr optimal time constants

由于風(fēng)電場風(fēng)資源的不同，平滑時間常數(shù)7000 s不一定是任意50 MW級風(fēng)電系統(tǒng)的最經(jīng)濟參數(shù)，但此判據(jù)與推導(dǎo)方法適用于任意功率等級任意風(fēng)電場儲能系統(tǒng)參數(shù)的選定。

4 平滑結(jié)果分析

選取平滑時間常數(shù)7000 s、電池功率10 MW以及電池容量50 MW·h對風(fēng)電輸出進行平滑時，平滑效果通過比較圖2和圖6（t=7000 s）的功率波動變化率來檢驗。

（1）由圖2可知，風(fēng)電原始輸出的功率波動變化率主要分布在20%額定功率值（10 MW）范圍內(nèi)，功率波動變化率分布在2%額定功率值（1 MW）范圍內(nèi)的比例為96%；

（2）當(dāng)選取平滑時間常數(shù)t為7000 s進行平滑后，合成輸出功率波動的變化率主要集中在4%額定功率值（2 MW）范圍內(nèi)，功率波動變化率分布在2%額定功率值范圍內(nèi)的比例為99.5%，如圖6所示。

通過比較得知，對風(fēng)電出力進行平滑后，功率波動的變化率得到了有效的壓制，功率波動的變化率的主要分布區(qū)域由20%減小到了4%額定功率值范圍內(nèi)。因此，對功率波動的平滑是成功的。

5 結(jié)論

本文通過電池功率、電池容量與平滑效果的定量關(guān)系，得出平滑時間常數(shù)-電池容量特性與平滑時間常數(shù)-合成輸出標準偏差特性，依據(jù)成本/性能比得到應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)最優(yōu)化的設(shè)計。此推導(dǎo)方法適用于不同等級的任意風(fēng)電場的儲能系統(tǒng)參數(shù)的選定。

[1]Jukka V P，Peter D L.Effect of energy storage on variations in wind power[J].Wind Energy，2005，8（4）：424-441.

[2]Shiji W，Ryohei O.An investigation on optimal battery capacity in wind power generation system[R].Dept.of EE&Bioscience，Waseda University，Tokyo，Japan.

[3]Key T，GomatomK，Kamath H.Smoothing short-term power fluctuations[R].California,EPRI，2005.

[4]Jantharamin N，Zhang L.A new dynamic model for Lead-Acid batteries[J].Institute of Electrical Engineering CAS，IEEE Xplore，2009：86-90.

[5]Zbigniwe L，Janusz W B.Supervisory control of a wind farm[J].IEEE Transactions on Power Systems，2007，22（3）：985-994.

[6]Mary B，Goran S.Value of bulk energy storage for managing wind power fluctuations[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22（1）：197-205.

[7]Iulian M，Seddik B，Antoneta Iuliana，Energy-Reliability optimization of wind energy conversion systems by sliding mode control[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2008，23（3）：975-985.

[8]Johan H E.Interconnecting large-scale wind power to transmission networks[C].IEEE PES Power Africa 2007 Conference and Exposition Johannesburg，SouthAfrica，2007.

[9]Masashi A，Akihiko Y，Yasuyuki T.Evaluation of battery system for frequency control in interconnected power system with a large penetration of wind power generation[C].International Conference on PowerSystem Technology，North ChinaElectricPower Vniversity，2006：1-7.

[10]Vladislav A，Peter B E.A large wind power system in almost island operation-a Danish case study[J].IEEE，2007，22（3）：937-943.

[11]Chen Z.Issues of connecting wind farms into power systems[C].IEEE/PES Transmission and Distribution Conference&Exhibition∶Asia and Pacific，Dalian，2005.

[12]張步涵，曾 杰，毛承雄，等.電池儲能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（14）：54-58.

[13]李春蘭，晁 勤.風(fēng)電系統(tǒng)電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型及其仿真[J].計算機仿真，2006，23（4）：220-224.

[14]徐家澎.風(fēng)力發(fā)電場接入系統(tǒng)方案分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，1999，17（6）：6-14.

[15]張紅光，張粒子，陳樹勇，等.大容量風(fēng)電場接入電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定特性和調(diào)度對策研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27（31）：45-51.

[16]吳義純，丁 明，張立軍.含風(fēng)電場的電力系統(tǒng)潮流計算[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25（4）：36-39.

[17]李 蓓，郭劍波，惠 東，等.液流儲能電池在電網(wǎng)運行中的效率分析[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29（35）：1-6.