禹爭(zhēng)光 鄭 謙 薛慧婷 楊德存

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

風(fēng)電對(duì)儲(chǔ)能電池的計(jì)算和選取方法

禹爭(zhēng)光 鄭 謙 薛慧婷 楊德存

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

文章以某風(fēng)場(chǎng) 1.5MW 風(fēng)機(jī)風(fēng)能數(shù)據(jù)為例， 首先通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型和指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均值算法， 統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間常數(shù)對(duì)于平滑電能的關(guān)系，獲取較佳的時(shí)間常數(shù)值，然后對(duì)風(fēng)電配套存儲(chǔ)電池的電池功率與電池容量進(jìn)行計(jì)算分析。最后給出最佳電池功率和容量的判據(jù)原則。

風(fēng)電能；功率波動(dòng)；模擬計(jì)算；電池功率和容量

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電成本降低和技術(shù)日趨成熟，近年來(lái)國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)也呈高速發(fā)展趨勢(shì)。然而，因風(fēng)電電能輸出受天氣、地理?xiàng)l件、氣流紊流和風(fēng)機(jī)塔影效應(yīng)等因素影響，風(fēng)電能量輸出具有很大的間斷輸出和波動(dòng)特性。由于風(fēng)電的波動(dòng)、隨機(jī)和間歇等不利特征， 電網(wǎng)調(diào)度 （發(fā)電） 不能準(zhǔn)確地對(duì)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)出力進(jìn)行預(yù)測(cè)和相應(yīng)調(diào)整，導(dǎo)致上網(wǎng)風(fēng)電輸出對(duì)電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性造成很大的影響[1]， 這在很大程度上制約了風(fēng)電應(yīng)用的快速發(fā)展[2]。 所以， 促進(jìn)風(fēng)能的利用與發(fā)展，減小風(fēng)電的輸出波動(dòng)具有重要意義，而儲(chǔ)能技術(shù)是平滑風(fēng)電輸出和抑制電壓閃變的一種較佳方法[3]。在使用儲(chǔ)能平滑輸出時(shí)，需綜合考慮成本，儲(chǔ)能容量的選取時(shí)就必須考慮輸出電能平滑程度和儲(chǔ)能成本相互關(guān)系，從而獲得較佳數(shù)值。

在平滑風(fēng)電電能輸出研究中，配套電池容量選擇是風(fēng)電應(yīng)用研究中的關(guān)鍵課題，這需結(jié)合風(fēng)電系統(tǒng)—電網(wǎng)電能輸出目標(biāo)設(shè)定、風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)能技術(shù)成本等綜合考慮而定[4]。 在電能平滑理論分析模型研究方面，國(guó)外研究提出了系列相關(guān)理論模型和平滑算法[5]。 本文依據(jù)某風(fēng)機(jī)采集數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，建立離散低通濾波模型，采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均值算法，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)獲取最佳電池功率與容量。

1 平滑輸出模型計(jì)算

對(duì)風(fēng)電輸出的電能平滑效果分析中，普遍采用兩個(gè)評(píng)估指標(biāo)[6]： 風(fēng)電輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差； 輸出波動(dòng)變化率。

（1） 標(biāo)準(zhǔn)偏差

標(biāo)準(zhǔn)偏差表征一個(gè)電能輸出穩(wěn)定度，用來(lái)評(píng)估長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)風(fēng)電輸出波動(dòng)的指標(biāo)，其數(shù)值在風(fēng)電上表現(xiàn)為不確定性，隨風(fēng)場(chǎng)地址、時(shí)間段改變而變化。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差可以衡量一個(gè)隨機(jī)變量偏離它的均值程度。若輸出能量曲線(xiàn)越平坦，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，表征隨機(jī)變量偏離均值越小。

（2） 輸出波動(dòng)的變化率

輸出波動(dòng)的變化率是一個(gè)評(píng)估短時(shí)間段內(nèi)風(fēng)電輸出波動(dòng)的評(píng)估指標(biāo)，平滑波動(dòng)的變化率為相鄰兩輸出差的絕對(duì)值，可采用變化率平均值和均方差來(lái)表征。

1.1 風(fēng)電能統(tǒng)計(jì)分析

本次計(jì)算數(shù)據(jù)以某風(fēng)機(jī) （額定功率 1.5MW） 1個(gè)月期間 （2011 年 5 月 20 日～2011 年 6 月 19 日）運(yùn)行的功率數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為 10min， 風(fēng)電功率所測(cè)數(shù)據(jù)如圖1 所示。 通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得知： 平均輸出功率 278.5kW， 其電能輸出分布結(jié)果如圖2所示。 由圖2可知： 其中超過(guò)66%時(shí)間概率時(shí)功率輸出值低于 1/5 額定功率值，而 超過(guò) 1200kW （ ＞80% 額 定功 率） 概率 僅有1.22%， 廣義數(shù)據(jù)樣本基本呈正態(tài)分布。

圖1 風(fēng)機(jī)一個(gè)月功率輸出數(shù)據(jù)圖

圖2 風(fēng)能輸出功率統(tǒng)計(jì)圖

圖3 是計(jì)算得到風(fēng)電功率輸出的波動(dòng)圖。統(tǒng)計(jì)分析可得：1個(gè)月內(nèi)功率波動(dòng)最大值：1236.29kW， 平均值： 64.21kW， 均方差： 102.28。由于不同風(fēng)場(chǎng)和風(fēng)機(jī)具有不同的風(fēng)力和風(fēng)機(jī)特性，其輸出電能相差各異，所以每次計(jì)算都需要先進(jìn)行風(fēng)電出力特性的研究，獲得最佳電池容量的選取。

圖3 風(fēng)機(jī)一個(gè)月功率波動(dòng)圖

1.2 平滑時(shí)間常數(shù)選取

在離散低通濾波模型中，平滑時(shí)間常數(shù)大有利于風(fēng)能數(shù)據(jù)輸出波形的平滑度和減小輸出標(biāo)準(zhǔn)偏差，但選用大的平滑時(shí)間常數(shù)值卻會(huì)提升對(duì)儲(chǔ)能功率和容量的需求而增大儲(chǔ)能設(shè)施的成本。所以，必須綜合考慮，通過(guò)平滑電能質(zhì)量的極值點(diǎn)計(jì)算，選取較佳的平滑時(shí)間常數(shù)。

本數(shù)據(jù)樣本是以時(shí)間間隔 600s （10min） 采樣的離散數(shù)據(jù)，對(duì)此，可建立離散低通濾波模型。分別預(yù)先假設(shè) 5 組平滑時(shí)間常數(shù)（s）： 600、 1200、2400、 5000 和 10000， 然后采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均值算法求解。 為便于表示， 以 2011 年 6 月 5 日為例，上述5組平滑常數(shù)下電能輸出曲線(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 不同時(shí)間常數(shù)下風(fēng)能平滑效果關(guān)系圖（時(shí)間常數(shù)=600， 1200， 2400， 5000， 10000）

圖5 時(shí)間常數(shù)與波動(dòng)率關(guān)系

明顯可見(jiàn)，隨著時(shí)間常數(shù)增大，平滑效果提高。 但相比于采用 600s和 1200s數(shù)據(jù)曲線(xiàn)， 后期的增大平滑效果已不如先前明顯。通過(guò)進(jìn)一步波動(dòng)的平均值和均方差分析 （見(jiàn)圖5）， 可以發(fā)現(xiàn)：平滑時(shí)間常數(shù)在 2400s時(shí)， 平滑效果隨時(shí)間常數(shù)變化已趨緩，波動(dòng)率平均值和均方差分別已下降73.9%和 77.8%， 可選用為本風(fēng)電輸出較佳的時(shí)間常數(shù)值。 本例以 2400s作為電池容量計(jì)算基礎(chǔ)。

1.3 電池容量計(jì)算

圖6 是采用時(shí)間常數(shù)為 2400s時(shí)， 電池在 1個(gè)月充放電狀態(tài)計(jì)算模擬數(shù)值。 采用 95%輸出功率置信率和系統(tǒng)平滑穩(wěn)定誤差率1%計(jì)算模擬數(shù)據(jù)樣本得到： 電池功率需要： 296.5kW， 電池容量數(shù)值為： 675.82kW·h。 若考慮電池系統(tǒng)運(yùn)行效率等于 70%， 則電池容量應(yīng)選擇為： 795.11kW·h。 故針對(duì)本例風(fēng)機(jī)儲(chǔ)能電池選取 300kW， 儲(chǔ)能容量800kW·h， 即額定功率的 1/5 和 2.67h 的儲(chǔ)能容量。

圖6 2400s時(shí)間常數(shù)電池充放電狀況

在 2400s為時(shí)間常數(shù)時(shí)， 通過(guò)計(jì)算， 其風(fēng)電電能輸出標(biāo)準(zhǔn)偏差下降 15.9%。

1.4 計(jì)算討論

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)： 若采取 100%輸出置信水平或誤差率等于0， 將會(huì)成倍增加對(duì)電池功率和容量的需求，極大增大儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。所以，根據(jù)電網(wǎng)需求[7]和風(fēng)場(chǎng)配置情況， 合理設(shè)置置信水平和誤差率，是比較切合實(shí)際的選取方式。

實(shí)際選用時(shí)，時(shí)間常數(shù)和電池容量計(jì)算是一個(gè)反復(fù)計(jì)算過(guò)程，本文主要介紹計(jì)算思路和算法，省略了部分具體計(jì)算步驟。

2 結(jié)論

通過(guò)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)等間隔采集數(shù)據(jù)為分析樣本，采用離散低通建模、指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均值數(shù)學(xué)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，得到對(duì)儲(chǔ)能電池功率、容量的較佳數(shù)值。表明該算法和選取方法對(duì)風(fēng)機(jī)、風(fēng)場(chǎng)中儲(chǔ)能電池容量和功率選取具有指導(dǎo)性。通過(guò)本例1.5MW 風(fēng)機(jī)一個(gè)月采集的樣本數(shù)據(jù)， 計(jì)算得到電池功率較佳選擇在 300kW， 容量 800kW·h， 可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電電能輸出標(biāo)準(zhǔn)偏差下降 15.9%平滑輸出。

[1] 遲永寧.大型風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題研究 [D].北京： 中國(guó)電力科學(xué)研究院， 2006

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Methods of Selection and Calculation of the Storage Battery forW ind Power

Yu Zhengguang， Zheng Qian， Xue Huiting， Yang Decun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper presents the relationships between the time constant and smoothed output of power fluctuations,based on low-pass filtermodel and the algorithms of exponentially weighted moving average filter (EWMA).Moreover,by taking the data of 1.5MW wind turbine generators for example,we make the calculation of optimal storage battery power and capacity for power fluctuation.Meanwhile,the procedure and principle for the choose of energy storage battery have been proposed.

wind energy,power fluctuation,computational simulation,battery power and capacity

禹爭(zhēng)光 （1970-）， 男， 工程師， 2005 年取得電子科技大學(xué)微電子與固體電子博士學(xué)位， 現(xiàn)從事新能源技術(shù)研發(fā)工作。