徐衍會，徐宜佳

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

0 引言

構建新型電力系統(tǒng)是實現“雙碳”目標的必由之路，已上升為國家發(fā)展戰(zhàn)略[1-2]。風能以清潔、高效、無污染等特點成為近年新能源發(fā)展的熱點[3]。風電裝機規(guī)模的持續(xù)增長[4]在帶來巨大經濟效益和環(huán)境效益的同時[5]，也給電網帶來了巨大的挑戰(zhàn)[6]。風力發(fā)電具有較強的波動性、間歇性和隨機性，其對電網可靠運行、經濟運行造成的不利影響也日趨嚴重[7-8]。

近年來，儲能系統(tǒng)應用成為平抑風力發(fā)電波動重要途徑[9]。在風電場站附近安裝儲能系統(tǒng)可以平滑風電波動，有利于電源側儲能建設。單一儲能很難應對平抑風電波動時出現的各種工況[10-11]，目前大多采用混合儲能系統(tǒng)[12]。氫氣作為一種清潔的二次能源，其能量密度高、便于運輸儲存[13]，為解決傳統(tǒng)儲能方式無法實現能量的長期存儲問題提供了新思路[14]。中國“十四五”規(guī)劃已將氫能發(fā)展規(guī)劃為長期的發(fā)展戰(zhàn)略[15]。超級電容具有快速響應、高功率密度等優(yōu)點[16]。本文采用由電解制氫和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)平滑風場輸出功率，改善并網的電能質量。

儲能系統(tǒng)運行應滿足2方面的要求。（1）在滿足平抑目標的前提下，需要對系統(tǒng)容量配置進行優(yōu)化；（2）需要對混合儲能系統(tǒng)內部單元功率進行合理分配，保證各元件合理充放電，減少荷電狀態(tài)過高或過低對儲能元件造成傷害。

儲能系統(tǒng)的經濟性和控制效果與儲能容量的大小有著直接的聯(lián)系[17]。文獻[18]以微電網總凈現值成本最小為目標對含有蓄電池和氫儲能的混合儲能系統(tǒng)進行容量優(yōu)化。文獻[19]以電解槽和燃料電池組成的混合儲能系統(tǒng)成本最低為目標函數。上述研究主要圍繞系統(tǒng)的成本與收益構建容量優(yōu)化模型，僅考慮了系統(tǒng)經濟目標，而少有研究考慮容量配置結果對風電波動平抑效果的影響。

針對混合儲能系統(tǒng)間的功率合理分配和運行協(xié)調控制，文獻[20]引入修正系數計算氫混合儲能系統(tǒng)功率分配系數，取得了較好的功率分配結果。文獻[21]提出了基于荷電狀態(tài)（state of charge, SOC ）模糊控制的混合儲能系統(tǒng)功率分配策略，優(yōu)化了蓄電池的運行狀態(tài)。上述方法的參數選取都由人為設定，存在一定的局限性。

綜上所述，本文通過引入電解槽和超級電容構成的混合儲能系統(tǒng)平滑風電出力，提出了平抑效果評估方法，制定了儲能系統(tǒng)協(xié)調運行控制策略，并結合風場實際運行數據，驗證了所提方法既能平抑風電波動，提高電能質量，又能防止超級電容過充過放，提高混合儲能系統(tǒng)的使用壽命。

1 電解制氫-超級電容混合儲能系統(tǒng)功率選擇與容量配置

為了減小風電接入電時對電網造成的不良影響，文獻 [22]對風場 1 min和 10 min輸出功率變化的最大限值做出了明確的規(guī)定。

將儲能系統(tǒng)直接接在“源側”，即在風電并網前對風電功率波動進行平抑，從而使風電場輸出功率滿足相關規(guī)定，減小風電波動對電網造成的不利影響。本文采用電解制氫-超級電容混合儲能系統(tǒng)平抑風電波動。能量型儲能元件電解槽主要用于吸收低頻功率。功率型儲能元件超級電容承擔吸收高頻功率和向電網釋放功率的任務。

1.1 混合儲能系統(tǒng)額定功率選擇

本文從儲能系統(tǒng)的經濟性以及最大限度滿足平抑波動需求2個角度出發(fā),制定了混合儲能系統(tǒng)額定功率的配置原則。

首先對混合儲能系統(tǒng)輸出功率Ps(t)進行概率統(tǒng)計，并對其進行正態(tài)分布擬合[23]，得到擬合曲線的均值和標準差，則輸出功率Ps(t)為

不同置信水平下儲能系統(tǒng)的額定輸出功率PN(p)為

波動平抑效果和儲能系統(tǒng)容量呈線性關系，即儲能容量越大波動平抑效果越好。兩者之間存在“轉折點”，當儲能系統(tǒng)的功率大于轉折點對應的功率后，波動平抑效果開始趨于平緩。若繼續(xù)增大儲能系統(tǒng)容量，波動平抑效果基本不變，但系統(tǒng)經濟性大幅度降低。因此，本文將轉折點對應的功率配置為額定功率，實現在滿足系統(tǒng)要求的前提下盡量減少儲能功率配置的目標。

所有時刻計算得到的并網功率波動率為一組一維離散隨機變量。設滿足平抑要求的并網波動量上限為δmax，則并網波動率在波動限值范圍內的概率分布函數為

設置信水平為k時，并網波動量在波動限值范圍內的概率分布函數為，則當置信水平變化為q時，相應的概率變化量為

令置信水平 p的取值分別為 p0，p1，p2，···，pi，其中即置信水平按的幅度等幅增加。設當時，有，即儲能系統(tǒng)額定功率的增加對風電波動的平抑作用開始減弱，則選置信水平為pj時對應的輸出功率PN(pj)作為優(yōu)化后的混合儲能系統(tǒng)額定功率，進而得到混合儲能系統(tǒng)的總體功率指令。

1.2 混合儲能系統(tǒng)額定容量

基于電解槽吸收低頻功率和超級電容吸收高頻功率的工作特性，本文通過MAF算法再次對混合儲能總體功率指令Ps(t)分解，得到的低頻功率分量作為電解槽的功率Pel(t)，Ps(t)與Pel(t)做差得到超級電容的功率Psc(t)。

吸收相同電量時，電解槽的成本遠低于超級電容，為提高混合系統(tǒng)的經濟性應盡可能減少超級電容的容量。因此，使用MAF算法分解時通過調節(jié)滑動窗口大小進而調節(jié)超級電容出力，使得超級電容容量最小，達到經濟性最優(yōu)的目標。

將全年儲能總體功率指令序列T劃分為K個充放電周期，則1個周期內超級電容的額定容量為

第i個周期內電解槽額定功率由周期內最大電解功率指令決定，即

同理，T內配置電解制氫系統(tǒng)電解槽額定功率Pel為

2 混合儲能系統(tǒng)運行控制策略

荷電狀態(tài)是指剩余電量與額定容量的比值，為避免儲能系統(tǒng)完全充放電，超級電容的荷電狀態(tài)有一定的上下限值[25]。t時刻超級電容的荷電狀態(tài)Ssc(t)為

通過MAF算法分解儲能出力為理論值，而實際運行時超級電容出力受到荷電狀態(tài)的約束。因此本文從超級電容的荷電狀態(tài)出發(fā)制定混合儲能系統(tǒng)協(xié)調運行控制策略。

工況1：當超級電容的荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時，超級電容和電解槽共同吸收功率。超級電容吸收功率值為混合儲能吸收功率與電解槽吸收功率的差值。電解槽的吸收功率為

工況2：當荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時，此時功率全部由超級電容吸收。

工況3：當超級電容的荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時，此時超級電容停止充電，混合儲能系統(tǒng)停止運行，直至混合儲能系統(tǒng)發(fā)出放電指令。

工況4：當荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時，此時超級電容正常放電。

工況5：當荷電狀態(tài)Ssc取值范圍為時，此時超級電容的荷電狀態(tài)小于最小值，不能繼續(xù)放電，混合儲能系統(tǒng)停止工作直至混合儲能系統(tǒng)發(fā)出充電指令。

此外，電解槽運行功率受額定功率Pel的限制，若t時刻電解槽的功率指令大于其額定功率則電解槽按額定功率運行，否則按正常分配功率運行。

3 算例分析

本文以華北地區(qū)某裝機容量為250 MW的風場為例，選取該風場2017年的實際運行數據，采樣時間間隔為1 min，1個儲能充放電周期時長為24 h。采用電解槽和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)對風電出力進行平抑，超級電容荷電狀態(tài)的范圍為0.05 ～0.95，充放電效率均為95%，初始荷電狀態(tài)為0.50。

3.1 混合儲能系統(tǒng)額定功率確定及容量配置

對全年的混合儲能系統(tǒng)出力Ps(t)進行概率統(tǒng)計分析，正態(tài)分布函數曲線參數0.013 9，4.726。

表1 不同置信水平下混合儲能系統(tǒng)的額定容量和并網波動量的分布函數的結果統(tǒng)計Table 1 Statistics on the results of the distribution function of the rated capacity and grid fluctuations of hybrid energy storage systems at different confidence levels

由表1可知，隨著置信水平的增加，PN(p)和Fp(δmax)也逐漸增大。當置信水平97.5%時，有?F97.5%＜?F97.0%，因此確定混合儲能系統(tǒng)的額定功率9.28 MW。在此基礎上通過上文方法確定超級電容的額定容量Esc為2.02 MW·h，電解槽額定功率 Pel為 3.1 MW。

3.2 混合儲能系統(tǒng)運行控制策略對比

采用低通濾波（low-pass filter，LPF）算法及本文所提方法，分別在典型日1和典型日2下進行仿真驗證，其中典型日1儲能系統(tǒng)總充電功率大于總放電功率，典型日2相反。

3.2.1 典型日 1

首先采用低通濾波算法對儲能系統(tǒng)混合出力進行分配，其結果如圖1所示。

從圖1中可以看出，此時超級電容的最大荷電狀態(tài)為1.38，超級電容出現了過充的問題。因此低通濾波法只能簡單地將低頻功率與高頻功率分離，沒有考慮到超級電容的荷電狀態(tài)對分配結果的影響。采用本文提出的運行控制策略對儲能功率進行分配，結果如圖2所示。

圖1 典型日1混合儲能系統(tǒng)基于LFP的功率分配及超級電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 1 LFP-based power distribution and supercapacitor charge state profile for a typical day 1 hybrid energy storage system

由圖1和圖2可得：（1）圖2中超級電容荷電狀態(tài)的最大值為0.946，該策略可以有效避免超級電容越限；（2）此時超級電容出力曲線的波動標準差為1.31，低通濾波算法得到的超級電容出力曲線的波動標準差為1.95，該策略下超級電容出力曲線更加平滑；（3）電解槽電解功率隨著超級電容荷電狀態(tài)的增大而增大，且在荷電狀態(tài)偏低時，超級電容承擔更多吸收功率的任務。

圖2 典型日1混合儲能系統(tǒng)考慮超級電容SOC的功率分配及超級電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 2 Typical day 1 hybrid energy storage system considering power distribution of supercapacitor SOC and supercapacitor charge state profile

3.2.2 典型日 2

與典型日1相比，當典型日2儲能出力中放電出力增加時，分別采用LPF算法及本文方法進行分配，結果如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可得：（1）圖3中超級電容荷電狀態(tài)的最小值為–1.02，圖4中超級電容荷電狀態(tài)的最小值為0.192，可以看出本文策略有效避免了超級電容過度放電；（2）本文策略及LPF算法下超級電容出力曲線的波動標準差分別為2.08、2.65，可以看出考慮超級電容荷電狀態(tài)后分配得到的超級電容出力曲線更加平滑。

圖3 典型日2混合儲能系統(tǒng)基于LFP的功率分配及超級電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 3 LFP-based power distribution and supercapacitor charge state profile for a typical day 2 hybrid energy storage system

圖4 典型日2混合儲能系統(tǒng)考慮超級電容SOC的功率分配及超級電容荷電狀態(tài)曲線Fig. 4 Typical day 2 hybrid energy storage system considering power distribution of supercapacitor SOC and supercapacitor charge state profile

綜上，通過超級電容荷電狀態(tài)制定分配功率及運行控制策略具有以下優(yōu)點：（1）與低通濾波法相比，基于超級電容荷電狀態(tài)的控制策略有效地調節(jié)了電解槽和超級電容之間的充放電功率，防止超級電容過充或過放； （2）當儲能系統(tǒng)功率指令突然增大（或減?。r，超級電容快速響應，電解槽的運行功則率跟隨超級電容的荷電狀態(tài)平穩(wěn)變化，波動變小。

3.3 平抑效果分析

分別對加入儲能系統(tǒng)后相鄰時刻的并網功率的波動量和原始并網功率相鄰時刻的波動量進行概率統(tǒng)計，結果如圖5和圖6所示。

圖5 典型日1平滑前后并網功率1 min波動量概率分布對比Fig. 5 Comparison of the probability distributions of gridconnected power fluctuation each 1 min on a typical day 1 before and after smoothing

圖6 典型日2平滑前后并網功率1 min波動量概率分布對比Fig. 6 Comparison of the probability distributions of gridconnected power fluctuation each 1 min on a typical day 2 before and after smoothing

分別使用出力標準差σg、最大波動量、功率越限次數n和平均功率越限量4個指標衡量平抑前后并網功率的波動程度。對比計算有無儲能系統(tǒng)平抑前后的衡量指標參數值，結果如表2和表3所示。

表2 典型日1平滑前后衡量指標數值對比Table 2 Comparison of measurement values before and after smoothing on a typical day 1

表3 典型日2平滑前后衡量指標數值對比Table 3 Comparison of measurement values before and after smoothing on a typical day 2

綜合圖5和圖6以及表2和表3可知，加入儲能系統(tǒng)平抑后風電波動分布更為集中，風電輸出功率實現平穩(wěn)并網。典型日1原始風電波動較大，加入儲能系統(tǒng)后、n、分別下降28.67%、79.17%、32.20%，即發(fā)生越限的概率大幅度下降；典型日2加入儲能系統(tǒng)后、n、分別下降46.59%、100%、100%，即并網功率波動全部符合目標要求。綜上所述，本文提出的混合儲能系統(tǒng)容量配置及運行控制策略有效實現了平抑風電功率波動的目標。

4 結論

在風電場側加裝混合儲能系統(tǒng)以平滑風電出力是減小風電功率波動對電網安全性、可靠性、穩(wěn)定性帶來的不良影響的有效途徑，本文研究了超級電容與電解制氫相結合的混合儲能系統(tǒng)容量配置方法，并制定了基于超級電容的荷電狀態(tài)的運行控制策略，通過算例驗證了加裝儲能系統(tǒng)后風電波動取得了良好的平抑效果。

（1）本文基于華北地區(qū)某風場的實測數據，利用正態(tài)分布對混合儲能系統(tǒng)輸出功率進行概率統(tǒng)計，以并網功率波動率為評價指標，在最大化滿足平抑目標的前提下確定了儲能系統(tǒng)額定功率。通過考慮經濟性的自適應滑動窗口算法分解整體功率指令，進而確定超級電容的額定容量和電解槽的額定功率。

（2）綜合考慮電解槽、超級電容的工作特性約束，本文建立了基于超級電容荷電狀態(tài)的混合儲能系統(tǒng)協(xié)調控制策略，該策略依據超級電容的荷電狀態(tài)反饋調節(jié)電解槽電解功率，與低通濾波算法相比，超級電容的荷電狀態(tài)在整個過程中變化范圍減小，不存在過度充放現象，延長了儲能系統(tǒng)的使用壽命。

（3）采用本文提出的容量優(yōu)化配置及運行控制策略，以風場兩個典型日為例通過混合儲能系統(tǒng)對風電出力進行平滑處理，對比平抑前后的風電出力標準差、最大波動量、功率越限次數、平均功率越限量以及波動概率分布，結果表明加入儲能系統(tǒng)后能夠有效平抑風電功率波動。