基于雙層功率分解的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

王躍，呂林，朱雨薇

(四川省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院)，成都市610065)

基于雙層功率分解的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

王躍，呂林，朱雨薇

(四川省智能電網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院)，成都市610065)

為風(fēng)電場(chǎng)配置合適的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平抑風(fēng)電有功功率波動(dòng)、提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。基于風(fēng)電出力歷史數(shù)據(jù)，提出了雙層功率分解方法。第1層采用滑動(dòng)平均法，在滿足國(guó)家規(guī)定的風(fēng)電并網(wǎng)要求下，分解出并網(wǎng)功率和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考功率。第2層采用頻譜分析方法，基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率，利用傅里葉變換將其分解為低頻分量和高頻分量，分別分配給蓄電池和超級(jí)電容器吸收?？紤]儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)和蓄電池的循環(huán)使用壽命，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置模型，模型以其年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了雙層功率分解方法的可行性，證明了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)較單類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)在性能上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。

雙層功率分解；滑動(dòng)平均法；混合儲(chǔ)能；頻譜分析；循環(huán)使用壽命；年綜合成本

0 引 言

風(fēng)電出力的隨機(jī)性和波動(dòng)性嚴(yán)重制約了風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)模[1]。由于儲(chǔ)能能夠?qū)崿F(xiàn)電能的時(shí)空平移，被認(rèn)為是平抑風(fēng)電出力波動(dòng)、提高電網(wǎng)風(fēng)電接納能力的最有效手段[2-4]。

單類(lèi)型儲(chǔ)能很難同時(shí)滿足功率和能量這2個(gè)方面的需求[5-6]，所以采用混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)電出力波動(dòng)已成為微電網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]考慮電池的使用壽命，搭建系統(tǒng)容量配置模型，分析了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]考慮了儲(chǔ)能因平抑風(fēng)電功率波動(dòng)產(chǎn)生的效益，建立了以系統(tǒng)凈效益最大為目標(biāo)的容量配置模型。文獻(xiàn)[9]針對(duì)孤島型微電網(wǎng)，考慮了系統(tǒng)缺電損失費(fèi)用和棄風(fēng)懲罰費(fèi)用，建立了混合儲(chǔ)能容量配置模型。文獻(xiàn)[10]分析了不同儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電輸出功率的補(bǔ)償特性，提出了基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電波動(dòng)的控制策略。上述文獻(xiàn)分別從經(jīng)濟(jì)角度和性能角度驗(yàn)證了混合儲(chǔ)能比單類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)具有巨大優(yōu)勢(shì)。

目前，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究主要集中于控制策略上，在容量?jī)?yōu)化配置方面缺乏深入研究。文獻(xiàn)[11-14]在低通濾波方法的基礎(chǔ)上，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型。然而，低通濾波器在濾波的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的延遲，這將造成儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量偏高，導(dǎo)致成本增大。文獻(xiàn)[15]基于小波分解方法分解混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率，給出了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置模型。但是，小波分解方法會(huì)因?yàn)榛ǖ倪x擇不同而使分解出來(lái)的信號(hào)分量產(chǎn)生變化，導(dǎo)致重構(gòu)過(guò)程產(chǎn)生誤差。文獻(xiàn)[16]利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量，通過(guò)成本和平滑度指標(biāo)之間的折中實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能的容量?jī)?yōu)化配置。

本文基于風(fēng)電出力歷史數(shù)據(jù)，提出雙層功率分解方法。第1層采用滑動(dòng)平均法分解出滿足并網(wǎng)要求的并網(wǎng)功率。第2層利用傅里葉變換將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率分解為低頻分量和高頻分量分別分配給蓄電池和超級(jí)電容器。考慮儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)和蓄電池的循環(huán)使用壽命，建立混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型，模型以其年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，以充放電功率、剩余電量等為約束條件。最后，以我國(guó)西北地區(qū)某風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)為例，驗(yàn)證雙層功率分解方法的可行性和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)越性。

1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型

1.1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)組成。儲(chǔ)能系統(tǒng)用來(lái)平抑風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)，以滿足并網(wǎng)要求?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)包含蓄電池和超級(jí)電容器。蓄電池作為能量型儲(chǔ)能設(shè)備，其能量密度大，適合處理能量高的低頻功率波動(dòng)。超級(jí)電容器作為功率型儲(chǔ)能設(shè)備，其功率密度大，響應(yīng)時(shí)間短，可頻繁充放電，適合處理能量低的高頻功率波動(dòng)。通過(guò)儲(chǔ)能逆變器，蓄電池和超級(jí)電容器與母線連接起來(lái)?？刂浦行耐ㄟ^(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制，使風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率達(dá)到國(guó)家規(guī)定的并網(wǎng)要求，同時(shí)控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池和超級(jí)電容器的充放電狀態(tài)，使儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于最優(yōu)狀態(tài)。

圖1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖中，Pw(t)為t時(shí)刻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率；PHess(t)為t時(shí)刻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率，為正則表示儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，為負(fù)則表示儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；PBat(t)為t時(shí)刻蓄電池充放電功率；PCap(t)為t時(shí)刻超級(jí)電容器充放電功率；Pout(t)為t時(shí)刻風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率。

Pout(t)=Pw(t)+PHess(t)=Pw(t)+

PBat(t)+PCap(t)

(1)

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電模型

儲(chǔ)能設(shè)備的剩余電量與該設(shè)備的充放電功率和初始荷電量有關(guān)。當(dāng)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大于并網(wǎng)功率時(shí)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余的有功功率，儲(chǔ)能設(shè)備充電，其充電模型為

(2)

式中：EBat(t)、ECap(t)分別為蓄電池和超級(jí)電容器t時(shí)刻的剩余電量；PBat(t)、PCap(t)分別為蓄電池和超級(jí)電容器t時(shí)刻實(shí)際充電功率；ηBc、ηCc分別為蓄電池和超級(jí)電容器充電效率；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

當(dāng)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率小于并網(wǎng)功率時(shí)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償缺失的有功功率，儲(chǔ)能設(shè)備放電，其放電模型為

(3)

式中ηBd、ηCd分別為蓄電池和超級(jí)電容器的放電效率。

1.3 蓄電池經(jīng)濟(jì)壽命模型

超級(jí)電容器循環(huán)使用壽命很長(zhǎng)，計(jì)算經(jīng)濟(jì)壽命時(shí)一般將其設(shè)定為固定值，本文設(shè)為20年。蓄電池的循環(huán)使用壽命主要與放電深度和充放電次數(shù)有關(guān)。本文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，搭建蓄電池經(jīng)濟(jì)壽命模型。

蓄電池在工作過(guò)程中，放電深度越大，其循環(huán)使用次數(shù)越少。兩者之間的函數(shù)關(guān)系為

(4)

式中：Dr、Dj分別為額定放電深度與第j次實(shí)際放電深度；Nr、Nj分別為對(duì)應(yīng)于額定放電深度和第j次實(shí)際放電深度的循環(huán)使用次數(shù)；α1、α2為函數(shù)關(guān)系式的擬合系數(shù)。

則蓄電池第j次放電的等效循環(huán)使用次數(shù)為

(5)

1年內(nèi)，蓄電池不同放電過(guò)程折算到額定放電深度下的有效放電電量為

(6)

式中：Eeffect為1年內(nèi)不同放電深度折算到額定放電深度下的有效放電電量， MW·h/a；Ni為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在1年內(nèi)第i天經(jīng)歷的放電過(guò)程數(shù)；Pj、Δt分別為該放電過(guò)程的放電功率和經(jīng)歷的時(shí)間；Kj為其對(duì)應(yīng)的等效循環(huán)使用次數(shù)。

額定放電深度下，電池使用壽命內(nèi)其放電電量為

Er=NrDrEBat

(7)

式中：Er為額定放電深度下電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在其使用壽命內(nèi)的放電電量， MW·h；EBat為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定容量。

因此，蓄電池的使用壽命為

(8)

式中YBat為電池儲(chǔ)能的使用壽命，a。

2 雙層功率分解

本文基于風(fēng)力發(fā)電歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行雙層功率分解，其分解過(guò)程如圖2所示。風(fēng)電出力波動(dòng)較大，不適合直接并網(wǎng)，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)平均法(為了避免產(chǎn)生延遲，采用前向數(shù)據(jù)和后向數(shù)據(jù)的中點(diǎn)平均)分解為滿足并網(wǎng)要求的并網(wǎng)功率Pout(t)和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考功率Pref(t)。混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率經(jīng)過(guò)傅里葉變換，選擇低頻部分進(jìn)行傅里葉反變換得到低頻分量作為蓄電池的參考功率，高頻分量作為超級(jí)電容器的參考功率。

圖2 雙層功率分解方法

2.1 并網(wǎng)功率分解

本文選擇滑動(dòng)平均法分解風(fēng)電功率，以滿足并網(wǎng)要求?；瑒?dòng)平均法是將動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行算術(shù)平均的數(shù)學(xué)方法[12]。

Pw(i)=Pout(i)+Pref(i),i=1,2,...,N

(9)

式中：Pw(i)為風(fēng)電輸出功率波動(dòng)數(shù)據(jù)；Pout(i)為所需的輸出結(jié)果，即并網(wǎng)功率；Pref(i)為隨機(jī)起伏的數(shù)據(jù)誤差，即混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考功率；N為采樣點(diǎn)數(shù)。

對(duì)非平穩(wěn)的風(fēng)電功率Pw在適當(dāng)?shù)男^(qū)間上視為接近平穩(wěn)的。將N個(gè)數(shù)據(jù)分別在窗口大小為s的小范圍內(nèi)進(jìn)行局部平均，就得到較平滑的并網(wǎng)功率Pout。

k=m+1,m+2,...,N-m

(10)

式中2m+1=s。

2.2 蓄電池和超級(jí)電容器功率分解

以滑動(dòng)平均法分解出的并網(wǎng)功率和風(fēng)電出力歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用頻譜分析方法，確定蓄電池和超級(jí)電容器的平抑目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)量的平抑。t時(shí)刻風(fēng)電出力為Pw(t),并網(wǎng)功率為Pout(t),則該時(shí)刻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)需平抑的目標(biāo)值為

Pref(t)=Pw(t)-Pout(t)

(11)

若Pref(t)>0，則需要儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收過(guò)剩的風(fēng)電出力，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)；若Pref(t)<0，則需要儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)償風(fēng)電出力，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)。

信號(hào)Pref(t)可以看作一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)為N的時(shí)域離散信號(hào)，設(shè)采樣周期為T(mén)s，采樣頻率為fs，則Pref(t)可以視為1個(gè)周期為NTs的信號(hào)，該信號(hào)基頻為1/(NTs)，通過(guò)傅里葉變換可將不平衡功率變換成直流分量、基頻周期分量以及倍頻周期分量之和的形式。

(12)

式中k為頻率的序列數(shù)，k=0表示直流分量，k=1表示基頻分量，k=2表示2倍基頻分量，依次類(lèi)推。

令WN=e-j2π/N，將式(12)展開(kāi)，可得到第k項(xiàng)展開(kāi)式如下：

(13)

為體現(xiàn)直流分量Fref(0)的對(duì)稱性，F(xiàn)ref(k)可表示為

(14)

將上式在k=n處切斷，相當(dāng)于同時(shí)也在對(duì)稱位置k=N-n處切斷為2個(gè)部分，將這個(gè)n稱為“分?jǐn)帱c(diǎn)”，取值范圍為[0,N/2](N/2為對(duì)稱軸)。將被截?cái)嗟?個(gè)部分列出，并各自將缺失的部分補(bǔ)0，可得

(15)

Fref2(k)={0,...,0,Fref2(n+1),Fref2(n+2),...,

(16)

式中：Fref1(k)為低頻部分；Fref2(k)為高頻部分。

將低頻部分和高頻部分進(jìn)行傅里葉逆變換:

(17)

式中：Plow(t)為低頻分量；Phigh(t)為高頻分量。

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置

3.1 目標(biāo)函數(shù)

本文以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本最小為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行蓄電池和超級(jí)電容器的容量配置。其年綜合成本包括年等效投資成本和年運(yùn)行維護(hù)成本。

年等效投資成本：

(18)

式中：Cinv為年等效投資成本；αpinv為單位功率投資成本；αeinv為單位容量投資成本；Prate、Erate分別為額定功率和額定容量；Ny為儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行年限。

年運(yùn)行維護(hù)成本：

Cmain=βmainErate

(19)

式中：Cmain為年運(yùn)行維護(hù)成本；βmain為單位容量的運(yùn)行維護(hù)成本。

綜上所述，年綜合最小成本為

(20)

3.2 約束條件

為更好地配置混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，需要考慮以下3個(gè)方面的約束條件。

(1)能量守恒約束。風(fēng)電出力、蓄電池出力和超級(jí)電容器出力之和應(yīng)當(dāng)與并網(wǎng)功率相一致，系統(tǒng)功率平衡應(yīng)當(dāng)滿足：

Pw(t)+PBat(t)+PCap(t)=Pout(t)

(21)

(2)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量約束。任意時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備中剩余電量都應(yīng)該在合理的范圍內(nèi)，設(shè)備過(guò)充和過(guò)放都會(huì)影響其使用壽命，因此蓄電池和超級(jí)電容器的剩余電量在任何時(shí)刻都不能超過(guò)其上、下限:

(22)

式中EBatmax、EBatmin、ECapmax、ECapmin分別為蓄電池和超級(jí)電容器剩余電量的上下限。

(3)儲(chǔ)能系統(tǒng)功率約束。蓄電池和超級(jí)電容器的充放電功率不能超過(guò)其額定功率：

(23)

式中：PBatc(t)、PBatd(t)分別為蓄電池在t時(shí)刻的充放電功率；PCapc(t)、PCapd(t)分別為超級(jí)電容器在t時(shí)刻的充放電功率；PBat、PCap分別蓄電池和超級(jí)電容器的額定功率。

3.3 優(yōu)化算法

本文所研究的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置模型是一個(gè)非線性、多變量的數(shù)學(xué)模型，采用粒子群算法進(jìn)行求解。以蓄電池和超級(jí)電容器額定功率和額定容量為變量進(jìn)行尋優(yōu)，具體優(yōu)化過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

4 算例分析

為驗(yàn)證雙層功率分解方法的可行性和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電波動(dòng)的優(yōu)越性，本文采用某22 MW風(fēng)電場(chǎng)2013年典型日的輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析。采樣時(shí)間間隔為1 min，最大輸出功率為18.9 MW,最小輸出功率為4.2 MW。儲(chǔ)能設(shè)備初始電量為額定容量的50%。系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

根據(jù)我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)：風(fēng)電裝機(jī)容量小于30 MW時(shí)，任意1 min有功功率變化不大于3 MW，任意10 min有功功率變化不大于10 MW，通過(guò)滑動(dòng)平均法得到滿足波動(dòng)率約束下的最小滑動(dòng)時(shí)窗為57個(gè)。

表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

Table 1 System related parameters

圖3為某典型日風(fēng)電出力歷史數(shù)據(jù)和采用滑動(dòng)平均法處理且滿足并網(wǎng)要求的并網(wǎng)功率曲線。由圖3可知，風(fēng)電出力具有很大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，這嚴(yán)重限制了大規(guī)模風(fēng)電功率并網(wǎng)。滑動(dòng)平均法在滿足并網(wǎng)要求的情況下，將風(fēng)電功率曲線進(jìn)行平滑處理，以便于風(fēng)電并網(wǎng)。

滑動(dòng)平均前后風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。比較滑動(dòng)平均前后風(fēng)電數(shù)據(jù)，可知，平滑后的并網(wǎng)功率各項(xiàng)波動(dòng)指標(biāo)均顯著下降。1 min最大波動(dòng)率下降6.053%，10 min最大波動(dòng)功率下降13.218%。其 1 min和10 min最大功率波動(dòng)量和波動(dòng)率均滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 風(fēng)電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

Table 2 Statistics of wind data

采用本文方法獲得混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率后，對(duì)參考功率運(yùn)用離散傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，如圖4所示。根據(jù)傅里葉變換頻域的對(duì)稱性可知，只需對(duì)前半部分進(jìn)行分析即可?？梢钥闯?，儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率波動(dòng)成分主要集中在n=0～200，低頻波動(dòng)的幅值較大，高頻波動(dòng)的幅值越來(lái)越小，且越來(lái)越緩慢。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率頻譜分析

分?jǐn)帱c(diǎn)的選擇，直接關(guān)系到蓄電池和超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置的大小，進(jìn)而影響混合儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本的大小。不同分?jǐn)帱c(diǎn)下的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本如圖5所示。

圖5 分?jǐn)帱c(diǎn)與成本的關(guān)系

由圖5可知，儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本隨分?jǐn)帱c(diǎn)的增大呈先減小后增大趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋S著分?jǐn)帱c(diǎn)的增大，蓄電池的配置容量逐漸增大的同時(shí)超級(jí)電容器的配置容量迅速減小，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本降低。分?jǐn)帱c(diǎn)繼續(xù)增大，蓄電池的運(yùn)行壽命迅速減小，超級(jí)電容器的配置容量變化不大，儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本呈上升趨勢(shì)。圖6為分?jǐn)帱c(diǎn)與蓄電池運(yùn)行壽命的關(guān)系。

圖6 分?jǐn)帱c(diǎn)與運(yùn)行壽命的關(guān)系

取n=189時(shí)，蓄電池和超級(jí)電容器功率分配曲線如圖7所示。由圖7可知，蓄電池主要平抑儲(chǔ)能參考功率中的長(zhǎng)時(shí)間、大幅度的功率波動(dòng)分量，而超級(jí)電容器可有效地平抑短時(shí)間、小幅度的功率波動(dòng)分量。

圖7 功率分配曲線

基于儲(chǔ)能設(shè)備的充放電模型和可變壽命模型，利用系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電出力數(shù)據(jù)，采用粒子群算法優(yōu)化混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量。取迭代次數(shù)為100次，種群規(guī)模為100個(gè)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置結(jié)果如表3所示。其中，方案1為蓄電池單類(lèi)型儲(chǔ)能；方案2為超級(jí)電容器單類(lèi)型儲(chǔ)能；方案3采用本文頻譜分析方法，儲(chǔ)能設(shè)備選用蓄電池和超級(jí)電容器；方案4采用低通濾波分析方法，儲(chǔ)能設(shè)備選用蓄電池和超級(jí)電容器。

表3 容量配置結(jié)果

Table 3 Results of capacity allocation

由表3可知，方案1和方案2相比，方案1中采用單一蓄電池儲(chǔ)能，其年綜合成本降低了40.8%。這是因?yàn)樾铍姵貫槟芰啃蛢?chǔ)能設(shè)備，其容量成本遠(yuǎn)低于超級(jí)電容器的容量成本，盡管蓄電池的容量配置遠(yuǎn)大于超級(jí)電容器的容量配置，但其年綜合成本仍低于超級(jí)電容器的年綜合成本。方案1和方案3相比，方案3中混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的年綜合成本低于單一蓄電池系統(tǒng)。這是因?yàn)椴捎没旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)力發(fā)電出力波動(dòng)，雖然蓄電池的容量配置變化不大，但是由于超級(jí)電容器作為功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)，其功率密度大，響應(yīng)時(shí)間短，可頻繁充放電，大幅延長(zhǎng)了蓄電池的運(yùn)行年限，使得因蓄電池壽命延長(zhǎng)而減小的成本大于因超級(jí)電容器配置的成本。方案3和方案4相比，方案4中蓄電池配置的容量大于方案3，且方案4的年綜合成本也高于方案3。這主要是低通濾波器在濾波的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的延遲，這將導(dǎo)致儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化容量偏高，蓄電池運(yùn)行壽命降低，其年綜合成本增大。

5 結(jié) 論

為滿足國(guó)家風(fēng)電并網(wǎng)要求，利用滑動(dòng)平均法能有效分解得到平滑的并網(wǎng)功率曲線；為分配蓄電池和超級(jí)電容器的平抑目標(biāo)，采用頻譜分析法能得到合適的低頻分量和高頻分量；為優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本，分析了不同分?jǐn)帱c(diǎn)與成本之間的關(guān)系，從而找到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的分?jǐn)帱c(diǎn)。

考慮儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)和蓄電池的循環(huán)使用壽命，建立了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化模型。通過(guò)分析不同配置方案下儲(chǔ)能系統(tǒng)年綜合成本大小，驗(yàn)證了雙層功率分解方法的可行性和經(jīng)濟(jì)性，證明了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)較單類(lèi)型儲(chǔ)能在性能上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。

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(編輯 張小飛)

Capacity Configuration of Hybrid Energy Storage System Based on Double Layer Power Decomposition

WANG Yue ,LUY Lin , ZHU Yuwei

(Intelligent Electric Power Grid Key Laboratory of Sichuan Province (School of Electric Engineering and Information, Sichuan University), Chengdu 610065, China)

Suitable energy storage can be configured for the wind power plant to stabilize the fluctuations of wind power and improve the power quality of wind power. Based on the historical data of wind power output, this paper proposes a double layer power decomposition method. The first layer adopts moving average method to decompose the power of the grid-connected power and hybrid energy storage system, according to the wind power grid connected indicators in China. The second layer uses spectrum analysis method and Fourier transform to decompose the reference power of hybrid energy storage system into low frequency component and high frequency component, which are distributed to the battery and the super capacitor, respectively. Considering the state of charge of energy storage equipment and the cycle life of the battery, this paper establishes the capacity optimization model of the hybrid energy storage system, which takes the minimum annual comprehensive cost as the optimization goal. The simulation results verify the feasibility of the double layer power decomposition method, and prove that the hybrid energy storage system is superior to the single type energy storage system in performance and economy.

double layer power decomposition; moving average method; hybrid energy storage; spectrum analysis; the cycle life; annual comprehensive cost

四川省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015JY0128)

TM 614

A

1000-7229(2016)12-0061-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.12.008

2016-08-11

王躍(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛旌蟽?chǔ)能在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用，配電網(wǎng)自動(dòng)化；

呂林(1963)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電，配電網(wǎng)自動(dòng)化；

朱雨薇(1992)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛旌蟽?chǔ)能在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用，配電網(wǎng)自動(dòng)化。