平抑風(fēng)功率波動的儲能容量優(yōu)化配置

陳兵，朱寰，徐春雷，朱昊卿，王昊煒，張琦兵，丁瑾

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210000； 2.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 210000）

引言

為了解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中短時間內(nèi)風(fēng)電能量波動越限而導(dǎo)致的棄風(fēng)現(xiàn)象[1]，在工程中多采用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組或者風(fēng)電場并網(wǎng)點引入集中性儲能系統(tǒng)的方法[2]平抑風(fēng)功率波動，以提高風(fēng)電場并網(wǎng)的電能質(zhì)量和風(fēng)電場的利用率[3，4]。由于儲能價格較貴，針對平抑風(fēng)功率波動的儲能容量優(yōu)化配置的研究具有重要的意義。

目前，針對儲能容量優(yōu)化配置方面研究是熱點問題之一。文獻(xiàn)[5]提出了利用概率統(tǒng)計原理，從而得出了新能源電場中儲能容量采用分布式配置方式可以得到更精確的容量配置與更優(yōu)的功率補償效果的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]研究確定在配電層面連接的集中式儲能系統(tǒng)容量配置的計算方法。由于單一類型的儲能系統(tǒng)進(jìn)行功率變換的效率有限，面對領(lǐng)域中不斷增多的儲能裝置的配置結(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[7]提出了具有雙電池組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的蓄電池儲能系統(tǒng)的新型實時控制策略，雙電池儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)同時切換，以抑制短期內(nèi)的功率波動。文獻(xiàn)[8]在雙電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了風(fēng)儲混合電站的在線運行策略。文獻(xiàn)[12]構(gòu)建了評價風(fēng)電功率波動平抑性能的指標(biāo)，分析了儲能容量與控制性能的關(guān)系。文獻(xiàn)[13]采用滑動平均法平滑風(fēng)電輸出功率，采用頻譜分析的方法分解波動功率，以年均綜合成本最小為目標(biāo)函數(shù)確定超級電容器和蓄電池充放電功率，實現(xiàn)超級電容器和蓄電池的容量配置最優(yōu)。

其中，應(yīng)用低通濾波的方法進(jìn)行儲能容量配置研究具有一定的代表性。文獻(xiàn)[9-11]基于低通濾波原理，提出了平滑時間常數(shù)選取方法、風(fēng)電功率波動控制策略和儲能容量算法。文獻(xiàn)[14]提出了低通濾波法和建立樣本數(shù)據(jù)概率密度模型兩種方法來處理樣本數(shù)據(jù)，計算出儲能額定功率。文獻(xiàn)[15]所提出的低通濾波法采用了傳統(tǒng)的巴特沃斯濾波器的儲能容量優(yōu)化配置方法。但上述采用傳統(tǒng)的低通濾波存在風(fēng)電輸出功率濾波后的波形與原始數(shù)據(jù)波形有一定的時延問題，所配置的儲能系統(tǒng)容量將會增加，同時配置儲能系統(tǒng)的成本也隨之增加。

針對傳統(tǒng)低頻濾波時延問題，本文提出了一種采用零相位低通濾波器的低通濾波法，該方法克服了傳統(tǒng)基于無限脈沖響應(yīng)的低通濾波器的時延的缺點，同時完成了應(yīng)用有長沖激響應(yīng)的低通濾波器（FIR濾波器）的最優(yōu)儲能容量配置方法。

在算例中，通過使用巴特沃斯濾波器與零相位低通濾波器的對比，以證明所提出的儲能容量配置方法的有效性。

1 傳統(tǒng)低通濾波的儲能容量優(yōu)化方法

傳統(tǒng)的容量配置方法通常采用無限脈沖響應(yīng)的低通濾波器，其傳遞函數(shù)如下：

式中：

Tc—平滑時間常數(shù)。

故并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率，即注入電網(wǎng)的功率為：

式中：

Pw(t)—風(fēng)電輸出功率。

采用基于無限脈沖響應(yīng)型的低通濾波器的傳統(tǒng)配置方法的原理如圖1所示。

式中：

Pw(t)—風(fēng)電輸出功率；

Po(t)—聯(lián)絡(luò)線輸送功率；

PE(t)—儲能系統(tǒng)補償?shù)墓β省?/p>

由圖1可得：

故儲能系統(tǒng)補償?shù)墓β蕿椋?/p>

圖1 一階低通濾波原理圖

根據(jù)式（2）-式（4），不同平滑時間常數(shù)的平抑效果如圖2所示。由圖2可見，時間常數(shù)Tc越大，風(fēng)力發(fā)電功率波動率越小。傳統(tǒng)的低通濾波方法易于實現(xiàn)，但其具有響應(yīng)延遲的缺點。

其時間常數(shù)越大，時間延遲越長，這將需求更高的儲能系統(tǒng)容量；同時，只要儲能系統(tǒng)的容量較大，低通濾波器的相位延遲就會越長，這將導(dǎo)致將風(fēng)電輸出功率平抑到滿足波動率約束而所需的儲能系統(tǒng)容量也會越大。

2 基于零相位的低通濾波儲能優(yōu)化配置法

針對傳統(tǒng)的濾波方法具有時延的缺點，本文提出一種采用零相位低通濾波器的容量配置方法進(jìn)行改進(jìn)。在通帶區(qū)域（ω≤ωc）中，相位和幅度應(yīng)分別為零度（0°）和零分貝（0 dB）。同時，在阻帶區(qū)域（ω＞ωc）中，幅度應(yīng)盡可能小。由于傳統(tǒng)濾波器系數(shù)較多，導(dǎo)致計算復(fù)雜。因此為了減小計算量，應(yīng)設(shè)計系數(shù)較少的濾波器。本文應(yīng)用FIR（有限長單位沖激響應(yīng)）數(shù)字濾波器，其定義如下：

式中：

αN—濾波器系數(shù)。

其頻率響應(yīng)可以導(dǎo)出為：

式中：

jω—頻率；

Ts—脈沖采樣的時間間隔， k=1，2，… N。

理想濾波器目標(biāo)頻率響應(yīng)Hd(ejω)被分成相等的時間間隔，即：

式中：

ω=2kπ/N，Hd(k)—濾波器的頻率響應(yīng)。

當(dāng)FIR數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)h(n)為實序列時，可將H(ejω)表示成：

圖2 不同平滑時間常數(shù)的平抑效果

H(ω)—幅度特性函數(shù)，其值為實數(shù)；

θ(ω)—相位特性函數(shù)。

根據(jù)[17]提出FIR濾波器的沖激響應(yīng)只需滿足奇對稱或偶對稱條件，便可實現(xiàn)嚴(yán)格意義上的線性相位特性。

式中：

h(n)—FIR數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)。只有當(dāng)h(n)為偶對稱時的濾波器才可以做一般意義上的FIR濾波器。

當(dāng)H(ω)為實數(shù)時，頻率響應(yīng)顯然是實數(shù)。因此，濾波器的時間延遲即可轉(zhuǎn)化為相位延遲，即在濾波器濾波后的信號的基礎(chǔ)上通過平移變換，實現(xiàn)濾波器的零延遲時間響應(yīng)。該濾波器被設(shè)計為在帶通區(qū)域?qū)崿F(xiàn)簡單的計算和對數(shù)據(jù)進(jìn)行40 dB的衰減，即信號衰減0.01倍。

定義一個矩陣h，其中包含傳統(tǒng)一階低通濾波器的脈沖響應(yīng)的前N個值：

然后，對h進(jìn)行自卷積并歸一化，得到零相位低通濾波器的系數(shù)如公式（12）和公式（13）。

式中：

k為濾波節(jié)數(shù)。

3 算例分析

為了驗證本文所提出的基于零相位低通濾波方法的有效性，使用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真。為了評估準(zhǔn)確，我們選擇2015年江蘇省某市風(fēng)電場的風(fēng)電數(shù)據(jù)作為功率平滑對象，取其采樣周期5 min的風(fēng)電數(shù)據(jù)作為模擬的樣本數(shù)據(jù)。圖3所示為3月份收集的風(fēng)速數(shù)據(jù)。風(fēng)速變化很大，這導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動較大。儲能系統(tǒng)可以有效平抑風(fēng)電輸出功率的波動。

以3月份某24 h風(fēng)功率為例，根據(jù)式

（5）-（13）采用基于零相位低通濾波器進(jìn)行儲能優(yōu)化配置。零相位低通濾波器參數(shù)在通帶區(qū)域中，相位和幅度應(yīng)分別為零度（0 °）和零分貝

（0 dB）。

濾波器的參數(shù)設(shè)置如下：通帶上限頻率fp=3 Hz，阻帶下限頻率fs=20 Hz，通帶允許的最大衰減為3 dB，阻帶允許的最小衰減為20 dB，濾波器的平滑時間常數(shù)設(shè)定為Tc=300Ts或Tc=300 min。

圖4展示了江蘇省某市風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組輸出功率的原始數(shù)據(jù)與經(jīng)傳統(tǒng)的巴特沃斯濾波器、經(jīng)零相位低通濾波器的濾波數(shù)據(jù)之間的比較。兩種方法采用相同的時間常數(shù)。

當(dāng)風(fēng)電場安裝了儲能系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)低通濾波器所進(jìn)行的容量配置，會存在一定的時延問題，儲能系統(tǒng)的功率與容量將會因此增加，安裝儲能系統(tǒng)所需的容量也將隨之提高。

通過文獻(xiàn)[16]所介紹的方法算出應(yīng)配置的儲能系統(tǒng)容量，采用本文所提的方法配置儲能容量為1 220 kW / 215 kWh，而采用傳統(tǒng)濾波方法配置的儲能容量為2 750 kW / 375 kWh。

圖3 江蘇省某風(fēng)電場2015年3月的風(fēng)速剖面圖

圖4 原始數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)濾波器濾波數(shù)據(jù)、經(jīng)零相位低通

圖5 相對于時間常數(shù)所需的儲能系統(tǒng)容量

從圖4中可以看出，傳統(tǒng)濾波器的綠色曲線明顯滯后于原始數(shù)據(jù)，而基于零相位的低通濾波數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)不存在相位延遲問題。在任何時刻，本文采用零相位低通濾波器改進(jìn)了常規(guī)容量配置，不會再出現(xiàn)時間延遲，這表明本文所提出的方法所需的儲能系統(tǒng)功率明顯低于實現(xiàn)傳統(tǒng)方法所需的儲能系統(tǒng)功率，同時說明本文所提出的方法所需的儲能系統(tǒng)容量遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法的儲能系統(tǒng)容量，從而大大降低儲能系統(tǒng)的成本。

隨著平滑時間常數(shù)不斷增加，傳統(tǒng)濾波方法和本文提出的方法都需要更高的儲能系統(tǒng)容量，才能滿足平抑風(fēng)功率波動。

傳統(tǒng)濾波法和本文提出的零相位濾波法的時間常數(shù)和儲能容量的關(guān)系如圖5所示。

從圖5中可見，在任何一個時間常數(shù)下，本文所提出的方法都比傳統(tǒng)方法配置的儲能容量要少，可見本文所提方法的有效性。

4 結(jié)語

針對平抑風(fēng)功率波動的儲能容量優(yōu)化配置，本文提出了一種克服響應(yīng)延遲的最優(yōu)儲能容量優(yōu)化配置方法。零相位發(fā)通過在濾波器濾波后的信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行平移變換，實現(xiàn)濾波器的零延遲時間響應(yīng)。算例表面，相同時間常數(shù)下，本文提出的零相位濾波法比傳統(tǒng)濾波法需要更小的儲能容量，驗證了本文所提方法的有效性。

本文只是對平抑風(fēng)功率波動的儲能系統(tǒng)容量配置的低通濾波法做了初步的模擬。對于實際工程中電力系統(tǒng)規(guī)劃集中建設(shè)多個風(fēng)電場，并將低通濾波與風(fēng)功率預(yù)測結(jié)合起來，還可以做進(jìn)一步研究。