平抑風(fēng)電波動(dòng)的飛輪-電化學(xué)混合儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置研究

王晉君, 茍凱杰, 陳 衡, 陳宏剛, 徐 鋼, 張國(guó)強(qiáng)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京 102206)

近年來(lái),清潔能源的規(guī)模化應(yīng)用在給電網(wǎng)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的同時(shí),也成為了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的一大難題[1]。其中,風(fēng)電出力的瞬時(shí)波動(dòng)性會(huì)引起電網(wǎng)電壓和頻率的波動(dòng),極大地影響了用電質(zhì)量和供電穩(wěn)定性,而在電源側(cè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效平滑波動(dòng)。目前,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合了能量型儲(chǔ)能和功率型儲(chǔ)能的優(yōu)缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的互補(bǔ),成為平抑新能源出力波動(dòng)的首選。但現(xiàn)有技術(shù)下的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本較高,亟需找到合適的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(HESS)容量配置方法,以實(shí)現(xiàn)效益最大化。

當(dāng)前針對(duì)HESS容量配置主要采用仿真分析法。徐衍會(huì)等[2]和吳倩等[3]以并網(wǎng)波動(dòng)量為指標(biāo),通過(guò)自適應(yīng)滑動(dòng)窗口法進(jìn)行功率分配,得到滿足并網(wǎng)指標(biāo)下的HESS容量配置;武鑫等[4]基于改進(jìn)的小波包分解法得到各節(jié)點(diǎn)能量分布,并采用概率分布擬合降低了HESS所需容量;毛志宇等[5]將容量配置劃分為2個(gè)階段,在優(yōu)化HESS功率任務(wù)的基礎(chǔ)上解耦內(nèi)部功率,構(gòu)建以壽命周期凈效益最大化為目標(biāo)的配置模型;許慶祥等[6]基于低通濾波法,構(gòu)建不同截止頻率和功率容量下的約束條件,驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能平抑風(fēng)電波動(dòng)的有效性;馬偉等[7]提出一種光伏和HESS協(xié)調(diào)平抑策略,結(jié)果表明,該策略不僅能有效平抑光伏波動(dòng),還能提高HESS的使用壽命;葛樂(lè)等[8]提出一種改進(jìn)希爾伯特-黃變換的容量配置方法,基于荷電狀態(tài)約束構(gòu)建HESS經(jīng)濟(jì)成本模型,得到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)下的容量配置方案。以上研究從不同角度對(duì)功率分配與容量配置進(jìn)行了分析,但很少考慮到實(shí)際風(fēng)電出力中的極端數(shù)據(jù)影響,降低了容量配置的準(zhǔn)確性。此外,針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)組合的選取也有大量研究。王蘇蓬等[9]綜合考慮了多種儲(chǔ)能組合策略與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià),得到基于最優(yōu)組合選型下經(jīng)濟(jì)性最佳的容量配置結(jié)果;Zhang等[10]通過(guò)配置飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能來(lái)應(yīng)對(duì)風(fēng)電的低頻和高頻波動(dòng)信號(hào),以平滑其波動(dòng)性;Li等[11]選取抽水蓄能和液流電池組成HESS,通過(guò)分階段協(xié)同優(yōu)化方法構(gòu)建雙層容量配置模型,結(jié)果表明該組合調(diào)節(jié)能力和經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于單一儲(chǔ)能系統(tǒng);雷勇等[12]和Lu等[13]提出使用超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能組成的HESS來(lái)改善風(fēng)電波動(dòng)性,同時(shí)設(shè)計(jì)了分層控制策略,為補(bǔ)償風(fēng)電功率波動(dòng)保留足夠的容量空間。

但是,上述關(guān)于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究沒(méi)有考慮HESS在大電網(wǎng)場(chǎng)景下的應(yīng)用。且風(fēng)電初始信號(hào)的波動(dòng)會(huì)對(duì)電解槽帶來(lái)很大的沖擊,額外增加了儲(chǔ)能平抑量,效率將大大降低。因此,筆者基于電源側(cè)儲(chǔ)能,提出以鋰電池儲(chǔ)能為輔,飛輪儲(chǔ)能為主的HESS,綜合考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率和荷電狀態(tài)約束,并引入基準(zhǔn)線變量和懲罰系數(shù),構(gòu)建了以綜合成本最低為目標(biāo)函數(shù)的容量配置模型,最后通過(guò)實(shí)際風(fēng)電數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性。

1 HESS協(xié)調(diào)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)策略

1.1 HESS的功率分配策略

目前,常用于HESS功率分配的方法有小波包分解、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和低通濾波等方法[14]。以不同頻域作為信號(hào)分解的標(biāo)準(zhǔn),將風(fēng)電輸出功率信號(hào)拆解為高頻和低頻分量信號(hào),分別作為飛輪儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能的功率指令。為了更好地解決規(guī)模性風(fēng)電并網(wǎng)引起的波動(dòng)問(wèn)題,選用直觀且自適應(yīng)強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法,其在非線性擾動(dòng)信號(hào)分解效果上要優(yōu)于小波包分解法。構(gòu)建了包含飛輪儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能在內(nèi)的HESS協(xié)調(diào)運(yùn)行框架,如圖1所示。

圖1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)策略圖

利用EMD將最初的風(fēng)電復(fù)雜信號(hào)分解為不同階的有限個(gè)本征模態(tài)函數(shù)(IMF),各階IMF分量包含了原信號(hào)不同時(shí)間尺度下的局部特征信號(hào),若單獨(dú)處理不僅會(huì)增加工作量,還會(huì)延緩分解速度[15]。故決定結(jié)合實(shí)際風(fēng)電并網(wǎng)的波動(dòng)量限制,將IMF重構(gòu)為低頻分量和高頻分量。其中,低頻分量直接選擇并網(wǎng),高頻分量則作為HESS的平抑任務(wù),具體可表示為

(1)

IMF重構(gòu)方式主要分為低頻重構(gòu)(coarsetofine,c)和高頻重構(gòu)(finetocoarse,f):低頻重構(gòu)是指根據(jù)EMD初步分解結(jié)果,自下而上選擇合適分量進(jìn)行疊加生成對(duì)應(yīng)階數(shù)下的低頻重構(gòu)分量;高頻重構(gòu)則是自上而下選擇合適分量進(jìn)行疊加生成對(duì)應(yīng)階數(shù)下的高頻重構(gòu)分量[16]。

分解后的高、低頻信號(hào)再通過(guò)功率分配策略流程,進(jìn)一步篩選出平抑模塊的工作量,具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 風(fēng)電波動(dòng)功率分配流程圖

1.2 HESS能量管理系統(tǒng)

通常HESS會(huì)將功率型儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)(SOC)控制在95%左右,能量型儲(chǔ)能的SOC控制在50%左右,避免過(guò)充過(guò)放而降低儲(chǔ)能壽命。其缺點(diǎn)是調(diào)峰和平抑模塊之間協(xié)調(diào)效果不明顯,特別是在飛輪儲(chǔ)能自放電率高、能量釋放儲(chǔ)蓄時(shí)間短的情況下,如果不能夠及時(shí)放電,能量損耗現(xiàn)象明顯[17]。因此,在保證飛輪儲(chǔ)能荷電狀態(tài)水平的前提下制定HESS協(xié)調(diào)管理方案。

(1) HESS吸收功率

當(dāng)平抑功率PHESS,n>0時(shí),HESS系統(tǒng)啟動(dòng)開(kāi)始吸收風(fēng)電正向波動(dòng)功率,飛輪最大、最小荷電狀態(tài)分別用Smax和Smin表示。此時(shí)飛輪儲(chǔ)能作為第一響應(yīng)資源,其工作狀態(tài)受荷電狀態(tài)影響主要分為3種情況:(1)飛輪荷電狀態(tài)(SFESS)在[(Smin+Smax)/2,Smax]范圍內(nèi)時(shí),飛輪和鋰電池共同承擔(dān)功率任務(wù)。其中飛輪儲(chǔ)能吸收功率值為HESS功率任務(wù)與鋰電池吸收量的差值;(2)當(dāng)SFESS<(Smin+Smax)/2時(shí),正向波動(dòng)功率全部由飛輪儲(chǔ)能吸收,直至SFESS滿足情況(1)時(shí)調(diào)動(dòng)鋰電池輔助吸收功率;(3)當(dāng)SFESS在(Smax,1]時(shí),飛輪停止充電,HESS停止運(yùn)行直到能量管理系統(tǒng)發(fā)出放電指令。

(2) HESS釋放功率

當(dāng)平抑功率PHESS,n<0時(shí),HESS系統(tǒng)開(kāi)始釋放功率以平抑風(fēng)電負(fù)向功率波動(dòng),該部分功率全部由飛輪儲(chǔ)能提供,其工作狀態(tài)受荷電狀態(tài)影響分為2種:(1)當(dāng)SFESS>Smin時(shí)飛輪正常放電;(2)當(dāng)SFESS在[0,Smin]時(shí),為了避免電池容量衰減,在飛輪荷電狀態(tài)低于最小值前要停止放電。HESS系統(tǒng)要停止工作直至能量管理系統(tǒng)發(fā)出充電指令,若并網(wǎng)功率仍達(dá)到波動(dòng)限值則可以通過(guò)電池儲(chǔ)能放電來(lái)滿足并網(wǎng)要求。

此外還需要考慮2種特殊情況:當(dāng)飛輪荷電狀態(tài)較小但仍有大功率放電任務(wù)時(shí),可以降低飛輪放電量或放電功率,功率差值則由鋰電池儲(chǔ)能承擔(dān);當(dāng)飛輪荷電狀態(tài)較高但仍處于大功率充電狀態(tài)時(shí),可以降低其充電量或適當(dāng)延長(zhǎng)充電時(shí)間,盈余功率仍由鋰電池儲(chǔ)能承擔(dān)。

2 HESS容量配置模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

HESS中飛輪儲(chǔ)能的綜合效率為90%～95%,循環(huán)充放電次數(shù)約為100 000～1 000 000;磷酸鐵鋰電池的綜合效率為85%～90%,循環(huán)充放電次數(shù)約為2 000～4 000[18]。因此,以飛輪和鋰電池混合的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本與風(fēng)電功率機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)為

minF=FFESS+FBAT+Fcomp

(2)

式中:F為年綜合成本,萬(wàn)元/(MW·h);FFESS和FBAT分別為飛輪儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能成本,萬(wàn)元/(MW·h);Fcomp為風(fēng)電功率波動(dòng)機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本,萬(wàn)元/(MW·h)。

其中,

(3)

(4)

Fcomp=gNsum

(5)

(1) 投資成本及運(yùn)行維護(hù)成本

(6)

(7)

(8)

(9)

(2) 機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本

由于儲(chǔ)能系統(tǒng)受到容量和功率的限制,當(dāng)風(fēng)電波動(dòng)超出儲(chǔ)能工作范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)棄電現(xiàn)象[19],因此需要調(diào)度系統(tǒng)中其他快速響應(yīng)資源輔助HESS完成儲(chǔ)能功率任務(wù),這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電平抑成本增加,HESS的儲(chǔ)能效率下降。機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本則評(píng)估了由欠補(bǔ)償量引起的額外運(yùn)行成本,具體可表示為

(10)

式中:h為機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本系數(shù);Pposun,n和Pnegun,n分別為n時(shí)刻的正方向和負(fù)方向的欠補(bǔ)償量,MW;N為總時(shí)間長(zhǎng)度,min。

2.2 約束條件

(1) 功率約束

混合儲(chǔ)能功率任務(wù)PHESS,n主要包含兩部分:一部分是由鋰電池儲(chǔ)能構(gòu)成的調(diào)峰模塊;另一部分是通過(guò)飛輪儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)的平抑風(fēng)電波動(dòng)模塊。當(dāng)PHESS,n>0時(shí),風(fēng)電為正向波動(dòng),此時(shí)需要飛輪儲(chǔ)能和鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充電吸收波動(dòng)功率;當(dāng)PHESS,n<0時(shí),風(fēng)電為負(fù)向波動(dòng),此時(shí)需要鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)放電補(bǔ)償波動(dòng),對(duì)于瞬時(shí)波動(dòng)量大的時(shí)刻則需要飛輪儲(chǔ)能放電實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng),以提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

(11)

(12)

(2) HESS充放電模型約束

本文采用飛輪和鋰電池儲(chǔ)能構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng),其中飛輪儲(chǔ)能用于第一時(shí)間平抑能量低的高頻波動(dòng);鋰電池用于平抑能量高的低頻波動(dòng),此外還具備長(zhǎng)時(shí)間電力儲(chǔ)存的特性,用于備用電源以保證混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。飛輪儲(chǔ)能和鋰電池的荷電狀態(tài)與充放電功率關(guān)系如下:

(13)

(14)

(15)

(16)

式中:Δt為記錄點(diǎn)的時(shí)間間隔;SFESS,n、SBAT,n分別為飛輪儲(chǔ)能和鋰電池在n時(shí)刻的荷電狀態(tài);EFESS、EBAT分別為飛輪和鋰電池的額定容量,MW·h;ηFc、ηFd分別為飛輪的充、放電效率;ηBc、ηBd分別為鋰電池的充、放電效率。

3 算例分析

以西北地區(qū)某200 MW的風(fēng)電場(chǎng)為例,記錄該地區(qū)的實(shí)際風(fēng)電數(shù)據(jù),時(shí)間間隔為5 min。采用飛輪和鋰電池組成的HESS來(lái)平抑風(fēng)電波動(dòng)性,飛輪的初始荷電狀態(tài)為0.50,充放電效率均為95%。容量?jī)?yōu)化配置相關(guān)參數(shù)如下:機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本系數(shù)為0.24萬(wàn)元/(MW·h);儲(chǔ)能運(yùn)行維護(hù)成本占投資成本比例為2%。

3.1 基于EMD的低頻信號(hào)重構(gòu)

在EMD分解前先采用k均值聚類算法(簡(jiǎn)稱k-means算法)對(duì)風(fēng)電數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類,得到8個(gè)不同場(chǎng)景的風(fēng)電出力特性曲線,各場(chǎng)景的概率分布見(jiàn)表1。但傳統(tǒng)的k-means算法受極端數(shù)據(jù)影響,比如個(gè)別數(shù)據(jù)日的平均出力維持在較高水平或較低水平,將會(huì)大大影響k-means算法尋找聚類中心的準(zhǔn)確性。故通過(guò)計(jì)算8個(gè)不同場(chǎng)景中所包含天數(shù)的波動(dòng)量,并進(jìn)行排序,選擇中位數(shù)所對(duì)應(yīng)天數(shù)作為此場(chǎng)景的典型日,此方法能夠?qū)O端數(shù)據(jù)有效剔除,使選擇出來(lái)的典型日更具代表性。

表1 不同典型日的概率分布

額定容量大于150 MW的風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)時(shí),規(guī)定1 min有功功率變化不超過(guò)15 MW,10 min有功功率變化不超過(guò)50 MW[20]。故本文并網(wǎng)波動(dòng)量限值最大為風(fēng)電裝機(jī)容量的20%,以并網(wǎng)波動(dòng)量限值為指標(biāo)劃分直接并網(wǎng)容量和HESS平抑任務(wù)量。選擇表1場(chǎng)景五進(jìn)行EMD信號(hào)重構(gòu)計(jì)算,結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 不同波動(dòng)量限值下的直接并網(wǎng)分量圖

從圖3和圖4可以看出,隨著波動(dòng)量限值的減小,直接并網(wǎng)功率曲線更加平滑,同時(shí)HESS平抑功率曲線波動(dòng)幅值越來(lái)越大,包絡(luò)線對(duì)稱性更差,故選取10 MW作為風(fēng)電并網(wǎng)波動(dòng)量限值。由圖5可以看出,低頻重構(gòu)分量c(4)的最大波動(dòng)量低于10 MW,故可以直接作為并網(wǎng)分量,而將f(2)作為HESS平抑任務(wù)。低頻重構(gòu)并網(wǎng)量和直接并網(wǎng)量疊加后的并網(wǎng)曲線如圖6所示。

圖4 不同波動(dòng)量限值下的HESS功率任務(wù)

圖5 直接并網(wǎng)分量篩選

圖6 HESS平抑量與直接并網(wǎng)量分布圖

3.2 不同場(chǎng)景下的風(fēng)電平抑效果分析

由于儲(chǔ)能充放電效率的限制,在吸收風(fēng)電正向波動(dòng)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一部分能量損失,而在補(bǔ)償風(fēng)電負(fù)向波動(dòng)的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生能量損失,若充放電效率均為0.85,最終負(fù)向波動(dòng)部分只能補(bǔ)償0.72,損失了約28%的能量。此部分欠補(bǔ)償量的存在將會(huì)加劇風(fēng)電負(fù)向波動(dòng)幅值,為HESS平抑工作帶來(lái)了困難[21]。因此,要分場(chǎng)景進(jìn)行討論,考慮引入基準(zhǔn)線變量,即增大正向待平抑量,減小負(fù)向待補(bǔ)償量,從而改善因負(fù)向欠補(bǔ)償量引起的波動(dòng)。定義情景1為0基準(zhǔn)線平抑,情景2為變基準(zhǔn)線平抑。

(1) 可變基準(zhǔn)線

引入基準(zhǔn)線變量后求得平抑前后高頻功率波動(dòng)曲線如圖7所示。

圖7 平抑前后的高頻功率波動(dòng)曲線

從圖7可以看出,2種情景下的正向波動(dòng)大部分被吸收,只有個(gè)別時(shí)刻幅值較大的波動(dòng)沒(méi)有完全吸收,其中情景1正向累計(jì)欠補(bǔ)償量為22.66 MW,而情景2只有3.45 MW,降低了84.8%;對(duì)于負(fù)向波動(dòng),情景2補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于情景1,計(jì)算得知情景1的負(fù)向累計(jì)欠補(bǔ)償量為442.21 MW,情景2為34.61 MW,降低了92.1%,可以看出基準(zhǔn)線下移后極大地緩解了負(fù)向欠補(bǔ)償量引起的波動(dòng);因此,累計(jì)欠補(bǔ)償量共減少91.8%。以10 MW作為波動(dòng)指標(biāo),計(jì)算得知情景1中有較多時(shí)間段內(nèi)波動(dòng)量超過(guò)波動(dòng)限值,而情景2中只有n=1 309 min內(nèi)波動(dòng)量超過(guò)限值。平抑前后的風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)曲線如圖8所示,其中平抑前的曲線為直接并網(wǎng)量曲線,而平抑后的曲線則包含了重構(gòu)后的并網(wǎng)量與初始并網(wǎng)量。

圖8 平抑前后的風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)曲線

從圖8可以看出,情景2中疊加后的并網(wǎng)功率相對(duì)情景1波動(dòng)小,完全在可控范圍之內(nèi),進(jìn)一步說(shuō)明了可變基準(zhǔn)線在平抑風(fēng)電波動(dòng)性方面的有效性。

(2) 波動(dòng)懲罰系數(shù)

從圖7可以看出,情景2中經(jīng)HESS平抑后得到的高頻功率波動(dòng)曲線的平滑性大大提高,但仍有部分時(shí)間段內(nèi)存在超過(guò)波動(dòng)限值的負(fù)向欠補(bǔ)償量。故在引入基準(zhǔn)線變量的基礎(chǔ)上考慮加入波動(dòng)懲罰系數(shù),結(jié)合前文提到的機(jī)會(huì)補(bǔ)償成本系數(shù)進(jìn)一步對(duì)負(fù)向波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償,得到不同懲罰系數(shù)下的高頻功率曲線和最終并網(wǎng)功率曲線,如圖9和圖10所示。利用Matlab軟件和Gurobi求解器求得不同場(chǎng)景下HESS容量配置如表2所示。

表2 飛輪儲(chǔ)能容量配置結(jié)果

圖9 不同波動(dòng)懲罰系數(shù)下的高頻功率曲線

圖10 不同懲罰系數(shù)下平抑后的并網(wǎng)功率曲線

從圖9可以看出,隨著懲罰系數(shù)的增加,波動(dòng)功率幅值不斷減小,原n=1 309 min內(nèi)的欠補(bǔ)償量從10 MW降到4.38 MW,減小了5.62%,已滿足并網(wǎng)波動(dòng)限值的要求。由圖10可以看出,引入懲罰系數(shù)能夠有效控制部分時(shí)段內(nèi)波動(dòng)量很小但功率尖銳的影響,使得平抑后的并網(wǎng)功率曲線更加平滑,避免了棄電現(xiàn)象的出現(xiàn)。由表2可以看出,場(chǎng)景2比場(chǎng)景1的容量配置方案年綜合成本減少了2 825萬(wàn)元,降低了49.99%,進(jìn)一步驗(yàn)證了因儲(chǔ)能充電效率約束而帶來(lái)的欠補(bǔ)償損失影響是顯著的;平滑效果和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的風(fēng)儲(chǔ)最佳配比為1∶0.16,其中飛輪和鋰電池比例為1∶4.65。

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過(guò)基準(zhǔn)線變量和波動(dòng)懲罰系數(shù)修正后的HESS能夠有效控制風(fēng)電波動(dòng)性,正向累計(jì)欠補(bǔ)償量減少了84.8%,負(fù)向累計(jì)欠補(bǔ)償量減少了92.1%。

(2) 所提方法能有效計(jì)算波動(dòng)量限制下的新能源與儲(chǔ)能最佳配比,以經(jīng)濟(jì)性最高為目標(biāo)的風(fēng)儲(chǔ)最佳配比為1∶0.16。

(3) 相較于0基準(zhǔn)線波動(dòng)平抑策略,所提方法下的HESS容量配置方案在系統(tǒng)投資成本上節(jié)省了49.99%,具有更高的經(jīng)濟(jì)性。