平抑風(fēng)電波動(dòng)的混合儲(chǔ)能容量配置策略

何新宇,黨照群,楊斯涵,吳 帥

(沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

0 引言

作為應(yīng)對(duì)能源短缺及推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵途徑,風(fēng)力發(fā)電已成為增長(zhǎng)最迅速的可再生能源發(fā)電形式之一。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),我國(guó)(除港澳臺(tái)地區(qū)外)新增風(fēng)電裝機(jī)容量為4983萬kW[1-6]。然而,風(fēng)力發(fā)電具有顯著的功率波動(dòng)性和隨機(jī)性,導(dǎo)致其大量接入電網(wǎng)后出現(xiàn)功率不均衡與電壓不穩(wěn)定等問題,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響[7]。為解決這些問題,引入儲(chǔ)能系統(tǒng)來調(diào)節(jié)風(fēng)電的波動(dòng)性,使其能夠平穩(wěn)輸送能量,同時(shí)確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)能能夠迅速實(shí)現(xiàn)兩向流動(dòng),保持穩(wěn)定輸出,并突破傳統(tǒng)“生產(chǎn)-消費(fèi)”模式,實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間的能源轉(zhuǎn)換。根據(jù)儲(chǔ)存形式不同,目前研究將其劃分為2種:一種是基于蓄電池的能量型儲(chǔ)存;另一種是基于超級(jí)電容器的功率型儲(chǔ)存。這2種儲(chǔ)存設(shè)備各有特點(diǎn),充/放電功率、反應(yīng)速度和價(jià)格等方面都有所差異。結(jié)合這些優(yōu)勢(shì),本文構(gòu)建了一個(gè)多元化儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(HESS),可在時(shí)間和空間上分離發(fā)電和用電過程,使電力系統(tǒng)的硬鏈接變得更加柔韌。作為一種類似于多個(gè)時(shí)間維度的彈性電源,HESS可以有效平衡供需關(guān)系,確保系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。因此需要深入探討關(guān)于儲(chǔ)能設(shè)備的配置方案和管理策略。

目前主要調(diào)控方式是基于參數(shù)的改良與調(diào)試,其方案相對(duì)有限,盡管在某種程度上可增加風(fēng)電的穩(wěn)定性,卻未能充分考慮不同時(shí)間段的風(fēng)電波動(dòng)特性,且無法保證風(fēng)電平穩(wěn)性,也不符合風(fēng)電波動(dòng)的要求,更沒有構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)風(fēng)電抑制策略,因此引入過濾器和平穩(wěn)化技術(shù),提出可同時(shí)考慮風(fēng)電的平穩(wěn)性和適應(yīng)多種時(shí)間尺度的短期風(fēng)電波動(dòng)性的調(diào)節(jié)方法,確保儲(chǔ)能的最優(yōu)輸出能力,根據(jù)風(fēng)電的多時(shí)段超標(biāo)頻率和儲(chǔ)能的需求數(shù)量來評(píng)估風(fēng)電抑制策略。

1 小波去噪-MPC聯(lián)合優(yōu)化平抑策略

首先對(duì)初始階段的小波去噪技術(shù)與MPC協(xié)同優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)化處理,其流程是利用小波過濾方法得到需要的關(guān)鍵信息,即來自功率波動(dòng)較低頻率的信息;然后將其他關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸入MPC系統(tǒng)中,且系統(tǒng)設(shè)定的任務(wù)是以 “需要的存儲(chǔ)能力” 達(dá)到最低水平為限,同時(shí)考慮限制因子,如必須滿足1 min內(nèi)或30 min內(nèi)最大振幅等一系列相關(guān)要求;最后用1 min的數(shù)據(jù)樣本作為基礎(chǔ)點(diǎn)開始實(shí)施連續(xù)性的運(yùn)算工作。

1.1 基本流程

基于小波去噪技術(shù)與MPC協(xié)同優(yōu)化平穩(wěn)化處理流程如圖1所示。首先利用小波去噪技術(shù)來捕捉并提煉初始風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)特性。由于存儲(chǔ)裝置會(huì)吸收部分中高功率波動(dòng)頻率信息,僅保留低功率波動(dòng)頻率信息,因此利用MPC對(duì)需要儲(chǔ)存能量的需求作出評(píng)估,目的是使需求量的誤差達(dá)到最低,同時(shí)滿足大于1 min且小于30 min的振幅限制條件。且設(shè)定1 s作為預(yù)估時(shí)間段,以使用小波變換后得來的結(jié)果作為循環(huán)運(yùn)算依據(jù),并對(duì)未來每秒內(nèi)可能需要的能量供應(yīng)作出最佳響應(yīng)方案,減小不可控因素帶來的影響。在每1 h內(nèi)或每30 min內(nèi)超過規(guī)定范圍的變化量或其對(duì)應(yīng)到必須提供儲(chǔ)能的容量大小等情況時(shí),需不斷更新調(diào)控參數(shù),最終獲得理想化分解層數(shù)的優(yōu)化方法。

圖1 小波去噪-MPC協(xié)同優(yōu)化平穩(wěn)化處理流程

1.2 基于小波去噪特征提取

一階濾波、卡爾曼濾波和小波變換等過濾頻率的方法易于執(zhí)行,但未必能保持風(fēng)力發(fā)電信號(hào)的特性及光滑程度。使用小波去噪技術(shù),可同時(shí)捕捉風(fēng)力發(fā)電信號(hào)特點(diǎn)并完成過濾過程,理論上使去除噪聲后風(fēng)力發(fā)電信號(hào)的趨勢(shì)與其原始狀態(tài)保持一致,并使方差值達(dá)到最低水平[8]。

與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電數(shù)據(jù)分析方法相比,基于小波變換(wavelet decomposition,WD)的方法有效去除對(duì)復(fù)雜且包含大量干擾因素信息源的雜質(zhì) ,并保證其完整性和準(zhǔn)確性。在一定程度上避免因過多背景或其他無關(guān)信息的混入而導(dǎo)致結(jié)果失真。該技術(shù)還可根據(jù)需要靈活調(diào)整參數(shù)設(shè)置,如選擇合適的窗函數(shù)長(zhǎng)度、基底寬度的設(shè)定等關(guān)鍵指標(biāo)以獲得最優(yōu)解,從而達(dá)到最佳效果。

(1)

式中:δ為選取的一個(gè)合適閾值,與分解得到的小波系數(shù)Cj,k相比,設(shè)大于等于閾值的小波系數(shù)保持不變,其他設(shè)為零,以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電輸出信號(hào)降噪。

經(jīng)過分解閾值和信息重構(gòu),小波去噪可完成風(fēng)電信號(hào)的劃分、去噪及修復(fù)。分解過程選擇db8作為小波基進(jìn)行轉(zhuǎn)換,通過觀察風(fēng)電產(chǎn)生信號(hào)的微小變化,獲取小波基波變換系數(shù)。

將風(fēng)力發(fā)電的輸出信號(hào)分解后獲得的各頻段小波系數(shù)與閾值進(jìn)行對(duì)比。在重構(gòu)過程中,對(duì)經(jīng)過調(diào)整的小波系數(shù)再次建模,得到去噪后的風(fēng)電輸出信號(hào)。

(2)

(3)

用無偏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)則作為閾值的基礎(chǔ),并以每層閾值的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值來構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)向量Risk(k)。

(4)

式中:NV為待估計(jì)向量;k為待估計(jì)向量每個(gè)元素的下標(biāo)。找出風(fēng)險(xiǎn)向量Risk極小值所相應(yīng)的位置,確定閾值thrrigrsure,即:

(5)

(6)

1.3 基于MPC優(yōu)化輸出

(7)

為達(dá)到儲(chǔ)存能量在一個(gè)預(yù)估時(shí)間段內(nèi)輸出最低目標(biāo),同時(shí)保證其輸出的穩(wěn)定性和可接受的波動(dòng)率,需設(shè)定γ1 min和γ30 min作為限制條件,并使用二次規(guī)劃來尋找最佳解決方案?？梢缘玫轿磥砻總€(gè)時(shí)間點(diǎn)的調(diào)控存儲(chǔ)能源輸出命令Px(k)。目標(biāo)函數(shù)為

(8)

風(fēng)電波動(dòng)約束條件為

(9)

(10)

(11)

(12)

-Px≤Px(k+j)≤Px

(13)

取控制儲(chǔ)能出力指令序列中第1個(gè)儲(chǔ)能出力作用于MPC優(yōu)化系統(tǒng),得出k時(shí)刻的風(fēng)電輸出功率。重新計(jì)算k時(shí)刻的風(fēng)電出口能量,并按照流程進(jìn)行操作,獲得k+1時(shí)刻儲(chǔ)能和風(fēng)電的輸出能量,進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置原理

構(gòu)建包含超級(jí)電容與鉛酸蓄電池的雙型儲(chǔ)存設(shè)備系統(tǒng),并采用短期的風(fēng)電抑制策略,即小波去噪聯(lián)用模式來調(diào)整其輸出能量,以此達(dá)到平穩(wěn)調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的目的。同時(shí)引入復(fù)合存儲(chǔ)量的分配標(biāo)準(zhǔn)—綜合成本,以便有效實(shí)施該組合方式,從而提高其使用壽命。

2.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為風(fēng)電場(chǎng)混合儲(chǔ)能組合運(yùn)行系統(tǒng)。在多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和所在的風(fēng)電廠共同組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)管理下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力輸出的有效調(diào)控,以達(dá)到符合電網(wǎng)接入需求的目標(biāo)。系統(tǒng)的功率模型為

圖2 風(fēng)電場(chǎng)混合儲(chǔ)能組合運(yùn)行系統(tǒng)

Pwind(t)=Pw(t)+Pc(t)+Pb(t)

(14)

式中:Pw(t)為初始風(fēng)電的功率;Pb(t)為鉛酸蓄電池充放功率參考值;Pc(t)為超級(jí)電容器充放功率參考值;Pwind(t)為風(fēng)能并網(wǎng)所需的功率,即出力總和。

2.2 混合儲(chǔ)能容量配置

基于成本效益將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力進(jìn)行一次性分配。在融合了小波去噪聯(lián)合模式的預(yù)測(cè)控制優(yōu)化風(fēng)儲(chǔ)協(xié)作方法中,本文采用包括波動(dòng)超標(biāo)處罰及混合儲(chǔ)能初期投入費(fèi)用總額的綜合價(jià)位來確定混合儲(chǔ)能的大小,同時(shí)根據(jù)其特質(zhì)來調(diào)整混合儲(chǔ)能的分配。小波去噪可從風(fēng)電功率波動(dòng)的高頻率、低振幅中部分去除干擾因素;而鉛酸蓄電池則負(fù)責(zé)吸收經(jīng)過模型預(yù)測(cè)控制算法修改過的風(fēng)電輸出變化的低頻率部分。

s2=Nunlimited1,resCun1+Nunlimited30,resCun30+Pc,nCc,p+

Ec,nCc,e+Pb,nCb,p+Eb,nCb,e

(15)

式中:Cun1、Cun30分別為1 min及30 min內(nèi)因風(fēng)電超出限制而產(chǎn)生的處罰費(fèi)用;Cc,p、Cc,e分別為超級(jí)電容器的功率價(jià)格和儲(chǔ)存量?jī)r(jià)格;Cb,p、Cb,e分別為鉛酸蓄電池的功率價(jià)格和儲(chǔ)存量?jī)r(jià)格。混合儲(chǔ)能具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 混合儲(chǔ)能相關(guān)參數(shù)

3 儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可根據(jù)不同類型的儲(chǔ)存設(shè)備來實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充和調(diào)整,從而提高輸出能力、釋放能量的能力、使用年限及經(jīng)濟(jì)效益等[12-13]。本文選擇電池充電狀態(tài)作為衡量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行情況的標(biāo)準(zhǔn),并通過計(jì)算儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)入“死亡區(qū)域”的時(shí)間和預(yù)估其工作壽命來評(píng)估設(shè)備。

3.1 荷電狀態(tài)

荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)可以反映出儲(chǔ)存器件在消耗后剩余的電量。如果SOC數(shù)值超過其最大容量或低于最小容量,都可能對(duì)儲(chǔ)存器的生命周期產(chǎn)生負(fù)面影響。SOC是剩余電量和總?cè)萘恐?具體公式為

(16)

0≤ωx,c+ωx,d≤1

(17)

ωx,c,ωx,d∈{0,1}

(18)

SOCx,min≤SOCx(t)≤SOCx,max

(19)

式中:Px(t)為t時(shí)刻儲(chǔ)能設(shè)備x的輸出功率,用符號(hào)“+”或“-”來標(biāo)記放電與充電狀態(tài);x=b為鉛酸蓄電池;x=c為超級(jí)電容器;SOCx(t)、SOCx(t-1)分別為t時(shí)刻和t-1時(shí)刻內(nèi)儲(chǔ)能設(shè)備x的剩余能量水平;ωx,c和ωx,d分別為儲(chǔ)能設(shè)備x在t時(shí)刻的輸入/輸出狀況,為充電和放電比例。

3.2 儲(chǔ)能死區(qū)時(shí)間

儲(chǔ)能死區(qū)時(shí)間Td是指當(dāng)儲(chǔ)能運(yùn)行處于SOC上下限的時(shí)間。若該時(shí)段過長(zhǎng),可能會(huì)影響到儲(chǔ)能設(shè)備的使用年限,需要對(duì)此階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)研究與評(píng)估。具體公式為

(20)

(21)

存儲(chǔ)管理系統(tǒng)每次充滿和釋放都是一次循環(huán),隨著輸出命令的持續(xù)發(fā)布,儲(chǔ)能設(shè)備的周期性循環(huán)頻率會(huì)逐漸增加,但其容量不斷下降。儲(chǔ)能裝置的容量和釋放頻率Nloop可表示為

(22)

(23)

3.3 儲(chǔ)能運(yùn)行壽命預(yù)算

可通過延長(zhǎng)儲(chǔ)能設(shè)備的使用年限,也就是降低設(shè)備壽命的損耗來提高效益。儲(chǔ)能設(shè)備健康狀況受到多種因素的影響,如充、放電深度、容量輸出能力、存儲(chǔ)環(huán)境溫度、使用頻次及電池余量等。這些因素會(huì)逐漸減少儲(chǔ)能設(shè)備的使用年限。根據(jù)相關(guān)研究[14],儲(chǔ)能設(shè)備的有效期限僅可儲(chǔ)存出廠標(biāo)稱容量80%。引入循環(huán)壽命這一概念,即指儲(chǔ)能設(shè)備在退役前可完成的充放電周期數(shù)目。然而,并非每次充放過程都完全飽和,僅通過累計(jì)充放次數(shù)評(píng)估當(dāng)前儲(chǔ)能設(shè)備的生命期并不完全準(zhǔn)確。

因此,在實(shí)際評(píng)價(jià)中,運(yùn)用工程材料疲勞解析法來計(jì)算存儲(chǔ)裝置的真實(shí)充、放電情況,使用“塔頂法”記錄儲(chǔ)存器件循環(huán)周期的放電程度[15-16],通過比較數(shù)據(jù)與儲(chǔ)存器循環(huán)生命周期的關(guān)聯(lián)進(jìn)行換算,得出真實(shí)的循環(huán)頻率。

4 算例分析

電價(jià)是混合儲(chǔ)存容量分配的標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算時(shí)使用小波去噪-MPC聯(lián)合優(yōu)化法,目的是通過設(shè)定風(fēng)電穩(wěn)定的最低值來達(dá)到最小存儲(chǔ)輸出,同時(shí)保證能夠滿足風(fēng)電波動(dòng)的要求(忽略存儲(chǔ)輸出的限制)來獲得每個(gè)分裂層次的小波去噪-MPC聯(lián)合優(yōu)化下的風(fēng)電穩(wěn)定度數(shù)和混合儲(chǔ)存的需求度數(shù)。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 綜合成本分配下各劃分層次指標(biāo)

由表2分析,若分級(jí)數(shù)量達(dá)到5級(jí),則整體花費(fèi)最少,而1 min及30 min內(nèi)超過限制的次數(shù)分別只有0次和170次,所需動(dòng)力儲(chǔ)存設(shè)備(超大電容器)的最大量輸出應(yīng)為2.4099 MW,同時(shí)存儲(chǔ)量也需設(shè)置為0.9608 MWh。儲(chǔ)能設(shè)備(鉛酸電池)的最高存儲(chǔ)能力應(yīng)該設(shè)定為6.1680 MW,并且最小的存儲(chǔ)量也需要調(diào)整到12.0571 MWh,具體表現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 綜合成本平抑前后風(fēng)電波動(dòng)率的變化情況

儲(chǔ)能的實(shí)時(shí)分配受最大功率和容量的限制,同時(shí)儲(chǔ)能過度充電或放電對(duì)荷電狀態(tài)也會(huì)產(chǎn)生一定影響。本文采用小波去噪與MPC協(xié)同優(yōu)化策略來降低儲(chǔ)存設(shè)備的工作輸出功率,并兼顧發(fā)電量的不穩(wěn)定性和存儲(chǔ)容量的影響等制約關(guān)系。通過式(8)、式(11)、式(14)和式(20)設(shè)定指標(biāo)值及其相應(yīng)的邊界限定項(xiàng),得到圖4。

圖4 在儲(chǔ)能約束下風(fēng)電、儲(chǔ)能出力情況及在平抑前后的波動(dòng)情況

在存儲(chǔ)限制環(huán)境中,風(fēng)電輸出l min與30 min波動(dòng)的超標(biāo)次數(shù)分別是15次和782次。為滿足需求,當(dāng)所需的最大量?jī)?chǔ)能設(shè)備是功率型的超級(jí)電容器時(shí),其最高負(fù)載能力達(dá)到2.4099 MW,最低儲(chǔ)存量則需達(dá)0.9608 MWh;當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備為能量型的鉛酸蓄電池時(shí),其最大儲(chǔ)存能力為5.6747 MWh,最小儲(chǔ)存量為5.8714 MWh。與沒有存儲(chǔ)限制相比,鉛酸蓄電池的使用容量有所減少。由圖4、圖5可知,在存儲(chǔ)限制的抑制方式下,在50 000～60 000 s內(nèi)出現(xiàn)一次上升趨勢(shì),這是受存儲(chǔ)量的限制,無法充分吸收超過標(biāo)準(zhǔn)的能源,所以1 min內(nèi)風(fēng)電波動(dòng)曲線的頂點(diǎn)出現(xiàn)在56 110 s。盡管降低了風(fēng)電的穩(wěn)定性,但也確保了鉛酸蓄電池能夠維持在適宜的工作狀態(tài)內(nèi)。

5 結(jié)語

為解決當(dāng)前風(fēng)電穩(wěn)定的策略無法精確平衡風(fēng)電平穩(wěn)度和平滑性的需求,并兼顧風(fēng)電功率波動(dòng)性和最佳儲(chǔ)蓄能力,本文提出了結(jié)合小波去噪和MPC的新風(fēng)電穩(wěn)定操作方式來提升儲(chǔ)能的使用效率。通過模擬驗(yàn)證了小波去噪技術(shù)可捕捉到風(fēng)電產(chǎn)量的特征,但不符合30 min波動(dòng)平滑的標(biāo)準(zhǔn),所以其平滑效果有限。在此基礎(chǔ)上,使用MPC對(duì)風(fēng)電產(chǎn)量進(jìn)行修正試驗(yàn),結(jié)果顯示,該方法有助于減少1 min及30 min內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)量的波動(dòng)。根據(jù)風(fēng)電生產(chǎn)量超過限制值的頻率及儲(chǔ)能的規(guī)模和分配情況作為主要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。