2009年中国电机工程学会年会 风电功率波动平抑效能与储能容量之间关系的分析研究

宇 航，张真卿，苑田芬，黄亚峰 （东北电力大学，吉林 吉林 132012） The relationships between the efficiency of stabilizing wind power fluctuations and capacity of storage system YU Hang,ZHANG Zhenqing,YUAN Tianfen,HUANG Yanfeng (Northeast Dianli University,Jilin 132012,JilinProvince,China) abstract: This paper takes the relationships between the efficiency of stabilizing wind power fluctuations and capacity of storage system as research objectives while proposing the methods of stabilizing wind power fluctuations and the algorithms of calculating the storage system capacity based on the principles of low-pass filter.Then simulating the process of stabilizing power fluctuations based on the output power data. The simulation results show that stabilizing the short-tem fluctuations in minutes level could reduce the change rate of wind farm output power and the needed storage capacity is smaller, while stabilizing the mid-tem or long-tem fluctuations in hours level could make the waves of output power more stably but the increase amplitude of the needed storage capacity is larger.

keywords：storage system；wind power fluctuations；low-pass fliter 摘 要：本文以风电功率波动平抑效能与储能容量之间的关系为研究目标，提出了基于低通滤波原理的风电功率波动储能平抑方法及满足平抑过程能量需求的储能容量算法，根据风电场实际输出功率数据对功率波动平抑过程进行仿真。研究结果表明，滤除风电功率的分钟级短期波动，可明显减小风电场输出功率的变化率，而且所需的储能容量较小，滤除风电功率的小时级甚至一天的中、长期波动，虽然可以使风电场输出功率更加平稳，但所需储能容量增幅很大。

关键字：储能；风功率波动；低通滤波

0 引言 随着能源和环境问题的日益突出，作为一种新型的可再生能源，风力发电具有环境友好、技术成熟、全球可行的特点，越来越受到人们的重视。近年来我国风电得到较快发展，截止到2008年底，装机容量达到892万千瓦，预计在2020年，我国风电累计装机可以达到1亿千瓦。 风电机组输出功率取决于风速，具有不可预期性和波动性。当电网所接纳的风电容量超过一定份额时，风电功率波动将增加电网运行调整负担[1]，

因此，对于大型风电场往往需要限制其输出功率的波动，如中华人民共和国国家标准化指导性文件GB/Z 19963-2005中对风电场输出功率变化率作出了明确的规定[2]。

在风电场出口处安装储能系统是减小风电场输出功率变化率的理想途径[3-4]，当储能系统容量足

够大时，可以利用储能系统对风电功率波动进行有

效调控，使风电场成为可调度电源。然而，由于储能系统成本往往比较昂贵，实际上只能利用有限容量的储能系统来优化风电场的功率输出，风电场输出功率的可控程度与所配置的储能容量密切相关。因此，分析风电功率波动平抑效能与储能容量之间的关系是风电控制领域前沿的研究课题之一。 本文提出了一种利用储能系统抑制风电功率变化率的方法以及满足平抑过程能量需求的储能容量算法，以某额定容量为50MW的风电场为例，根据其实际输出功率数据对功率波动平抑过程进行仿真，验证该平抑方法的有效性，分析风电功率波动平抑效能与储能容量之间的关系，为风电场通过配置储能系统平抑风电功率波动提供有效的参考。 1 基于低通滤波原理的风电功率波动储能平抑方法 应用储能系统平抑风电功率波动的原理如图1

12009.11.25-27中国·天津 所示：

2 图1 风电功率波动储能平抑原理示意图 Pw 表示风电场输出的功率 Pout 表示注入电网的功率

Pb 表示变流器控制储能系统吸入的功率 平抑风电功率波动的目的是要剔除风电场输出功率的短期波动，减小风电功率的变化率，为电力系统提供较为稳定的功率输出。这与信号处理中的低通滤波原理类似，低通滤波器通过对输入信号的幅值进行加减处理，使输出信号更加平滑，而储能系统则是通过其充放电来改变风电场输出功率的幅值，使注入电网的电能更加平稳，因此可以将低通滤波器模型引入到储能平抑中。 一阶无源低通滤波器的数学表达式如下： 'YYXτ+= (1) 式中X是输入量，Y是输出量，Y’是Y的微分，滤波时间常数τ是滤波时间常数。 其幅频特性如图2所示： 图2 低通滤波器幅频特性曲线 图2中fc为低通滤波器的截止频率，fc=1/2πτ，低通滤波器的通频带为0—fc，fc—∞为阻带。从幅频特性看，对同样振幅的输入信号，频率越高，输出信号幅值越小；随着截止频率fc减小，即滤波时间常数τ的增大，输出信号频率越低、越平稳。 对风电场输出功率进行平抑控制时，(1)式中的X相当于Pw，Y相当于Pout。将(1)式进行离散化，设t为控制周期，在tk=kt(k=1,2,3,…,n)时刻： 1kkkYYYXtτ−−+=k (2) 解Yk得， 1kktYYtτττ−=+++kXt (3) 设λ=ttτ+(0，那么储能系统吸入的功率如下

式：

bkPXYk=− (5)

对风电场输出功率进行储能平抑控制前，要设定τ值和Pout初始值Y0，当平抑过程结束后，可以

得到n个Pb值，而这组Pb值正是计算储能容量的

依据。 2满足平抑过程能量需求的储能容量算法 在对风电功率波动进行储能平抑控制时，满足储能系统充放电需求的储能容量计算方法如下： 平抑过程中储能系统中的能量用Ek表示：

01kkmm

EEPbt

==+⋅

∑

kE (6) 式中E0为储能系统中的初始能量，设E0=0，从k=1至k=n，计算Ek。储能系统的容量用W表示如下： 11maxminkknkn

WE==

=−KK

(7)

在实际储能平抑过程中，由于储能系统中的能量不能为负，因此若1minkknE

=K<0，那么实际的E

0应

等于︱1knminkE

=K

kY︱。 另外随着τ值的增大，即λ值减小，Y0的取值对平抑风电功率波动所需的储能容量产生一定的影响，下面对此做详细分析： 根据(4)式，用迭代的方法表示Yk得， 12212100(1)((1))(1)(1)(1)(1)kkkkkkkmk

kmm

YXXYXX

XY

λλλλλλλλ

λλλ

−−

−−−−=

=+−+−=+−+−

=−+−∑

(8) 2009年中国电机工程学会年会 由式(8)可见，λ值越小，Yk与 Y0越接近；λ值越大， Yk与 Xk越接近。当λ→0时，平抑输出近

似是功率为Y0的直线。

假设对T时段内的风电场输出功率进行平抑，设T=nt，风电场输出的能量用Wf表示，

1nfkk

WXtX==⋅=⋅∑ 3T (9)

经过储能平抑后注入电网的能量用Wg表示，

1ngkk

WYtY

==⋅=⋅∑T

(10)

假设储能平抑过程不存在能耗，储能系统需要存储的能量为Ws，根据能量守恒定律， ()sfgWWWXYT=−=−⋅ (11) 当λ<0.05时,Y→Y0，当Y0 =X时，Ws最小，这时平抑风电功率波动所需的储能容量也最小；当λ>0.05时，Y→X，Y0一般取X1或X，这时平抑风电功率波动所需的储能容量基本相同。 3仿真分析 应用前述储能平抑方法对某额定容量为50MW风电场一天的典型功率波动进行平抑，平抑控制周期t=5min，风电场输出功率未经平抑状态下的10min最大变化率[2]为21.7000MW/10min。 当时，τ=10min仿真结果如下图所示：050100150200250300-1001020304050采样点数(1d/5min)功率幅值(MW) PwPoutPb 图3 τ=10min时，Pw、Pout和Pb变化曲线 所需储能容量W=6.4997MWh，平抑后输出功率10min最大变化率8.3693MW/10min。 当时，τ=1h仿真结果如下图所示： 050100150200250300-20-1001020304050采样点数(1d/5min)功率幅值(MW) PwPoutPb 图4 τ=1h时，Pw、Pout和Pb变化曲线 所需储能容量W=30.5097MWh，平抑后输出功

率10min最大变化率为2.6064MW/10min。 当时，τ=24h仿真结果如下图所示：

050100150200250300-30-20-1001020304050采样点数(1d/5min)功率幅值(MW) PwPoutPb

图5 τ=24h时，Pw、Pout和Pb变化曲线 所需储能容量W= 79.1551MWh，平抑后输出功率10min最大变化率0.1479MW/10min。 从图3、4、5可以看出应用基于低通滤波原理的储能平抑方法可以有效地抑制风电功率波动，减小功率变化率，并且随着滤波时间常数τ的增大，即滤波截止频率的减小，平抑后的输出功率越平稳，但所需的储能容量也越大。 在该算例中，当τ=10min，风电场输出功率10min最大变化率减少了61.4%，所需储能容量为6.4997MWh；当τ分别取1h和24h，风电场输出功率10min最大变化率分别减少了88.0%、99.3%，所需储能容量分别为30.5097MWh、79.1551MWh。 从以上结果可以得出，滤除风电功率中的分钟级波动，可以明显地减小功率变化率，此时所需的储能容量较少；若滤除风电功率的小时级甚至一天的波动，虽然可以进一步减小风电功率的变化率，但所需储能容量将增加几倍甚至十几倍。