平抑风电功率波动的新型储能系统控制策略∗

靳雯皓，刘继春，刘俊勇

（四川大学电气信息学院，成都610065）

0 引 言

能源需求量与日俱增、传统化石能源日益枯竭以及环境污染严重等问题使得人们更加关注风能、太阳能等清洁能源的发展［1-3］。然而，清洁能源固有的波动性、随机性、间歇性等缺点不利于电力系统正常运行，制约了清洁能源的大规模并网消纳［4-5］。

储能技术是实现风能、太阳能等清洁能源并网消纳的一种重要途径。文献［6］基于小波包分解的方法对风电功率进行分解，令低频功率作为并网功率，高频功率继续分解为次高频和最高频功率波动分别由蓄电池和超级电容器补偿。文献［7］基于离散傅里叶变换对风电输出功率进行频谱分析以确定储能装置容量配置及系统最小备用容量，在平抑风电输出功率波动的基础上缓解备用机组负担。文献［8］通过小波包分解法得到光伏功率信号细节，分析光伏功率的幅频特性，将光伏功率分解为不同频段波动分量，利用功率型储能装置和能量型储能装置组成的混合储能系统平抑输出功率波动。文献［9］提出了基于经验模态分解的储能装置平抑波动方法，将风电出力分解为高频分量由储能系统补偿和低频分量并入电网，以储能装置荷电状态和并网功率波动率为约束条件实现经验模态分解法的滤波阶数最佳选择。传统储能系统研究多采用小波包分解、滤波器滤波、经验模态分解及频谱分析法等不同分频方法将清洁能源出力分解为不同频段功率波动分别由功率型和能量型储能装置补偿，虽可实现功率波动平抑，但未考虑能量型储能设备寿命损耗过大、成本投资过高等问题。

为了减小储能装置寿命损耗，提高其运行年限，已有学者针对储能系统的控制策略开展了研究。文献［10］提出基于加权移动平均滤波算法的储能系统控制策略，依据蓄电池荷电状态及风电功率波动程度实时调节权重系数及滤波带宽，采用模糊控制法设计在线控制策略，实时调整蓄电池功率，维持蓄电池荷电状态于规定范围内。文献［11］提出了一种基于变平滑时间常数的储能系统控制方法，采用一阶低通滤波器对风电功率进行滤波，通过蓄电池荷电状态反馈，使其在平抑功率波动的基础上减小蓄电池过充、过放次数。文献［12］通过波动率智能化分段实现平滑时间常数的选择，基于蓄电池SOC反馈保证蓄电池运行状态，最大限度发挥蓄电池对清洁能源出力波动的平抑能力。文献［13］提出了一种储能系统主动控制策略，基于微网负荷短期预测在考虑蓄电池充放电次数及充放电特性的条件下，主动控制储能系统的充放电。文献［14］采用低通滤波时间常数追踪荷电状态的功率确定方法，基于模糊控制理论确定功率偏差，当超级电容器的电量充足时独立平抑功率偏差值，降低蓄电池的充放电次数。上述文献通过储能系统优化控制策略避免蓄电池出现过充、过放，减小蓄电池充放电次数，进而降低蓄电池寿命损耗。

因此，本文基于传统储能系统及其相关控制策略研究，提出了一种“一组超级电容器+三组蓄电池”组成的新型混合储能系统。通过滑动平均法滤波得到平滑的并网功率，采用频谱分析法将波动功率分解为高频和低频功率波动。其中，超级电容器用于平抑高频功率波动，三组蓄电池中的两组作为充放组用于交替平抑低频正、负功率波动，最后一组蓄电池作为补充组即充放组蓄电池的补充。仿真结果表明，本文提出的新型混合储能系统可实现风电功率波动的平抑，使其满足并网波动限制要求，与其他储能方案相比具有更好的经济性。

1 储能系统模型

1．1 功率分解

根据《风电场接入电力系统技术》规定［15］，装机容量低于30 MW的风电场，1 min最大有功功率波动限值为3 MW，10 min最大有功功率波动限值为10 MW，即1 min最大功率波动率不得超过10%，10 min最大功率波动率不得超过33%。本文风电场装机容量为30 MW，以该标准作为约束条件限制并网功率波动。

采用滑动平均法平抑风电功率波动，窗口长度值将影响并网功率平滑程度及储能成本投资。窗口长度过大，则储能系统所平抑的波动功率较大，使得储能系统容量配置及储能成本投资过高；窗口长度过小，则并网功率波动较大，会对电力系统运行造成不利影响，不能满足并网要求。

式中Pgrid（t）为并网功率；Pw（k）为原始风电功率；窗口长度值为T。

通过滑动平均法滤波控制，可使原始风电功率分解为并网功率及波动功率，并网功率的波动率满足要求接入电力系统，波动功率由储能系统平抑。其表达式为：

式中Phess为波动功率即储能系统平抑功率。

波动功率由超级电容器和蓄电池补偿，本文通过频谱分析法对波动功率进行分频处理。首先，对波动功率做傅里叶变换，可得到其幅度Shess和频率fhess分别为：

频率分断点的选取将影响超级电容器和蓄电池的功率、容量配置及系统成本投入。因此，本文综合已有文献［16-17］的研究，选取频率分断点为1．67 mHz。令超级电容器平抑频段内的幅值不变，平抑频段外的幅值置零，对超级电容器的幅值结果做傅里叶反变换，可得超级电容器充放电功率为：

式中IDFT表示傅里叶反变换。

进一步可得，蓄电池充放电功率为：

1．2 容量配置

储能装置充放电过程中存在功率损耗，根据储能装置充放电效率及实时功率可确定储能系统实际充放电功率Px，n，x=（1，2）分别表示超级电容器和蓄电池。

式中Px（n）为相应储能系统n时刻充放电功率；ηx，1为储能装置充电效率；ηx，2为储能装置放电效率。

整个样本数据周期内，储能系统实际充放电功率绝对值的最大值为其相应储能系统所应具备的最大充放电功率即额定功率。

式中Px为相应储能系统额定功率。

储能装置容量配置过小，会导致部分波动功率不能被平抑，并网功率平滑程度低，风电资源浪费；储能装置容量配置过大，会导致储能资源浪费，成本投资过高。因此，储能装置容量配置不仅影响系统成本投入，同时影响并网功率的电能质量，本文储能系统容量配置方法如下［18］：

首先，根据储能系统实际充放电功率，对各采样点储能系统充放电电量进行累积，得到储能系统在各采样点的累积能量。

式中Δt为采样时间间隔；Ex，n为储能装置n时刻累积能量。

为了保证储能装置工作于最佳状态，储能系统容量配置留有10%的裕度，储能系统累积能量最大值为max（Ex，n），累积能量最小值为 min（Ex，n），考虑储能装置荷电状态（state of charge，SOC）约束，储能系统所应具备的容量即额定容量为：

式中SOCx，max为荷电状态上限约束值；SOCx，min为荷电状态下限约束值。

初始荷电状态值SOCx，0由荷电状态上、下限约束值共同确定，其表达式为：

本文采用了“一组超级电容器+三组蓄电池”组成的新型混合储能系统，超级电容器功率、容量配置可依据上述方法求得。而蓄电池分为充放组（即蓄电池组1、蓄电池组2）和补充组（蓄电池组3），为了避免能量浪费三组蓄电池额定功率均采用上述配置方法，考虑到充放组蓄电池需进行充放电工作状态交换，设定其容量配置相同。三组蓄电池容量配置关系如式（11）所示。

式中Ebat1、Ebat2、Ebat3分别为充放组蓄电池组1、组2及补充组蓄电池组3的额定容量；β为容量配置系数且0＜β＜0．5。

2 储能系统控制策略

2．1 储能系统拓扑结构

蓄电池的使用寿命主要由其充放电状态切换次数、单次最大充放电深度及充放电速率等因素决定［19］。随着充放电状态切换次数增加蓄电池使用寿命将减小，为提高储能装置的使用效率，应降低其充放电状态切换次数，尽量使每次充放电可达到其最大充放电深度，使蓄电池经历完整的充放电周期。

本文提出的“一组超级电容器+三组蓄电池”组成的新型混合储能系统，令超级电容器平抑高频功率波动，三组蓄电池分为充放组蓄电池和补充组蓄电池，充放组的两组蓄电池分别处于充、放电状态，当任意一组达到荷电状态上、下限约束值，则停止该组蓄电池工作并由补充组蓄电池接替其继续工作，直至另外一充放组蓄电池也达到荷电状态上、下限约束值，同时交换两组充放组蓄电池的初始充放电状态，此时补充组蓄电池同步停止工作进入待机状态。以此，既可实现蓄电池充放电状态切换次数的优化，又可以保证每次充放电达到其最大充放电深度，使蓄电池经历完整的充放电周期，提高循环使用寿命。

图1中Pcap为超级电容器充放电功率；Pbat1、Pbat2分别为充放组蓄电池组1、组2充放电功率；Pbat3为补充组蓄电池组3充放电功率。

图1 系统结构示意图Fig．1 Schematic diagram of system structure

2．2 控制策略流程图

蓄电池工作状态分为充电模式、放电模式、待机模式三种模式，当功率波动大于零由充电模式蓄电池补偿波动，当功率波动小于零由放电模式蓄电池补偿波动。监测系统检测充放组两组蓄电池的荷电状态，当任意一组达到荷电状态上、下限约束值，则该组蓄电池进入待机模式由补充组蓄电池接替其继续工作，直至另外一组充放组蓄电池也达到荷电状态上、下限约束值，同时交换充放组两组蓄电池的初始充、放电工作模式，此时补充组蓄电池同步进入待机模式，具体控制策略流程图如图2所示。

图2 控制策略流程图Fig．2 Flow chart of control strategy

以充放组蓄电池组1为充电模式，充放组蓄电池组2为放电模式，补充组蓄电池组3为待机模式为例。若充放组蓄电池组1首先达到荷电状态上限约束值（即达到满充），则补充组蓄电池组3接替充放组蓄电池组1进入充电模式，充放组蓄电池组1进入待机模式，直至充放组蓄电池组2达到荷电状态下限约束值（即达到满放），此时充放组蓄电池组1进入放电模式，充放组蓄电池组2进入充电电模式，补充组蓄电池组3进入待机模式；若充放组蓄电池组2首先达到荷电状态下限约束值（即达到满放），则补充组蓄电池组3接替充放组蓄电池组2进入放电模式，充放组蓄电池组2进入待机模式，直至充放组蓄电池组1达到荷电状态上限约束值（即达到满充），此时充放组蓄电池组1进入放电模式，充放组蓄电池组2进入充电电模式，补充组蓄电池组3进入待机模式；若充放组蓄电池组1、组2均处于荷电状态上、下限约束值范围内，则三组蓄电池均保持上一时刻工作模式。通过充放组与补充组蓄电池交替平抑低频正、负功率波动，完成了充放组蓄电池完整的充放电周期交替，有效降低其充放电状态切换次数，提高储能装置循环使用寿命。

2．3 控制策略分析

高频功率波动由超级电容器平抑，低频功率波动由蓄电池平抑，为了减小蓄电池寿命损耗本文采用三组蓄电池完成平抑工作。截取研究周期内某一时间段，以该时间段为例介绍储能系统的控制策略，控制策略示意图如图3所示，由图3可知该时间段可分为六个小片段。

图3 控制策略示意图Fig．3 Schematic diagram of control strategy

（1）a-b片段。

充放组蓄电池组1处于充电模式，充放组蓄电池组2处于放电模式，且组1、组2均未达到荷电状态上、下限约束值，补充组蓄电池组3处于待机模式。

（2）b-c片段。

b时刻充放组蓄电池组1达到荷电状态上限约束值，充放组蓄电池组2未达到荷电状态下限约束值，组1已达满充停止工作，补充组蓄电池组3接替组1进入充电模式，组1进入待机模式，组2保持放电模式。

（3）c-d片段。

c时刻充放组蓄电池组2达到荷电状态下限约束值，此时刻充放组蓄电池组1已达满充，组2已达满放，均经历了完整的充放电周期，组1、组2分别切换至放电模式、充电模式，补充组蓄电池组3切回至待机模式。

（4）d-e片段。

d时刻充放组蓄电池组2达到荷电状态上限约束值，充放组蓄电池组1未达到荷电状态下限约束值，组2已达满充停止工作，补充组蓄电池组3接替组2进入充电模式，组2进入待机模式，组1保持放电模式。

（5）e-f片段。

e时刻充放组蓄电池组1达到荷电状态下限约束值，此时刻充放组蓄电池组2已达满充，组1已达满放，均经历了完整的充放电周期，组1、组2分别切换至充电模式、放电模式，补充组蓄电池组3切回至待机模式。

（6）f-g片段。

f时刻充放组蓄电池组2达到荷电状态下限约束值，充放组蓄电池组1未达到荷电状态上限约束值，组2已达满放停止工作，补充组蓄电池组3接替组2进入放电模式，组2进入待机模式，组1保持充电模式。

由此可知，充放组蓄电池每次充放电工作状态切换时，均达到了荷电状态上、下限约束值即都经历了完整的充放电周期，降低了其充放电工作状态的切换次数，进而减小了蓄电池运行过程中的寿命损耗。

3 储能系统成本

储能装置可有效平抑风电输出功率波动，改善并网功率电能质量，提高风电资源的并网消纳率。但成本投入过高、效益回报不明确等限制了储能系统的大规模应用。在保证储能系统正常运行条件下，降低储能系统成本投入是目前亟待解决的问题，因此，本文构建了储能系统成本模型以验证本方案经济性。综合考虑影响储能系统成本投入的三个主要部分即购置成本、损耗成本、运维成本［20-21］。储能系统综合成本表达式为：

式中Cciv为超级电容器购置成本；Cbiv为蓄电池购置成本；Cyw为运维成本；Cdep为损耗成本。

（1）购置成本。

购置成本即初始投资成本，指储能装置建设时期投入的成本资金，该成本与储能装置自身的功率和容量相关［22］，本文系统模型包括超级电容器购置成本和蓄电池购置成本。

式中αciv、αbiv分别为超级电容器、蓄电池功率成本系数；βciv、βbiv分别为超级电容器、蓄电池容量成本系数；Pcap、Pbat、Ecap、Ebat分别为超级电容器、蓄电池系统额定功率和额定容量。

（2）损耗成本。

损耗成本是指将储能装置运行过程中产生的寿命损耗等效折算为相应的经济成本损耗，超级电容器循环使用寿命可达20年，与蓄电池相比有更多的循环使用次数［23］。因此，仅需要考虑蓄电池寿命损耗所造成的经济成本损耗。蓄电池充放电深度为D时，相应的循环充放电次数表达式为：

式中 α1、α2、α3、α4、α5为相关特性参数。

蓄电池循环充放电一次，损耗的寿命可表示为1／Nbat，由此可得，研究周期内损耗寿命总值为：

式中Nb为循环充放电次数。

进一步可得，蓄电池寿命损耗所造成的经济成本损耗为：

式中Tc为研究周期时长。

（3）运维成本。

储能系统运行过程中随着储能设备的使用需要花费额外的维护费用，即为保证储能装置在使用周期内正常运行而投入的资金，运维成本与储能装置容量配置有关［24］。

式中γcap、γbat分别为超级电容器、蓄电池单位容量运行维护成本系数。

4 案例仿真

为了验证本文提出的“一组超级电容器+三组蓄电池”新型混合储能系统的经济性及可行性，选取某风电场某日的历史输出数据进行仿真分析，相关参数如表1所示。

采用滑动平均法平抑风电功率波动，窗口长度值是滑动平均法重要参数，本文以1 min、10 min间隔的并网功率波动率为约束条件，确定同时满足两种时间间隔波动率要求的最小窗口长度值。以此，既可保证并网功率波动率满足国家标准要求，又可保证储能系统平抑的波动功率不会过大，即储能系统成本投资不会过高。不同窗口长度值下的1 min、10 min间隔最大功率波动率如图4所示。

表1 相关参数Tab．1 Relative parameters

图4 1 min、10 min间隔最大功率波动率Fig．4 1 min，10 min interval maximum power fluctuation rate

由图4可以看出，随窗口长度值增加，1 min、10 min间隔最大波动率快速下降。当窗口长度值为12，1 min间隔最大波动率为9．628%满足标准要求；当窗口长度值为15，10 min间隔最大波动率为32．68%满足标准要求。为使1 min、10 min间隔波动率均满足要求，且减小储能装置平抑的波动功率，应选取同时满足1 min、10 min间隔波动率的最小窗口长度值，即本文选取其值为15。

通过滑动平均法滤除波动功率可实现并网功率平滑控制，提高并网功率电能质量，控制结果如图 5所示。

图5 风电功率与并网功率Fig．5 Wind power and grid-connected power

由图5可以看出，原始风电功率波动性较大，通过滑动平均法滤除波动功率，降低了原始风电功率的波动率，为大规模风电功率并网提供了可能，原始风电功率及并网功率波动率比较如图6所示，具体统计结果如表2所示。

表2 功率波动统计表Tab．2 Power fluctuation statistics

由图6、表2可知，相较于原始风电功率，并网功率波动率大幅度下降，平抑波动后的1 min、10 min间隔最大波动率分别为8．41%、32．68%均满足国家标准要求，最大功率波动率分别降低了21．83%、22．76%，实现了对并网功率波动的有效控制。

通过频谱分析法将波动功率分解为高、低频波动分量，由图7可知，高频波动由超级电容器补偿，低频波动由蓄电池补偿，避免了频繁的充放电对蓄电池运行寿命的影响。

图6 1 min、10 min间隔功率波动率Fig．6 1 min， 10 min interval power fluctuation rate

图7 功率分配曲线Fig．7 Curves of power distribution

混合储能系统中蓄电池分为充放组和补充组，容量配置系数的选取将影响充放组蓄电池组1、组2及补充组蓄电池组3的容量配置，进而会影响并网功率平滑程度及系统成本投入。因此，本文基于混合储能系统成本模型研究不同容量配置系数下的成本投入，选择最优蓄电池容量配置系数，仿真结果如图8所示。

图8 不同容量配置系数下的储能系统成本Fig．8 Cost of the system under different capacity configuration factors

由图8可知，本方案储能系统成本投入随着容量配置系数增加呈现先减小后增大变化趋势，当容量配置系数取值0．368时，储能系统成本投入达最小值6．43千万元。因此，本文选取容量配置系数为0．368，此系数下充放组蓄电池组1、组2容量配置为5．84 MW·h，补充组蓄电池组3容量配置为4．19 MW·h。采用三组蓄电池对低频功率波动进行平抑，三组蓄电池荷电状态变化如图9所示。

图9 蓄电池荷电状态Fig．9 State of charge of battery

由图9可以看出，充放组蓄电池组1、组2及补充组蓄电池组3的荷电状态被控制在荷电状态上、下限约束值范围之内，避免了蓄电池出现过充、过放而造成的寿命损耗。当任意一组充放组蓄电池达到荷电状态上、下限约束值时，由补充组蓄电池接替其工作，避免了充放组蓄电池继续工作而出现的过充、过放现象。充放组蓄电池的充放电工作状态进行交换时，两组蓄电池都已经达到满充、满放，保证了两组蓄电池都经历了完整的充放电周期，减小了充放电工作状态切换次数，提高了其循环使用寿命。

为了验证本文新型混合储能系统的经济性，本文设计了3组对比方案，方案I：超级电容器储能，方案II：蓄电池储能，方案III：超级电容器+蓄电池储能，结果如表3所示。

表3 储能系统配置结果Tab．3 Configuration results of energy storage system

由表3可以看出，相较于方案I，方案III储能系统成本降低了47．94%，采用超级电容器平抑幅值过大的功率波动导致其容量配置增加，由于超级电容器容量成本系数高，故成本投资将会增加。相较于方案II，方案III储能系统成本降低了23．85%，蓄电池作为能量型储能装置，功率密度低，高频波动使蓄电池频繁充放电，增大了其寿命损耗。采用“超级电容器+蓄电池”组成的混合储能系统充分发挥了超级电容器和蓄电池的储能特性，故其成本低于单一超级电容器或单一蓄电池组成的储能系统。相较于方案III，本方案储能系统成本降低了24．57%，本方案使得蓄电池可以经历完整的充放电周期，通过交替平抑正、负功率波动降低了蓄电池充放电工作状态的切换次数，极大程度降低了其寿命损耗。

5 结束语

本文提出了一种“一组超级电容器+三组蓄电池”组成的新型混合储能系统用于平抑风电功率波动，提高并网功率平滑程度。三组蓄电池中的两组充放组蓄电池用于交替平抑低频正、负功率波动，最后一组补充组蓄电池作为补充，当任意一充放组蓄电池达到荷电状态上、下限约束值接替其继续工作，直至另外一充放组蓄电池也达到荷电状态上、下限约束值时，同步交换两组充放组蓄电池充放电工作状态实现其满充、满放，以降低充放电工作状态频繁的切换导致的寿命损耗，超级电容器用以实现高频功率波动的平抑。最后，通过某风电场历史数据进行仿真分析，得出以下结论。

（1）“一组超级电容器+三组蓄电池”组成的新型混合储能系统可实现原始风电功率波动的平抑，通过滑动平均法滤波得到平滑的并网功率，提高了并网功率的电能质量，增大了风电资源的消纳率；

（2）相对于传统混合储能系统，“一组超级电容器+三组蓄电池”组成的新型混合储能系统可大幅度降低蓄电池充放电工作状态切换次数，并使蓄电池经历完整的充放电周期，延长了储能装置循环使用寿命，减小了成本投资；

（3）蓄电池容量配置系数具有可调性，可根据不同地区不同的清洁能源特性选择合适的系数值，实现三组蓄电池的容量配置选择。