電池儲能短期風(fēng)電場出力短期波動的超前控制策略

電池儲能短期風(fēng)電場出力短期波動的超前控制策略

0基于bess的風(fēng)—引言隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染日益突出，世界各國都在大力發(fā)展風(fēng)速發(fā)電，中國已經(jīng)形成越來越多的大型風(fēng)速裝置。與常規(guī)電源相比,風(fēng)能是一種隨機(jī)性、間歇性能源,而且目前風(fēng)電出力預(yù)測精度不高［1］,這些特點導(dǎo)致風(fēng)電場不能提供持續(xù)穩(wěn)定的可控功率,發(fā)電可調(diào)度性差,大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)將對系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻、安全穩(wěn)定、電能質(zhì)量等產(chǎn)生重大影響。因此,改善風(fēng)電場的電能質(zhì)量,提高風(fēng)電場輸出功率穩(wěn)定性的研究越來越受到重視。目前,采用儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場配合運(yùn)行已成為平滑風(fēng)電場出力功率波動的重要途徑之一［2-4］,國內(nèi)外已有一些相關(guān)的研究成果。文獻(xiàn)研究了采用飛輪等快速響應(yīng)的儲能裝置調(diào)節(jié)風(fēng)電單機(jī)出力波動的控制方法,實驗證明有良好的平滑效果,但此類控制方法尚不能用于大型風(fēng)電場。文獻(xiàn)利用電池儲能來減小風(fēng)電場的輸出功率波動對電網(wǎng)的影響,建立了基于異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和基于等效電路的電池儲能系統(tǒng)(batteryenergystoragesystem,BESS)數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計了一種控制器。其研究的重點是BESS的電路參數(shù)的設(shè)定以及控制器的控制信號的調(diào)節(jié)策略。文獻(xiàn)采用一階低通濾波原理平抑風(fēng)電出力波動,基于雙時間尺度優(yōu)化濾波時間常數(shù),從而將風(fēng)—儲聯(lián)合輸出1min級和30min級功率波動限定在規(guī)定范圍內(nèi)。文獻(xiàn)[11-12]采用基于電池荷電狀態(tài)(SOC)反饋的控制方式來修正風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)中電池出力的大小,以避免電池出現(xiàn)過充過放,但存在不能連續(xù)平滑調(diào)節(jié)的缺點。然而,目前的研究方法大都是即時調(diào)節(jié),即只根據(jù)當(dāng)前時刻的風(fēng)電出力波動來確定儲能的出力,而很少考慮未來的風(fēng)電功率波動對當(dāng)前時刻儲能的充放電行為的影響;實際上儲能系統(tǒng)當(dāng)前的充放電策略不僅會改變當(dāng)前風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)的出力,而且很可能影響其未來的波動平抑能力,進(jìn)而影響未來時刻的風(fēng)—儲聯(lián)合輸出功率的平滑性。降低風(fēng)電出力的變化速率,需要配備具有功率快速響應(yīng)能力的儲能裝置,而對儲能容量的要求一般不高。研究發(fā)現(xiàn),BESS能夠快速、獨立地調(diào)節(jié)有功功率,補(bǔ)償功率不平衡量。另外,電池儲能電站還具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、建設(shè)周期短、站址適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。因此,本文選取BESS作為儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場聯(lián)合運(yùn)行。鑒于此,本文著眼于應(yīng)用BESS平抑風(fēng)電功率的分鐘級波動,提出了一種新的BESS平抑風(fēng)電功率短期波動的運(yùn)行控制策略———超前控制策略,從而更好地平抑風(fēng)電短期波動,提高風(fēng)電出力質(zhì)量,增強(qiáng)風(fēng)電的并網(wǎng)能力。超前控制策略在簡單的控制策略的基礎(chǔ)上,通過引進(jìn)風(fēng)電預(yù)測可信周期,考慮了未來的風(fēng)電功率波動對儲能電池當(dāng)前的充放電行為的影響,是一種具有前瞻性的方法。通過算例分析,驗證該方法對風(fēng)電功率的短期波動的平滑效果。1電池儲能系統(tǒng)在風(fēng)電場側(cè)配置電池儲能裝置,使電池儲能與風(fēng)電場協(xié)調(diào)出力,構(gòu)成風(fēng)—儲聯(lián)合運(yùn)行的系統(tǒng),其原理見圖1。圖1中:PB為BESS的充/放電功率;PW為風(fēng)電場的出力;PZ為風(fēng)—儲聯(lián)合輸出功率。其中:BESS安裝在風(fēng)電場的并網(wǎng)點,對風(fēng)電場的出力進(jìn)行集中控制和調(diào)節(jié)。電池儲能裝置被視為具有正負(fù)出力值的發(fā)電機(jī)組,其中,出力為正表示BESS放電,反之表示充電。通過制定BESS的運(yùn)行策略,控制其與風(fēng)電場協(xié)同出力,將接入系統(tǒng)的風(fēng)—儲聯(lián)合輸出功率PZ的波動控制在一定范圍內(nèi),以滿足系統(tǒng)的調(diào)頻要求或減小對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的影響。2風(fēng)電場出力波動本文以改善并網(wǎng)風(fēng)電場輸出功率的短期波動為研究目標(biāo),根據(jù)電力系統(tǒng)的調(diào)頻需求,盡可能減小風(fēng)電場輸出功率在每個時刻的波動幅度。為了充分發(fā)揮儲能裝置的容量效益,減小與風(fēng)電場配合的儲能容量規(guī)模,節(jié)約成本,一般并不要求把并網(wǎng)風(fēng)電場的出力平抑為一條平穩(wěn)的直線,只要其波動的情況能滿足入網(wǎng)需求即可。為了定量說明所提出的運(yùn)行控制方法對風(fēng)電場出力的平滑效果,本文采用了兩個評價指標(biāo):運(yùn)行期內(nèi)風(fēng)—儲聯(lián)合輸出功率的波動越限幅值總和ΔPS以及波動越限概率pout。ΔPS和pout越小則表示平滑效果越好。2.1風(fēng)—相關(guān)指標(biāo)的定義及說明1)可信周期T0:目前風(fēng)電預(yù)測仍存在不準(zhǔn)確性,且預(yù)測時前瞻時間越長,其精度越低。在本文的研究中,假設(shè)風(fēng)電預(yù)測的可信周期為T0,即認(rèn)為T0內(nèi)的風(fēng)電預(yù)測值準(zhǔn)確無誤,不考慮該時間段風(fēng)電預(yù)測的不準(zhǔn)確性。2)功率波動ΔP:當(dāng)風(fēng)電功率的采樣間隔為Δt時,任一時刻與前一刻的采樣值之差為風(fēng)電的Δt波動率(如10min波動率)。則風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)的功率波動為:式中:t為運(yùn)行周期內(nèi)的任意時刻;PZ(t)為t時刻的風(fēng)—儲聯(lián)合出力。3)目標(biāo)波動率Det:目標(biāo)波動率是指風(fēng)電接入電網(wǎng)準(zhǔn)則中允許風(fēng)電出力波動的上限,即通過BESS的平滑,盡量將風(fēng)電波動控制在(-Det,Det)以內(nèi)。它是制定BESS充放電策略的基本依據(jù)之一,即由于不同系統(tǒng)的調(diào)頻能力不同,能夠接受的風(fēng)電波動率也不同。因此,目標(biāo)波動率Det的取值須根據(jù)具體系統(tǒng)的要求進(jìn)行調(diào)整。4)波動越限幅值總和ΔPS:整個運(yùn)行周期T內(nèi)任意相鄰采樣時刻功率波動超過目標(biāo)波動率的差值之和。定義公式如下:5)波動越限概率pout:整個運(yùn)行期內(nèi)任意相鄰時刻功率波動超過目標(biāo)波動率的時間占總時間的比例。定義公式如下:2.2隱蔽性的控制策略—BESS平抑風(fēng)電功率短期波動的運(yùn)行策略為了平抑風(fēng)電功率的分鐘級波動,本文提出了一種新的BESS運(yùn)行控制策略———超前控制策略。作為對比研究,首先介紹一種簡單的運(yùn)行控制方法。2.2.1基于狀態(tài)控制策略當(dāng)前控制策略只計及儲能系統(tǒng)的自身運(yùn)行約束和當(dāng)前時刻的風(fēng)電功率波動對儲能裝置的充放電行為的影響。BESS的出力要受到其額定功率和容量的限制,即電池儲能的運(yùn)行約束:式中:EB(t)為t時刻BESS的剩余儲電量;Em為BESS的額定電量容量;Pm為BESS的額定功率容量;PB(t)為t時刻BESS的出力,正值表示放電,負(fù)值表示充電;η為充放電效率;SOC(t)為BESS的能量狀態(tài)。在滿足自身約束條件的前提下,當(dāng)風(fēng)電功率波動超越目標(biāo)波動率Det時BESS充電或者放電,否則保持上一時刻的狀態(tài)不變。BESS的狀態(tài)控制策略為:該策略存在一定的缺陷,即因受自身SOC的限制較多,BESS的電量容量不能得到充分利用。因為在配合風(fēng)電場出力時,BESS在某時刻的SOC是在此之前所有時刻的歷史充放電累積的結(jié)果;而此時BESS的出力不但要受到SOC的限制,還將累積到SOC上,進(jìn)而影響B(tài)ESS在下一時刻乃至未來所有時刻的出力。假設(shè)某時刻波動越限,而BESS的SOC已降至0(或升至1),不能繼續(xù)放(充)電,導(dǎo)致此刻的風(fēng)電得不到平滑。如果在波動不越限的時刻,BESS在滿足自身約束的條件下繼續(xù)充(放)一部分電能,就可為后續(xù)時刻提供一定的放電電量或留出一定的充電空間,從而減小受SOC限制的幾率,也就相應(yīng)地減少了波動越限概率以及越限幅值總和。因此,本文提出了具有前瞻性的超前控制策略。2.2.2風(fēng)—超前控制策略超前控制策略既考慮了BESS歷史充放電的累積結(jié)果以及當(dāng)前時刻的風(fēng)電功率波動,還通過向前瞻一個周期T0(取為風(fēng)電預(yù)測可信周期),將未來前瞻周期內(nèi)風(fēng)電的出力情況作為決策因素之一來控制BESS在當(dāng)前時刻的充放電行為。如果前瞻周期內(nèi)某時刻BESS因充/放空間不足而無法平抑風(fēng)電功率波動,那么BESS當(dāng)前時刻的出力在保證當(dāng)前波動不越限的前提下,若還存在電量和功率空間,則繼續(xù)充/放部分電能,給前瞻周期內(nèi)的后續(xù)時刻提供更多的放電量或充電空間。下面將詳細(xì)討論在超前控制策略下BESS充放電功率PB大小的確定原則。由式(1)、式(2)可知:為方便討論,令ΔP(t)=PW(t)-PZ(t-Δt),則在式(14)中,ΔP(t)為當(dāng)前風(fēng)電出力相對于前一時刻聯(lián)合出力的功率波動,結(jié)合其取值及超前控制策略思想決定當(dāng)前時刻BESS出力PB(t),使得風(fēng)—儲聯(lián)合功率波動盡量不越限。BESS的充放電狀態(tài)控制策略分析如下。1)狀態(tài)不變:若當(dāng)前時刻及前瞻周期T0內(nèi)的所有時刻的ΔP(t+kΔt)均不越限,則PB(t)=0,由式(14)可知ΔPZ(t)=ΔP(t)不越限。2)充電狀態(tài):充電決策條件及充電功率大小如式(15)所示。若ΔP(t)>Det,當(dāng)前時刻越限,為減小聯(lián)合功率波動,儲能系統(tǒng)應(yīng)充電,PB(t)<0;若當(dāng)前時刻聯(lián)合系統(tǒng)出力不越限,但在前瞻周期內(nèi),根據(jù)風(fēng)電出力預(yù)測值,某t+kΔt時刻要求儲能系統(tǒng)放電(ΔP(t+kΔt)<-Det),但該時刻儲能系統(tǒng)沒有足夠的放電電量,則即使當(dāng)前時刻不越限,儲能系統(tǒng)也繼續(xù)充一部分電能,為t+kΔt時刻提供一定的放電電量。式中:k=1,2,…,T0/Δt-1。3)放電狀態(tài):放電決策條件及其放電功率大小如式(16)所示。放電時的具體分析與充電時類似,此處不再贅述。式中:k=1,2,…,T0/Δt-1。由上述分析可知,超前控制策略能夠利用儲能系統(tǒng)有限的儲能容量取得更好的平滑效果,將風(fēng)—儲聯(lián)合波動盡量限制在目標(biāo)波動率內(nèi)。在風(fēng)—儲系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行時,采用滾動規(guī)劃法,向前滾動執(zhí)行該控制策略。滾動規(guī)劃法具有靈活和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點,在制定了當(dāng)前一定時期內(nèi)的計劃后,按照計劃的執(zhí)行情況和環(huán)境變化,調(diào)整和修訂未來的計劃,并逐期向前移動。使用滾動規(guī)劃法不斷向前更新BESS的出力,可以使BESS的充放電行為更能反映風(fēng)電的最新波動情況,從而在運(yùn)行期內(nèi)得到較為平滑的風(fēng)—儲聯(lián)合功率。在風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)運(yùn)行時,設(shè)滾動期等于風(fēng)電功率的采樣周期,運(yùn)行周期T=24h。以式(15)、式(16)所示的BESS狀態(tài)決策為核心,應(yīng)用滾動規(guī)劃法,制定了超前控制策略的流程圖,如圖2所示。3風(fēng)電功率波動本文以某風(fēng)—儲聯(lián)合系統(tǒng)為例,應(yīng)用提出的控制策略,分析BESS平抑風(fēng)電功率波動的平滑效果。該風(fēng)電場的裝機(jī)容量為100MW,計算中所有標(biāo)幺值以100MW為基準(zhǔn)值。因系統(tǒng)的二次調(diào)頻是分鐘級,故風(fēng)電功率采樣周期取為10min,且BESS的充放電控制周期與之同步。3.1控制策略測試假設(shè)與風(fēng)電場配合運(yùn)行的BESS額定功率標(biāo)幺值為0.1,即實際值10MW;以額定功率持續(xù)放電的時間為1h,即BESS的額定容量為10MW·h;儲能裝置的電量初始值E0取10MW·h,即初始為滿充狀態(tài);目標(biāo)波動率Det取0.02,即實際值2MW;前瞻周期T0=3h?；谠擄L(fēng)電場風(fēng)電出力歷史數(shù)據(jù),從春、夏、秋、冬四季分別選取4個典型日,計算各典型日原始風(fēng)電、當(dāng)前控制策略以及超前控制策略下的波動越限概率pout及越限幅值總和ΔPS,計算結(jié)果見表1。從表1中可以看出,原始風(fēng)電波動的越限幅值總和及越限概率是相當(dāng)大的,越限概率為18%~30%。當(dāng)前控制策略在一定程度上減小了波動越限概率及總越限幅值,而采用超前控制策略顯然得到了更好的平滑效果。為了更清楚地看出兩種控制策略效果的不同,以典型日1為例,給出兩種不同控制策略下BESS的SOC曲線圖(見圖3)和風(fēng)電波動平滑效果對比圖(見圖4)。由圖3可以清晰地看出兩種控制策略下電池運(yùn)行狀態(tài)的不同。在13:10—14:00期間,BESS會經(jīng)歷大幅度的放電過程,在超前控制策略下,為使得BESS有足夠的放電電量,BESS在12:00—13:00期間在滿足運(yùn)行約束和當(dāng)時風(fēng)電出力波動約束的前提下,先預(yù)充一部分電量,為未來時段的放電需求作準(zhǔn)備,從而取得更好的平滑效果。由圖4可知,原始風(fēng)電波動對目標(biāo)波動率2MW/10min越限的概率很大,其最大波動率可達(dá)18.8MW/10min;采用當(dāng)前控制策略使BESS與風(fēng)電場配合運(yùn)行,越限概率明顯降低,最大波動值降為8.9MW/10min;采用超前控制策略控制與風(fēng)電場配合運(yùn)行BESS,越限概率進(jìn)一步減小,最大波動值僅為2.8MW/10min,風(fēng)—儲聯(lián)合運(yùn)行的出力波動率幾乎全部限制在了目標(biāo)波動率范圍內(nèi)。在24h的運(yùn)行周期內(nèi),當(dāng)前控制策略BESS充放電次數(shù)為50次,總放電量為5.86MW·h,而超前控制策略BESS的充放電次數(shù)為59次,總放電量為8.29MW·h。相比于當(dāng)前控制策略,超前控制策略充分利用了已安裝的蓄電池儲能裝置,獲得了更好的波動平滑效果。3.2控制策略的前懸環(huán)電場分布對于超前控制策略,前瞻周期的長度會對控制策略的執(zhí)行效果有一定的影響。從電力系統(tǒng)實際出發(fā),BESS充放電控制策略的前瞻周期應(yīng)不大于風(fēng)電預(yù)測的可信周期。本小節(jié)通過對前瞻周期T0取不同的值,分析前瞻周期對風(fēng)/蓄聯(lián)合系統(tǒng)出力平滑效果的影響。在表2中,T0=0表示當(dāng)前控制策略。當(dāng)前瞻周期T0增大時,風(fēng)電功率波動越限幅值總和及波動越限概率隨之減小。這說明增大控制策略的前瞻周期長度,即提高風(fēng)電預(yù)測水平,能夠得到更好的平滑效果。當(dāng)前瞻周期大于2h后,再增大前瞻周期對風(fēng)電出力的平滑效果已經(jīng)沒有進(jìn)一步的改善,即出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象,這是因為BESS受到了額定容量的限制。圖5給出了4個不同典型日風(fēng)—儲聯(lián)合出力的波動越限幅值總和隨前瞻周期長度的變化曲線。在前幾個小時內(nèi),波動越限幅值總和隨前瞻周期的增加而大幅減小。但隨著前瞻周期繼續(xù)增大,其減小的幅度不再明顯并最終飽和。這說明,向前瞻的時間變長,對平滑效果的積極作用是有限的。而且從圖中可以看出,對于該風(fēng)電場的出力情況,各典型日的飽和點略有不同,如典型日2和3是從1h開始飽和,而其他兩個典型日的飽和點在2h。經(jīng)大量計算發(fā)現(xiàn),有顯著平滑效果的前瞻周期長度,即平滑效果飽和點,與風(fēng)電出力的短期波動情況也是密切相關(guān)的。3.3基于控制策略的優(yōu)化如前文所述,BESS對風(fēng)電功率波動的平抑程度會受到其額定容量的限制。因此,下面分析比較不同的BESS安裝容量下的波動平滑效果。假設(shè)BESS以額定功率持續(xù)放電的時間為1h,即BESS的額定電量容量隨其額定功率同步變化。BESS的額定功率容量Pm分別取標(biāo)幺值0,0.05,0.1,0.15,0.2,則4個典型