不同時(shí)間尺度風(fēng)儲(chǔ)耦合特性研究

劉春燕，晁 勤，魏麗麗

（1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830047；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由風(fēng)速變化引起的風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性影響越來(lái)越受到關(guān)注。文獻(xiàn)[1]分析了不同時(shí)間尺度下風(fēng)電功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響；文獻(xiàn)[2]基于某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析風(fēng)電不同時(shí)間間隔的功率變化率，負(fù)荷率，地區(qū)相關(guān)性指標(biāo)，提出建立有效的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，安排足夠的火電備用容量來(lái)解決風(fēng)電波動(dòng)；文獻(xiàn)[3]基于東北風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，定量分析了風(fēng)電功率波動(dòng)在不同時(shí)間、空間尺度上的分布特性。

隨著儲(chǔ)能技術(shù)水平不斷提高，經(jīng)濟(jì)成本降低，在風(fēng)電場(chǎng)出口側(cè)安裝儲(chǔ)能裝置平抑其輸出功率波動(dòng)，一方面使風(fēng)力發(fā)電可控可調(diào)度，減小風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的影響，另一方面可充分發(fā)揮風(fēng)電潔凈能源作用。目前儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)方面的研究主要有以下2個(gè)方面:①研究單一儲(chǔ)能或混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的有效性與可行性，文獻(xiàn)[4]利用超級(jí)電容器組作為儲(chǔ)能元件，進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)短時(shí)功率波動(dòng)調(diào)節(jié)的仿真研究，有效地平滑了輸入電網(wǎng)的有功功率波動(dòng)，文獻(xiàn)[5]針對(duì)不同風(fēng)速的波動(dòng)，基于VRB儲(chǔ)能裝置仿真分析表明液流電池可較好的平滑風(fēng)電出力波動(dòng)性，改善電壓穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[6]采用蓄電池組和超級(jí)電容器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了利用其平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率的控制方法，驗(yàn)證該方法能夠有效控制風(fēng)電出力波動(dòng)。②制定儲(chǔ)能裝置平抑目標(biāo)及確定儲(chǔ)能容量，文獻(xiàn) [7-8]提出采用低通濾波器的方法確定平抑目標(biāo)，采用正態(tài)分布的方法選取儲(chǔ)能容量，文獻(xiàn)[9]提出基于風(fēng)電功率預(yù)測(cè)和儲(chǔ)能配合的風(fēng)電場(chǎng)平抑方法，根據(jù)風(fēng)電出力日曲線(xiàn)確定儲(chǔ)能容量。

以上文獻(xiàn)均基于風(fēng)電出力在不同時(shí)間尺度的波動(dòng)規(guī)律制定平抑目標(biāo)，合理經(jīng)濟(jì)配套儲(chǔ)能裝置，但實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究?jī)?nèi)容較少。本文基于新疆某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，根據(jù)風(fēng)電出力波動(dòng)特性分析指標(biāo)，研究在不同時(shí)間尺度上風(fēng)電出力波動(dòng)的規(guī)律，制定儲(chǔ)能裝置平抑目標(biāo)及控制策略，以期合理經(jīng)濟(jì)配置儲(chǔ)能裝置。

1 風(fēng)電出力特性及風(fēng)電波動(dòng)規(guī)律研究

1.1 風(fēng)電出力間歇性

根據(jù)新疆某風(fēng)電場(chǎng)2010年12月1日～2011年1月1日實(shí)際出力，共3015個(gè)采樣點(diǎn)，有171次風(fēng)電出力為0；最大連續(xù)風(fēng)電出力為0有55次，持續(xù)時(shí)間9 h 10 min。圖1為該風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際相對(duì)出力曲線(xiàn)。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)相對(duì)出力

1.2 風(fēng)電出力隨機(jī)性

由1.5 MW單臺(tái)風(fēng)機(jī)連續(xù)三天風(fēng)電出力 （見(jiàn)圖2）可以看出，風(fēng)電的出力是隨機(jī)的。其中在55個(gè)采樣點(diǎn)可以明顯的看到，第一天的風(fēng)電出力為0（標(biāo)幺值）,第二天為0.56，第三天為0.8。由此可以看到風(fēng)電出力具有隨機(jī)性。在同一天的風(fēng)電出力0～1之間浮動(dòng)，不能確切的知道下一時(shí)刻風(fēng)電出力。

1.3 風(fēng)電出力的波動(dòng)性

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，由于風(fēng)電出力的間歇性，隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電出力的波動(dòng)性，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，是風(fēng)力發(fā)電不能大規(guī)模發(fā)揮其潔凈能源作用的致命原因。

圖2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)相鄰三天的風(fēng)電出力

1.4 不同時(shí)間尺度風(fēng)電出力波動(dòng)特性分析指標(biāo)

不同時(shí)間尺度風(fēng)電出力特性指風(fēng)電出力在不同時(shí)間尺度下的變化速率及幅度。風(fēng)電功率變化率用ΔPb來(lái)描述，即

式中，P(t+1)為當(dāng)前時(shí)刻風(fēng)電出力；P(t)為前一時(shí)刻的風(fēng)電出力；PN是總裝機(jī)容量。

變化幅度用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)描述。設(shè)風(fēng)電場(chǎng)某時(shí)刻風(fēng)電功率為P，n為風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組臺(tái)數(shù)，則風(fēng)電功率波動(dòng)幅度的平均值Pavr為

定義風(fēng)電功率變化量標(biāo)準(zhǔn)差D刻畫(huà)風(fēng)電功率波動(dòng)幅值變化的特征，即

定義風(fēng)電功率波動(dòng)變化率分布概率刻畫(huà)風(fēng)電功率波動(dòng)變化的劇烈程度。

式中，NΔpb為風(fēng)電功率變化率某數(shù)值出現(xiàn)的次數(shù)；Ntotal為風(fēng)電功率變化率出現(xiàn)的總次數(shù)。

1.5 不同時(shí)間尺度風(fēng)電出力波動(dòng)特性分析

本文對(duì)算例系統(tǒng)中某單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組 （裝機(jī)容量為1.5 MW），該機(jī)組所屬風(fēng)電場(chǎng) （裝機(jī)容量為259.5 MW）在相同時(shí)間段內(nèi)實(shí)測(cè)輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，涉及的時(shí)間尺度為3 s、10 min、1 h、3 h。

圖3為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組 （裝機(jī)容量1.5 MW），單個(gè)風(fēng)電場(chǎng) （裝機(jī)容量259.5 MW），一天內(nèi)風(fēng)電功率波動(dòng)情況，風(fēng)電功率基準(zhǔn)值為對(duì)應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量。從圖中可以得出:由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各個(gè)風(fēng)電機(jī)組排列方式，風(fēng)速等因素的影響，在相同時(shí)間內(nèi)，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出力效率要比風(fēng)電場(chǎng)出力效率高。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率與單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組輸出功率存在一定差異。

圖4、5分別為3 s、10 min、1 h、3 h時(shí)間尺度下單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電出力變化率分布情況。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電出力變化率集中于0值附近，主要分布在裝機(jī)容量的10%內(nèi)，向兩側(cè)風(fēng)電出力變化率增大方向概率減小。風(fēng)電出力波動(dòng)變化率規(guī)律滿(mǎn)足正態(tài)分布曲線(xiàn)。

在上述各時(shí)間尺度下，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)輸出的功率平均值為0.4045（p.u.）和0.3194(p.u.)，功率標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.3053(p.u.)和0.2779(p.u.)。由圖4和圖5數(shù)據(jù)分析，得出表1單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化率在裝機(jī)容量的10%內(nèi)分布的最大概率與最大風(fēng)電出力波動(dòng)量。

圖3 單臺(tái)風(fēng)機(jī)，單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率對(duì)比

圖4 不同時(shí)間尺度下單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出力變化率情況

圖5 不同時(shí)間尺度下單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)出力變化率情況

在短時(shí)間尺度內(nèi)，秒級(jí)和分鐘級(jí)風(fēng)電功率的變化量較小。單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)出力，存在一定互補(bǔ)性，降低了新疆某風(fēng)電場(chǎng)的總出力的變化率。在長(zhǎng)時(shí)間尺度，即小時(shí)級(jí)以上，風(fēng)電功率變化量較大。隨著時(shí)間尺度的增加，風(fēng)電出力波動(dòng)呈現(xiàn)一定上升趨勢(shì)增加，并且風(fēng)電出力變化率分布不集中。

在同一時(shí)間尺度下，風(fēng)電場(chǎng)的波動(dòng)量比單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組波動(dòng)量小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電出力最大波動(dòng)量，秒級(jí)時(shí)間尺度波動(dòng)量遠(yuǎn)小于分鐘級(jí)和小時(shí)級(jí)。隨著時(shí)間尺度的增加，最大波動(dòng)量增加。

以上結(jié)果分析表明，隨著時(shí)間尺度的增大，風(fēng)電功率的相對(duì)可變性呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，風(fēng)電功率波動(dòng)變化率，滿(mǎn)足正態(tài)分布曲線(xiàn)。

2 不同時(shí)間尺度下儲(chǔ)能裝置功率和容量研究

2.1 儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)電出力波動(dòng)策略

根據(jù)GB/T-200中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化率明確的規(guī)定，表1中最大輸出功率變化率超出規(guī)定，會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響，所以必須對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行平抑，使風(fēng)電輸出功率變化率滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，使風(fēng)能利用最大化，要達(dá)到這個(gè)目的必須利用儲(chǔ)能系統(tǒng)。

由1.5分析可知，風(fēng)電出力變化率主要分布在裝機(jī)容量的10%左右，所以本文設(shè)計(jì)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場(chǎng)在儲(chǔ)能系統(tǒng)的配合下以滿(mǎn)足相鄰時(shí)間尺度風(fēng)電出力變化率占裝機(jī)容量的10%對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輸出，來(lái)分析不同時(shí)間尺度下，平抑風(fēng)電輸出功率變化率所需的儲(chǔ)能容量大小。一方面減小儲(chǔ)能成本，一方面也能滿(mǎn)足規(guī)定。本文設(shè)計(jì)方案如下:

（1）計(jì)算出數(shù)據(jù)樣本中單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)輸出功率變化率。

（2）以相鄰時(shí)間尺度風(fēng)電出力變化率裝機(jī)容量10% （Pb）為基準(zhǔn)值，將不同時(shí)間尺度下的風(fēng)電出力變化率與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，大于基準(zhǔn)值部分，按對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)值功率輸出，多余的部分用儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)起來(lái)。若小于基準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)風(fēng)電輸出功率，直接輸出。

（3）由 （2）得出儲(chǔ)能裝置充放電功率曲線(xiàn)，計(jì)算充放電曲線(xiàn)概率密度曲線(xiàn)與累計(jì)概率曲線(xiàn)。當(dāng)累積概率為1時(shí)確定為滿(mǎn)足當(dāng)前時(shí)間尺度儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率。

（4）風(fēng)電場(chǎng)所需配置的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量為風(fēng)電實(shí)際功率變化率曲線(xiàn)超出基準(zhǔn)值上下限所圍成的最大面積。這樣的原則是為了保證在任何情況下，儲(chǔ)能都能將風(fēng)電出力變化率平抑到裝機(jī)容量10%以?xún)?nèi)。

表1 不同時(shí)間尺度下分布最大概率和最大波動(dòng)量

2.2 儲(chǔ)能平抑不同時(shí)間尺度風(fēng)電功率波動(dòng)效果分析

考慮到秒級(jí)風(fēng)電出力波動(dòng)變化率多數(shù)在裝機(jī)容量的10%以?xún)?nèi)，只有個(gè)別采樣點(diǎn)之間的風(fēng)電出力變化率超出10%，且平抑秒級(jí)波動(dòng)可通過(guò)風(fēng)電機(jī)組槳距角和變頻器進(jìn)行控制。所以在本文中主要分析分鐘級(jí)和小時(shí)級(jí)風(fēng)電出力變化率所需儲(chǔ)能功率與容量。

由2.1儲(chǔ)能平抑風(fēng)電出力控制策略，得出不同時(shí)間尺度下單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能充放電功率的累計(jì)概率圖，如圖6、7所示。本文將累計(jì)概率為1時(shí)，定為儲(chǔ)能裝置額定功率。

圖6 儲(chǔ)能平抑單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所需功率累計(jì)概率

圖7 儲(chǔ)能平抑風(fēng)電場(chǎng)所需功率累計(jì)概率

儲(chǔ)能平抑單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組 （裝機(jī)容量為1.5 MW）出力在對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度下的額定功率分別為:0.75、1.2、1.35 MW；儲(chǔ)能平抑風(fēng)電場(chǎng) （裝機(jī)容量為259.5 MW）風(fēng)電出力在對(duì)應(yīng)時(shí)間尺度下的額定功率分別為117、156、195 MW。

根據(jù)2.1中儲(chǔ)能容量計(jì)算原則，得出單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能容量如表2所示。從表2中分析可得，儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)電出力分鐘級(jí)波動(dòng)所需的容量最小，小時(shí)級(jí)波動(dòng)需要更大容量。

綜上所述，在平抑目標(biāo)相同的條件下，風(fēng)電出力變化率在分鐘級(jí)所需要的儲(chǔ)能容量較小時(shí)級(jí)小。隨著時(shí)間尺度增加，平抑風(fēng)電出力變化率所需儲(chǔ)能容量增加。在平抑風(fēng)電出力時(shí)，考慮儲(chǔ)能裝置的響應(yīng)時(shí)間和功率密度，分鐘級(jí)波動(dòng)采用功率型 （超級(jí)電容器）和能量型 （鉛酸蓄電池），小時(shí)級(jí)波動(dòng)采用能量型儲(chǔ)能裝置。

表2 不同時(shí)間尺度儲(chǔ)能容量配置 MW·h

3 結(jié) 論

本文基于風(fēng)電出力長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)歷史數(shù)據(jù)，對(duì)于單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)輸出功率在不同時(shí)間尺度下的波動(dòng)特性進(jìn)行了量化分析對(duì)比，對(duì)于平抑不同時(shí)間尺度下一定波動(dòng)變化率范圍內(nèi)的儲(chǔ)能裝置容量做了分析，結(jié)論如下:

（1）隨著時(shí)間尺度的增加，風(fēng)電輸出功率變化率增加，主要分布在裝機(jī)容量的10%以?xún)?nèi)。

（2）考慮平抑風(fēng)電輸出功率所需儲(chǔ)能的成本，設(shè)計(jì)風(fēng)電輸出功率按照相鄰時(shí)間尺度風(fēng)電出力變化率裝機(jī)容量10%進(jìn)行輸出，得出儲(chǔ)能裝置平抑分鐘級(jí)波動(dòng)所需容量較小。在平抑風(fēng)電出力時(shí)，分鐘級(jí)波動(dòng)采用功率型 （超級(jí)電容器）和能量型 （鉛酸蓄電池），小時(shí)級(jí)波動(dòng)采用能量型儲(chǔ)能裝置。

（3）隨著時(shí)間尺度的增加，風(fēng)電功率的變化量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，所需儲(chǔ)能裝置容量也增大，可以建設(shè)大容量的儲(chǔ)能電站滿(mǎn)足風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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