探究計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)管理策略

鄭文進 胡 斌

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 2.杭州鴻晟電力設計咨詢有限公司）

0 引言

計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)管理的研究，是提高含風電場微電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要基礎。隨著新能源技術的創(chuàng)新升級，風能應用率明顯提高。但是在風能應用期間，其隨機性特點明顯，因此會影響到微電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。儲能系統(tǒng)的加入，有效改善了計及風電運行下的隨機性，緩解輸出功率曲線的過度波動?；旌夏茉聪到y(tǒng)的打造，對微電網(wǎng)削峰填谷的實現(xiàn)提供了助力，并且能提高微電網(wǎng)的儲能充電能力，在降低發(fā)電功率波動的基礎上，改善微電網(wǎng)發(fā)電功率過度消耗的問題，降低微電網(wǎng)運行成本，提高微電網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，延長其使用壽命。

1 混合能源系統(tǒng)的長時間持續(xù)運行優(yōu)化

1.1 運行調(diào)度模型

計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)管理的研究，必須以計及風電與儲能混合能源系統(tǒng)為載體，以明確時間尺度為基本前提，探索提高混合能源運行系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法，并積極優(yōu)化微電網(wǎng)能量。長時間尺度下運行調(diào)度模型的構建，應結合微電網(wǎng)運行實際情況，分別從三個時間段進行運行調(diào)度，即峰、平、谷［1］。時間段以及混合能源系統(tǒng)運行區(qū)間的不同，會導致能量優(yōu)化策略存在明顯差別。對混合能源系統(tǒng)運行調(diào)度模型目標函數(shù)的優(yōu)化，需要能源的加持，以充放電函數(shù)為切入點，時刻監(jiān)測系統(tǒng)運行的荷電狀態(tài)，靈活調(diào)整以保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)對計及風電與儲能混合能源運行系統(tǒng)的研究，深層次分析微電網(wǎng)經(jīng)濟效益。

根據(jù)微電網(wǎng)混合能源系統(tǒng)結構及峰谷特性，構建聯(lián)合運行調(diào)度模型，以每日24h為周期，將其分為峰、平、谷時段進行實時監(jiān)測，觀察微電網(wǎng)儲能變化與荷電容量，并靈活調(diào)整能量策略，以此達到儲能合理分配與充放電功率穩(wěn)定的目的。以下對計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)調(diào)度模型優(yōu)勢進行了分析。

通過混合能源系統(tǒng)調(diào)度模型，對谷時段微電網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時了解，提高對多余電能的利用與儲備率。對峰時段微電網(wǎng)外部售電與蓄電池放電情況進行精準控制，為削峰填谷的實現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。不僅如此，還要有效減少系統(tǒng)運行的能源消耗，科學降低成本，提高計及風電與儲能混合能源系統(tǒng)應用的經(jīng)濟性［2］。

調(diào)度模型的構建可為混合儲能系統(tǒng)相關函數(shù)設計奠定基礎，尤其是充放電函數(shù)，借此科學調(diào)整荷電狀態(tài)和不理想情況下的充放電功率，延長蓄電池使用壽命，保證蓄電池儲存電量充足［3］。與此同時，為混合儲能系統(tǒng)提供緊急功率支撐功能，從而有效提高混合儲能系統(tǒng)的運行可靠性。

圖 計及風電與儲能混合能源運行調(diào)度模型示意圖

在調(diào)度模型構建中，設定風電場運行功率始終處于最大點，并且能量優(yōu)化必須以儲能系統(tǒng)為主?；旌夏茉聪到y(tǒng)調(diào)度設計模型如圖所示，通過圖可對混合能源調(diào)度流程有更清晰地了解。圖中當前調(diào)度時段設定為t；求余運算符設定為%；蓄電池荷電狀態(tài)及允許下限分別為Sbat、Smin；混合能源系統(tǒng)調(diào)度全天總時段設定為nT。根據(jù)以上參數(shù)設定，對混合能源系統(tǒng)蓄電池狀態(tài)進行掌握，并保證峰時段放電余量充足，谷時段放電余量合理消耗，借助風電出力的增減控制，對混合能源系統(tǒng)功率進行科學調(diào)整，保證其始終處于穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

參考目前國家電網(wǎng)運行要求及調(diào)度周期，要求間隔時間以15min為準。借助調(diào)度模型，對調(diào)度周期所消耗的風電出力情況、負荷需求量等進行預測，實時監(jiān)測混合能源系統(tǒng)的蓄電池能耗情況、荷電狀態(tài)，隨時對運行調(diào)度策略進行調(diào)整。在此基礎上，保持蓄電池充放電功率的穩(wěn)定性，對外部電網(wǎng)安全性與能耗進行有效控制，準確計算混合能源系統(tǒng)的交換功率。根據(jù)系統(tǒng)所處時段不同，對蓄電池功能進行靈活調(diào)整，如在谷時段期間，蓄電池以充電狀態(tài)為主；平時段期間，蓄電池以充放電兼顧功能為主；峰時段期間，蓄電池以放電功能為主。需注意，峰時段蓄電池雖然以放電為主，但是必須控制在混合系統(tǒng)能源荷電狀態(tài)的允許值之內(nèi)。

1.2 系統(tǒng)能量優(yōu)化

以計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)運行模型為載體，風電儲能混合能源系統(tǒng)最大運行收益為目標，全天24h為條件構建與之匹配的目標函數(shù)，具體如下：

式中，F(xiàn)為混合能源系統(tǒng)的收益函數(shù)；k為系統(tǒng)模型的調(diào)度周期，其取值范圍為1～96；γk為以k周期為準的混合能源系統(tǒng)電網(wǎng)價格；分別為以k周期為準的混合能源系統(tǒng)模型中蓄電池充、放電功率；、分別為以k周期為準的混合能源系統(tǒng)蓄電池充、放電狀態(tài)；pk為以k周期為準的混合能源系統(tǒng)蓄電池充放電功率，其數(shù)值為正代表充電，數(shù)值為負代表放電；CF（pk）為蓄電池運行成本；COM（pk）為蓄電池充放電罰函數(shù)；βbat（k）為蓄電池荷電百分數(shù)與混合能源系統(tǒng)中荷電理想范圍的差值，其具體表達式如下：

其中，b1～b5為蓄電池充放電罰函數(shù)定值參數(shù)；pref為恒定功率。

隨著進入峰時段，蓄電池逐漸增加放電量，在此過程中sbat（k）明顯減少，βbat（k）隨之變大。如此一來，蓄電池荷電狀態(tài)出現(xiàn)波動，并適當調(diào)整放電功率。進入谷時段后，蓄電池充電情況同樣如此。在峰時段蓄電池荷電狀態(tài)并未達到允許下限的情況下，系統(tǒng)對蓄電池的充電借助恒定功率pref完成［4］。

2 混合能源系統(tǒng)的短時間運行波動優(yōu)化

2.1 構建功率運行波動模型

計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)的短時間功率運行波動模型構建，主要目的是對風電出力穩(wěn)定性進行調(diào)整，并科學抑制波動。既可以協(xié)調(diào)風電儲能混合能源系統(tǒng)蓄電池與超級電容的關系，又可以構建微電網(wǎng)功率波動模型，實時對混合能源系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，設定合理的低通濾波時間，在此基礎上，科學完成模型輸入操作，繼而達到改善功率波動的目的［5］。實時觀察混合系統(tǒng)荷電狀態(tài)，若其余量并未超出合理區(qū)間，則必須對風電變化率波動進行預防，適當對低通濾波時間系數(shù)τ（t）進行調(diào)整，從而達到對t時段波動的抑制。t時段目標功率設定及混合系統(tǒng)穩(wěn)定抑制要求Pobj（t）、模型構建中混合系統(tǒng)平抑控制的相關功率Phess（t）及變?yōu)V波系數(shù)λ（t）的公式分別如下：

式中，Pwind（t）為t時段風電出力；Δt為調(diào)度周期時間長度；τ（t）為混合能源系統(tǒng)低通濾波時間系數(shù)，其具體表達式如下：

式中，Ebat、Esc分別為蓄電池荷電容量、混合能源系統(tǒng)超級電容荷電容量；Ebat＿max、Ebat＿min分別為蓄電池荷電容量的上限及下限；Esc＿max、Esc＿min分別為超級電容荷電容量的上限與下限；a1、a2為混合系統(tǒng)變?yōu)V波比例系數(shù)。

風電目標功率與比例系數(shù)有直接關系，比例系數(shù)小，則功率變化穩(wěn)定，比例系數(shù)大，則功率變化波動大，整體抑制效果受到影響，混合能源系統(tǒng)容量利用率下降。根據(jù)功率運行波動模型的模擬研究及調(diào)試，得到最佳比例系數(shù)，為0.3。

2.2 混合系統(tǒng)功率的模糊控制優(yōu)化處理

混合能源系統(tǒng)中的蓄電池、超級電容器的運行狀態(tài)及能量消耗等，可以模糊控制為載體，根據(jù)系統(tǒng)運行實況優(yōu)化分配，尤其是混合系統(tǒng)運行功率Phess（t）。優(yōu)化分配的主要目的是協(xié)助混合能源系統(tǒng)對蓄電池余量進行有效控制，并可以對風電并網(wǎng)波動進行控制，延長蓄電池使用壽命。混合系統(tǒng)功率模糊控制設定為t時刻超級電容模式，即dsc（t）。在輸入函數(shù)x1（t）中帶入dsc（t），隨后得到混合系統(tǒng)運行期間的荷電偏差量dbat（t），將其輸入模糊控制函數(shù)x2（t）中。在已知蓄電池初始荷電Sbat0的基礎上，對x1（t）、x2（t）進行計算，公式如下：

隨后在Phess（t）≥0的規(guī)定條件下，得到模糊控制隸屬函數(shù)。此外為對混合能源系統(tǒng)蓄電池及系統(tǒng)電容充放電功率進行有效控制，結合Psc（t）、Pbat（t）均設定為t時刻的條件，去控制系統(tǒng)風電出力波動，并尋找協(xié)同平抑的方法。具體計算公式如下：

結合上述得到的模糊控制隸屬函數(shù)，實時應用模糊控制算法，根據(jù)輸入情況得到實時修正系數(shù)，即η（t），借此得到超級電容充放電功率與蓄電池充放電功率，具體計算如下：

結合上述計算結果，適當約束混合系統(tǒng)充放電功率。通過混合能源系統(tǒng)模糊控制相關函數(shù)值發(fā)現(xiàn)，超級電容功率與功率波動控制有直接關系，并且容量越限與功率平抑存在必然聯(lián)系。系統(tǒng)中的剩余功率與出力均由蓄電池控制，若不能保證蓄電池功率運行需求，便會導致系統(tǒng)運行不平穩(wěn)現(xiàn)象。

3 混合能源系統(tǒng)模擬仿真

對計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)進行模擬仿真。以MATLAB／Simulink軟件進行建模，并輸入計及風電與儲能的混合能源相關數(shù)據(jù)。隨后根據(jù)現(xiàn)實環(huán)境參數(shù)，針對系統(tǒng)中的風速、負荷功率進行調(diào)整測試，從而得到能量管理策略的制定依據(jù)參數(shù)，并為混合能源系統(tǒng)管理做好準備工作。觀察混合能源系統(tǒng)模型運行數(shù)值變化，發(fā)現(xiàn)在未調(diào)整的情況下，風力發(fā)電波動明顯，并且系統(tǒng)運行及功率穩(wěn)定性不理想。針對這種情況，根據(jù)系統(tǒng)運行負荷功率需求，嚴格控制風電功率，并明確功率期望值。在此基礎上，協(xié)調(diào)負載功率、系統(tǒng)功率之間的需求，在保證能量平衡的條件下，對系統(tǒng)運行功率波動進行有效控制。不僅如此，還能夠?qū)ο到y(tǒng)異常情況瞬時響應，既可以有效規(guī)避功率振蕩，又可以保證計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)管理質(zhì)量。

4 結束語

綜上所述，通過對計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)管理的研究，對這種混合能源系統(tǒng)有更準確的認識。作為新能源利用的代表，混合能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是關注的焦點。從長時間持續(xù)運行角度對計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)進行優(yōu)化，積極構建混合能源運行調(diào)度模型，并總結能量優(yōu)化的策略。從計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)短時間運行波動控制角度，構建功率運行波動模型，并總結混合能源系統(tǒng)功率的模糊控制優(yōu)化處理策略。結合模型的構建及仿真運行，發(fā)現(xiàn)混合能源運行調(diào)度模型與功率運行波動模型的構建及優(yōu)化措施對穩(wěn)定性管理效果明顯，對計及風電與儲能的混合能源系統(tǒng)管理水平提高有積極意義。