风电功率波动平抑效能与储能容量之间关系的分析研究

Pb = Xk −Yk
(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：
= λ X k + λ(1 − λ) X k −1 + (1 − λ)2Yk −2 (8)
=
λ
k −1
∑
(1 −
λ)m
X k −m
+
(1 −
λ)k Y0
m=0
2
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。
当时，τ=24h 仿真结果如下图所示：
50
Pw
40
Pout
Pb
30
功率幅值(MW)
20
10 0
-10
-20
-30 0
50
100
150
200
250
300
采 样 点 数 (1d/5min)
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。
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
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
1
2009.11.25-27 中国·天津
所示：
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：
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。
3
2009.11.25-27 中国·天津
作者简介： 宇航（1984-），男，黑龙江齐齐哈尔人，汉族，硕士研究生，主要研究 方向为电力系统暂态分析、风力发电。Email：www.yuhang211@． 张真卿（1984-），男，江苏连云港人，汉族，硕士研究生，主要研究方 向为电力系统暂态分析、风力发电。Email：www. 270071443@． 苑田芬（1984-），女，山东临沂人，汉族，硕士研究生，主要研究方向 为电力系统暂态分析、风力发电。Email：www. 66719685@．
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]。
Ws = W f − Wg = ( X − Y ) ⋅T
(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
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：
τ
Yk
− Yk −1 t
+ Yk
=
Xk
(2)
解 Yk 得，
Yk
=
τ
τ +
t

−1
+
τ
t +t
Xk
(3)
设 λ= t (0<λ<1)，代入(3)式得，
τ +t
Yk = (1 − λ)Yk −1 + λ X k
(4)
从(4)式可以看出已知 tk 时刻的 Pw 值 Xk、前一
时刻的 Pout 值 Yk-1 和 λ 值，就可以得到经平抑控制
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。
Pout
Pb
30
功 率 幅 值 (MW)
20
10
0
-10
-20 0
50
100
150
200
250
300
采 样 点 数 (1d/5min)
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。
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。
平抑过程中储能系统中的能量用 Ek 表示：
k
Ek = E0 + ∑ Pbm ⋅ t
(6)
m=1
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：
W
=
max
k =1Kn
Ek
−
min
k =1Kn
Ek
(7)
在实际储能平抑过程中，由于储能系统中的能
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。
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。
后的 Pout 值 Yk。其中 λ 值随 τ 值的变化而变化且成
反比关系。由于 λ 的存在，该表达式表现出一定的
吸收瞬时突发的能力，这种能力称为平稳性。显然
随着 λ 的减小，即 τ 值的增大，其平稳性增强，经 平抑控制后的风电场输出功率的变化率越小。
已知 Xk 和 Yk，那么储能系统吸入的功率如下 式：
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，
n
Wf = ∑ Xk ⋅t = X ⋅T
(9)
k =1
经过储能平抑后注入电网的能量用 Wg 表示，
n
Wg = ∑ Y k ⋅ t = Y ⋅T
k =1
(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，
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。
τY '+ Y = X