混合储能系统对风电功率波动的平抑作用研究.pdf

论文作者签名： 指导教师签名： 论文评阅人1 ： 评阅人2 ： 评阅人3 ： 评阅人4 评阅人5 ： 答辩委员会主席： 委员1 ： 委员2 ： 委员3 ： 委员4 委员5 ： 答辩日期： a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r w s o r ss i g n a t u r e ： t h e s i sr e v i e w e r1 ： t h e s i sr e v i e w e r2 ： t h e s i sr e v i e w e r3 ： t h e s i sr e v i e w e r4 t h e s i sr e v i e w e r5 ： c h a i r ： ( c o m m i t t e eo fo r a ld e f e n c e ) c o m m i t t e e m a n c o m m i t t e e m a n c o m m i t t e e m a n c o m m i t t e e m a n c o m m i t t e e m a n d a t eo fo r a ld e f e n s e ： 1 2 3 4 5 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝作者签名瑶稿 签字吼少碎年弓月2 矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆太堂 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿态堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嚅锅 导师签名： 签字日期：2 形斜年弓月多p 日 签字日期： 年月 日 浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着环境问题日益严重，世界各国对清洁能源、可再生能源发电的关注度也 日益提高。近年来，我国风能发电产业获得了飞速的发展。然而，风力发电具有 随机性和波动性，所以风电并网会对电网产生冲击，一旦超出了电网的承受范围， 就会严重破坏电网的安全性和稳定性。利用储能技术能够较好的平抑风电波动， 使输出功率满足一定指标。近年来储能技术也取得了飞速的发展，将几种储能技 术组合起来，取长补短，发挥各自优势，能够在提高功率输出能力的同时，延长 使用寿命，降低设备成本等。研究混合储能系统( h e s s ) 的功率分配问题，具 有十分重要的意义。 本文主要研究以下内容： ( 1 ) 基于风速预测计算风电场平抑目标功率。在能够较精确的预测风电场 输出功率的前提下，利用p s o 算法或者其他优化算法来寻求平抑目标功率的最 优解，既能够满足两个时间尺度的波动指标，又考虑尽可能地接近预测功率从而 降低对设备的需求。 ( 2 ) 利用p s o 算法配置混合储能系统的输出功率。平抑目标功率和实际输 出功率的差值就是混合储能系统的期望出力。由于蓄电池能量密度大的特性，优 先考虑蓄电池来平抑波动，蓄电池无法平抑的高频波动，则由超级电容来平抑。 根据蓄电池的基本特性，总结归纳出蓄电池工作状态下的约束条件，从而计算出 蓄电池期望功率的最优解。还进一步定义了蓄电池的充放电状态方程和2 4 小时 内的状态转换总量，并将其加到目标函数中，从仿真结果能够看到蓄电池的充放 电转换次数有明显地减少，有效地延长了蓄电池使用寿命。 ( 3 ) 利用一种滤波系数可变的低通滤波算法来实时计算平抑目标功率，再 利用p s o 算法实时分配超级电容和蓄电池的功率。为了延长蓄电池寿命，同时 减少环境污染，我们把超级电容作为优先吸收或释放能量的设备，在超级电容的 容量不足时，蓄电池也参与工作。在仿真中可以发现超级电容就可以完成大部分 充放电任务，蓄电池的使用率相对较低。这样就可以减少储能设备的负担，降低 成本。而且，随着超级电容的荷电状态s o c 的变化，功率分配策略也会有实时 浙江大学硕士学位论文 摘要 的调整。这样让超级电容和蓄电池协调工作，取长补短，对于整个系统而言，既 最大程度地发挥了设备的优势，又提高了平抑质量。 关键词：混合储能系统( h e s s ) ；粒子群优化( p s o ) 算法；低通滤波算法；目 标功率；功率分配 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nt h ew o r l db e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t h er e s e a r c ho nc l e a ne n e r g ya n dr e n e w a b l ee n e r g yp o w e r h a sb e e ni n c r e a s i n g l yp a i d a t t e n t i o nt o w i n dp o w e ri n d u s t r yi nr e c e n ty e a r si sd e v e l o p i n gr a p i d l yi no u r c o u n t r y h o w e v e r , s i n c et h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o nh a sr a n d o m n e s sa n dv o l a t i l i t y , i t sp o w e r i n t e g r a t i o nw o u l dp r o d u c el a r g ei m p a c to nt h ep o w e rn e t w o r k ，a n dc a u s e ss e r i o u s l y d a m a g et ot h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e ma st h ei m p a c ti sb e y o n dt h e p e r m i s s i b l el i m i t b ye n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g y , t h ev o l a t i l i t yo fw i n dp o w e rc a nb e w e l lc o n t r o l l e da n dt h eo u t p u tp o w e rw o u l dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s r e c e n t l y t h ee n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g i e sg e tg r e a td e v e l o p m e n t ，a st h ed i f f e r e n tk i n d so f e n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g i e sp l a yt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e s ，t h et e c h n o l o g i e s c o m b i n a t i o nw o u l dg r e a t l yi m p r o v et h ep o w e r , e x t e n dt h es e r v i c el i f ea n dr e d u c et h e d e v i c e c o s t t h e r e f o r e ，t h ep o w e rd i s t r i b u t i o no fh y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m ( h e s s ) h a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h ep o w e ri n t e g r a t i o n t h em a i nw o r ki sp r e s e n t e da sf o l l o w ： ( 1 ) c o m p u t et h et a r g e to u t p u tp o w e rb a s e do nt h ep r e d i c t e dw i n ds p e e d u n d e r t h ep r e m i s eo fa c c u r a t ep r e d i c t i o no fp o w e r o u t p u t ，w eu s ep s oa l g o r i t h mo ro t h e r o p t i m a la l g o r i t h m st oc a l c u l a t et h eo p t i m a lt a r g e to u t p u tp o w e r , b o t ha sm u c ha s p o s s i b l ec l o s et ot h ep r e d i c t i o np o w e rw h i c hc a nr e d u c et h ed e m a n df o rd e v i c e s a n d s a t i s f i e dt ot h et w ot i m es c a l e so fi n d e x e s ( 2 ) t h ep o w e rc o n f i g u r a t i o no fh y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m t h ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h et a r g e to u t p u tp o w e ra n da c t u a lo u t p u tp o w e ri st h ee x p e c t e do u t p u to f h y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so ft h eb a t t e r y , w e s u m m a r i z e dt h eb a t t e r y sw o r k i n gc o n s t r a i n t s ，t h e nf i n dt h eo p t i m a ls o l u t i o n w ea l s o d e f i n et h es t o r a g e b a t t e r yc h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n gs t a t ee q u a t i o n sa n ds t a t e t r a n s i t i o n ss u mw i t h i n2 4 h o u r s ，a n da d di tt ot h et a r g e tf u n c t i o n ，s ot h a tt h e c a l c u l a t i o nr e s u l t sc a nt a k et h es e r v i c el i f eo ft h eb a t t e r yi n t oc o n s i d e r a t i o n ( 3 ) al o w p a s sf i l t e r i n ga l g o r i t h mw i t hv a r i a b l ef i l t e rc o e f f i c i e n ti su s e dt o l i i c a l c u l a t i n gt h eo u t p u tp o w e ro ft h et a r g e ti nr e a lt i m e t h e nw eu s ep s oa l g o r i t h mt o a l l o c a t et h eo u t p u tp o w e ro fs u p e rc a p a c i t o ra n db a t t e r yp o w e ri nr e a l t i m e ，a n dt a k e t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n so ft h ee q u i p m e n ti n t oa c c o u n ta sm u c ha sp o s s i b l e i no r d e r t oe x t e n dt h el i f eo ft h eb a t t e r ya n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na tt h es a m et i m e ， w em a k ei tap r i o r i t yt os u p e rc a p a c i t o rt oa b s o r bo rr e l e a s ee n e r g y i ft h e c a p a c i t yo f s u p e rc a p a c i t o ri s n te n o u g h ，b a t t e r yw i l lp a r t i c i p a t ei nt h ew o r k t h r o u g ht h e s i m u l m i o n ，w ec a nf i n dt h es u p e rc a p a c i t o rc a nc o m p l e t em o s to ft h ep o w e rt a s k s ；t h e u s a g eo fb a k e r yi sr e l a t i v e l yl o w t h i sc a nr e d u c et h eb u r d e no ft h ee n e r g ys t o r a g e e q u i p m e n t ，a n dr e d u c et h ec o s t m o r e o v e r , a st h ec h a n g eo fs u p e rc a p a c i t o r s c h a r g e s t a t e ，p o w e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yw i l la d j u s ti nr e a lt i m e b o t hm a x i m i z et h ea d v a n t a g e s o ft h ed e v i c e s ，a n dg e tb e t t e rs t a b i l i z a t i o nq u a l i t y k e y w o r d s ：h y b r i de n e r g ys t o r a g es y s t e m ( h e s s ) ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a l g o r i t h m ；l o w p a s sf i l t e r i n ga l g o r i t h m ；t a r g e tp o w e r ；p o w e ra l l o c a t i o n 1 v 浙江大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录一1 第1 章绪论3 1 1 研究背景3 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 国内外储能技术的发展现状4 1 2 2 大规模风电并网面临的主要问题7 1 2 3 电功率波动指标8 1 2 4 多类型储能在波动平抑中的应用9 1 2 5 面向储能平抑的p s 0 算法简介1 0 1 3 论文的主要工作15 第2 章基于风速预测的风电场平抑目标功率计算1 7 2 1 概述17 2 2 问题描述1 8 2 2 1 风电预测功率1 8 2 3 2 平抑目标功率1 9 2 3 3 混合储能系统功率2 0 2 2 风速及风电功率预测介绍2 0 2 2 1 几种风速预测方法介绍2 1 2 2 2 本文采用的风速及风电功率预测方法2 3 2 4 平抑目标功率计算过程2 4 2 4 1 建立数学模型2 4 2 4 2 算法流程2 5 2 5 仿真及结果分析2 7 2 5 1 参数设定2 7 2 5 2 实际风速及实际风电场功率2 7 2 5 3 风电场的平抑目标功率2 8 2 6 小结3 0 第3 章面向蓄电池的混合储能系统功率配置3 2 3 1 概述3 2 3 2 问题描述3 2 3 3 求解过程3 3 3 3 1 建立数学模型3 3 3 3 2 考虑蓄电池寿命的目标函数3 4 3 3 3 超级电容储能系统出力计算3 5 3 3 4 算法流程3 5 3 4 仿真及结果分析3 5 3 4 1 参数设定3 5 3 4 2 仿真结果3 6 3 5 小结3 9 浙江大学硕士学位论文 目录 第4 章风电功率波动实时平抑策略4 0 4 1 概述4 0 4 2 系统结构和工作原理4 l 4 2 1 系统结构4 l 4 2 2 以超级电容为主体的混合储能系统4 l 4 2 3 工作原理4 3 4 3 平抑目标功率计算4 3 4 3 1 波动指标4 4 4 3 2 传统的低通滤波4 4 4 3 3 改进的低通滤波4 5 4 3 4 效果对比4 6 4 4 混合储能系统功率分配4 7 4 4 1 荷电状态4 7 4 4 2 功率分配策略一4 8 4 5 3 算法建模4 9 4 5 仿真及分析5 0 4 5 1 仿真参数设置5 0 4 5 2 目标输出功率5 l 4 5 3 混合储能系统功率5 2 4 6 小结5 4 第5 章总结与展望5 6 5 1 研究工作的总结5 6 5 2 后续工作的展望5 7 参考文献5 9 作者简历6 4 致谢6 5 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着环境问题日益严重，世界各国对清洁能源、可再生能源发电的关注度也 日益提高。近年来，我国风能发电产业获得了飞速的发展。中电联统计数据显示， 2 0 11 年我国并网风电发电量7 3 2 亿千瓦时，同比增长4 8 1 6 ，占全国发电量的 比重也由2 0 1 0 年的1 1 7 上升到1 5 5 【1 】。在今后的很长一段时间内，风电的发 展趋势依然快速稳定。在国务院发布的“十二五”国家战略性新兴产业发展规 划中，国家能源局提出了两个目标，2 0 1 5 年累计并网风电装机超过1 亿千瓦， 年发电量达到1 9 0 0 亿千瓦时；2 0 2 0 年累计并网风电装机2 亿千瓦以上，年发电 量超过3 8 0 0 亿千瓦时【2 】。根据国家风电信息管理中心的数据，2 0 1 2 年全国风电 并网装机容量为6 2 6 6 万千瓦，比上年增加1 4 8 2 万千瓦，增长率为3 1 ，2 0 1 2 年风电发电量1 0 0 8 亿千瓦时，比2 0 1 1 年增长4 1 ，风电发电量约占到全国总上 网电量的2 3 1 。然而，风力发电具有随机性，波动性，间歇性，不稳定的输出 电能会对电网产生冲击，一旦超出了电网的承受范围，就会严重破坏电网的安全 性和稳定性。因此，改善风电输出电能质量成为了风电发展道路上一个必须解决 的问题。 储能技术能够较好的解决风电输出功率随机性和波动性的问题，起到“削峰 填谷”的作用，使系统输出功率在一段时间内维持在一个相对稳定范围，改善电 能质量，提高并网运行的稳定性【4 1 一【1 0 l 。目前已有许多种储能技术，但是运行原 理，储能容量和系统性能都各不相同。按照电能存储的形式，储能技术主要分成 机械能储能，电磁储能，电化学储能和相变储能四大类【4 1 。机械能储存主要有抽 水蓄能【5 1 ( p u m p e dh y d r os t o r a g e ，p h s ) 、飞轮储能嘲( f l y w h e e le n e r g ys t o r a g e ，f e s ) 和压缩空气储能【7 】( c o m p r e s s e da i re n e r g ys t o r a g e ，c a e s ) 。电磁储能主要有超导 磁体储能【8 1 ( s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e ，s m e s ) 和超级电容储能【9 1 ( s u p e rc a p a c i t o re n e r g ys y s t e m ，s c e s ) 。电化学储能主要包括了铅酸电池、液体 电池以及n a s 和l i 等新型电池。各种储能技术都有各自的优势和缺点。其中， 液流电池的储能容量取决于电解液容量和密度，配置上相当灵活，只需增大电解 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 液容积和浓度即可增大储能容量，并且可以进行深度充放电，但还处在商业开发 的初级阶段，技术相对不够成熟【1 1 1 。铅酸电池寿命较短，具有较低的能量密度和 功率密度，但价格便宜，构造成本低，可靠性好，技术成熟，已广泛应用于电力 系统；锂离子电池相比铅酸电池有更长的循环寿命和更高的能量密度，但是大容 量集成的技术难度高，生产维护成本太大【1 0 】。飞轮储能、超级电容储能和超导 储能等功率型储能技术具有响应速度快、功率密度大、储能效率高、使用寿命长 等优点，在电力系统和可再生能源发电中具有良好的应用前景【1 2 】。目前，单一 的储能技术还难以满足风力发电系统的各项要求，如系统响应快、能量密度高、 功率密度高、生产成本低、循环寿命长、转化效率高、环境污染小等。另外，还 要考虑到风电输出功率有毫秒级的高频扰动，也有小时级的低频扰动，单一储能 技术无法满足多时间尺度的平抑需求。多类型储能系统( h y b r i de n e r g ys t o r a g e s y s t e m ，h e s s ) 就是将功率密度高，响应时间短的功率型储能系统和能量密度 大的能量型储能系统协调控制使用，各自发挥优势，最大程度的发挥储能系统在 风电系统中的作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外储能技术的发展现状 储能系统具有动态吸收和释放能量的特点，能较好的弥补风电的随机性、波 动性的缺点，改善风电场输出功率的可控性。此外，对储能系统进行合理的配置 还能有效增强风电机组的l v r t 功能、增大电力系统的风电穿透功率极限( w i n d p o w e rp e n e t r a t i o n ，w p p ) 、改善电能质量及优化系统经济性。 近几十年来，储能技术一直受到各国能源、电力、交通等部门的重视。一些 传统经典的储能技术，如抽水蓄能、铅酸电池储能等，已经发展的十分成熟，在 工业中的应用也十分广泛；也不断涌现出许多新型的储能技术，如超级电容储能、 超导储能、液流电池储能等，不过至今还没有一项非常完美的储能技术。由于各 种储能技术都存在一定的优势和局限性，因此针对不同的应用领域，多种技术并 存是未来储能技术发展的趋势【1 4 】。 考虑储能技术的工作原理、制造材料、功率密度、能量密度、储能形式等因 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 素，可以将储能技术分为以下几种：抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、钠硫 电池储能、锂离子电池储能、液流电池储能、超导储能、超级电容器储能等。各 种储能技术的比较如表1 1 和表1 2 所示【1 3 】。 表1 1 各种储能技术优缺点和应用领域比较 分类储能技术优点缺点瘦用场合 可大规模， 地理位置受限制、 日负荷调节、频率控制、 抽水储能建设工期长、工程 技术成熟系统备用 投资大 机械 效率高、寿命长、瞬时功 能量密度低、保证 率大、响应速度快、安全调峰、频率控制、u p s 、 储能飞轮储能系统安全性方面 性能好、环境污染小、不电能质量 受地理环境影响 费用高、噪声大 压缩空气 大规模、能量密度大 响应慢，对地质结 调峰、系统备用 储能构有特殊要求 能量密度大，可大电流、 工作过程中需要 钠硫电池高功率放电，充放电效率 电化 高 保持高温 学储液流电池 寿命长、易于组合、效率 电能质量、可靠性控制、 能 高、环保性好 电池容量小备用电源、削峰填谷、 锂离子电 重量轻、容量大、功率大、当前成本高，大型 能量管理、可再生储能 无污染、寿命长、自放电批量化生产还不 池 系数小成熟 输配电网电压支撑、功 超导磁储响应速度快、转换效率 成本高、维护困难率补偿、频率调节、提 电磁 能高、比容量比功率大 高系统稳定性 储能 超级电容短时间、大功率的平滑 储能 安装简单、体积小成本高、储能低 负载 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 2 各种储能技术主要参数比较 另噗储能技术功率范固m w响直时阆藏靴 抽水储能10 0 2 0 0 04 - 1 0 h6 0 7 0 机械储能飞轮储能 0 0 0 5 1 51 5 s - 1 5 m i n7 0 - 8 0 压缩空气储能1 0 - 3 0 06 - 2 0 h4 0 5 0 钠硫电池 0 0 0 l 1 0 l m i n - 9 h 7 0 - 8 0 电化学储能 液流电池o 0 1 - 0 1l 2 0 h 锂离子电池 0 0 0 l 1 0 1 m i n - 9 h 7 0 8 0 超导磁储能 0 0 l 2 01 m s - 1 5 m i n8 0 9 5 电磁储能 超级电容储能0 0 0 l 0 1l s l m i n7 0 8 0 对于储能技术的研究，美国、日本和欧洲发达国家领先于其他国家。在上世 纪和本世纪初期，日本着重致力于蓄水储能电站的建设和发展，在1 9 9 6 年到2 0 0 7 年，相继有4 个大型蓄水储能电站投入运行，其中2 0 0 5 年投入运行的神流川电 站装机容量达到了2 8 2 0 m w 。另外，在飞轮储能方面，日本也有所涉足，日本原 子力研究所利用飞轮储能技术，研发生产了2 1 5 m w 8 g j 的u p s ，输出电压可达 1 8 k v ，输出电流6 8 9 6 a ，储能效率达到了8 5 。在超导磁储能方面，日本的c h u b u 公司研发了5 m w 7 3 m j 的超导磁储能系统，在电力系统上用于提供瞬时电压补 偿；h o s o o 电站也用了1 0 m w 的超导磁储能系统用来提高系统稳定性和供电品 质【l0 1 。电化学储能领域，日本东京电力公司在钠硫电池的研究与应用方面走在 世界前列，拥有较为成熟的商业化产品，1 9 9 9 年在大仁变电站设置6m w 8h 系统，2 0 0 4 年7 月又在h i t a c h i 自动化系统工厂安装了目前世界上最大的钠硫电 池系统，容量达9 6 m w 5 7 6 m w h ；钠硫电池系统在电力系统和负荷侧成功应 用1 0 0 余套，其总容量超过了1 0 0m w ，其中近三分之二用于平滑负荷【2 1 1 。 在欧美方面，2 0 世纪9 0 年代初开始，英国i n n o g y 公司即成功开发出系列多 硫化钠溴液流储能电堆，并建造了储能电站，用于电站调峰和u p s 。近十多年 来，欧美日将把与风能光伏发电相配套的全钒液流电池储能系统用于电站调峰 【l3 1 。德国西门子公司已成功开发出储能量达到2 1m j 5 7 w h 、最大功率1 m w 的 超级电容器储能系统，并成功安装在德国科隆市7 5 0 v 直流地铁配电网中，该系 统由4 8 0 0 支2 6 0 0 f 2 5 v 超级电容器组成，重量2 t ，体积2 m 3 ，超级电容器组储 能效率为9 5 1 3 1 。2 0 1 1 年，美国夏威夷电力公司在瓦胡岛北部海岸的一座装机 容量为3 0m w 的风电场安装一个1 5m w 的储能电池系统( 高级铅酸电池) ，该系 统能在风力骤然增强或减弱时平稳风电场功率输出【2 2 1 。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 相较美国、日本和欧洲部分发达国家，我国的储能技术起步比较晚，和国外 的差距也比较大。到目前为止，我国9 个省、区、市己建成1 1 座抽水蓄能电站， 装机容量约为5 7g w ( 其中0 6g w 供香港) ，占全国装机容量的1 8 。表1 1 显示了己建和“十一五”期间在建的抽水蓄能电站，待全部电站建成投入使用后， 除湖北、拉萨外，可调峰的水电( 包括抽水蓄能电站在内) 约占电网总容量的3 7 h 3 】。另外，我国铅酸电池工业发展历史悠久，目前已形成了巨大的铅酸电 池工业体系；钠硫电池、飞轮储能技术已较为成熟；液流电池和超导储能还处在 发展的初级阶段犯3 1 ，【2 4 1 。 电力储能技术正朝着转换高效化、能量高密度化和应用低成本化方向发展， 通过试验示范和实际运行日趋成熟，在电力系统中发挥出调峰、电压补偿、频率 调节、电能质量管理等重要作用，确保了系统安全、稳定、可靠的运行。 1 2 2 大规模风电并网面临的主要问题 风电是典型的随机性、间歇性电源，大规模风电并网将给电力系统带来一系 列挑战。风电接入电网造成的影响主要表现在四个方面：( 一) 风电输出功率的 随机波动性会对电力系统的稳定性和安全性构成威胁；( 二) 电网故障时，风电 机组受低电压穿越能力( 1 0 wv o l t a g er i d et h r o u g h ，l v r t ) 限制将自动脱网；( 三) 由于电网承受扰动的能力有限，超过电网容纳能力的风电将难以消纳；( 四) 作 为电源，风电接入电网将影响原有电力系统的运行方式，增加系统备用容量的需 求，对系统运行的经济性产生影响【1 5 】。表1 1 是大规模风电并网面临的主要问题 及描述。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 3 大规模风电并网面临的主要问题及描述 主要问题 描述 电压稳定是指电力系统受到小扰动后，系统电压保持在允许的范围内， 电压稳定性问题 不发生电压崩溃的能力。 有功波动带来的频率变动； 频率稳定性问题 风电改变系统的惯性时间常数导致频率波动速度的增加。 风电机组的l v r t 是指风电机组在p c c 电压跌落时保持并网状态，并 低电压穿越问题向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压，从而穿越低电压区域的 能力。 定义为系统所能容纳的最大风电装机容量占系统最大负荷的比例，主 穿透功率极限问题 要取决于系统所能容纳的最大风电装机容量。 风速的随机变化以及风电机组本身固有的塔影效应、风剪切、偏航 电能质量问题 误差引起公共连接点( p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ，p c c ) 电压波动； 换流器带来的谐波污染。 主要源于风电的随机间歇性使得电力系统为风电提供全容量备用，导 经济性问题 致备用容量增加，经济性降低。 文献 1 6 】采用v - q 分析法、灵敏度分析法和模态分析法研究了风电接入电网 的电压稳定性问题，结果表明随着风电容量的增大，系统的无功储备逐渐减小， 电压稳定性变差。文献 1 7 1 根据北爱尔兰电网的实际情况，说明了当风电比例上 升时，需要增加更多的旋转备用才能维持系统的频率稳定。文献【1 8 】提到，在发 生故障时，如果风电机组大规模的解列，电网将失去支撑，从而使电网的运行状 况恶化。文献 1 9 研究了频率稳定为主导因素的穿透功率极限问题，结果表明， 在风电装机容量不超过系统火电装机容量的5 的情况下，系统的频率偏差才会 低于lo 6 0 。文献 2 0 l 结合美国f c r p s ( f e d e r a lc o l u m b i ar i v e rp o w e rs y s t e m ) ，讨论 了大规模风电接人电网的经济性问题，认为风电只能作为负的负荷考虑，会增加 系统的备用容量，降低系统的经济性，并提出了采用风电一水电联合运行来改善 系统经济性的设想。 1 2 3 电功率波动指标 风电功率的波动一般用爬坡率来进行描述，爬坡率即一段时间内电功率的变 化幅度( 最大值减去最小值) 占额定功率的百分比。研究表明，不同时间尺度的 风电功率波动，对电力系统的不同方面，如系统备用、能量调度以及安全运行等 造成不同的影响【2 5 1 。许多国家要求风电输出功率要同时满足在几个不同时间尺 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 度下的爬坡率指标，如小时级和分钟级。不同时间尺度下的功率波动需要用不同 的储能技术来进行平抑，保证风电输出功率的可控性，从而使大规模风电并网成 为可能。表1 4 是几个国家的电功率波动指标口6 1 。 表1 4 各国风电并网的爬坡率指标 国家爬坡率标准 美国l m i n 上升爬坡率小于1 0 装机容量 加拿大 l m i n 上升爬坡率小于1 0 装机容量 丹麦l m i n 上升爬坡率小于5 装机容量 德国启动时，1 m i n 上升爬坡率小于1 0 装机容量 英国 1 m i n 小于1 0 m w 且l m i n 平均爬坡率不得高于1 0 分钟平均爬坡率的3 倍 爱尔兰l m i n 和1 0 m i n 内均小于3 0 m w ，且可以分别按照电网实时要求爬坡率运行。 南非1 分钟内小于5 0 m w 装机容量 i5 0 m w ： 1 0 m i n 内变化值小于1 0 m i n 内变化值小于装1 0 m i n 内变化值小于 中国 1 0 m w ，l m i n 内变化值 机容量3 ，l m i n 内变化 5 0 m w ，l m i n 内变化值 小于3 m w值小于装机容量1 0小于1 5 m w 本文采用了两个时间尺度的爬坡率指标作为风电输出功率的平抑目标： ( 1 ) 每分钟的波动幅度不超过系统额定功率的2 ； ( 2 ) 每3 0 分钟的波动幅度不超过系统额定功率的1 0 。 1 2 4 多类型储能在波动平抑中的应用 在前面也提到过，一种储能技术无法满足多个时间尺度上的风电平抑要求。 所以近年来发展了多类型储能技术，就是将多种类型的储能技术协调控制，发挥 各自优势，从而稳定风电输出功率，改善电能质量，提高风电并网的安全性和稳 定性。本文采用了包含锂电池和超级电容的混合储能系统( h y b r i de n e r g ys t o r a g e s y s t e m ，h e s s ) 来缓解风电功率的波动，从而满足其在两个时间尺度上的指标。 锂电池负责平抑输出功率中的低频波动，超级电容负责平抑高频部分。这样的组 合既可以发挥超级电容时间响应快，使用寿命长，瞬时功率大等优势，又由锂电 池弥补了储能容量不足的缺陷，有效的改善风电质量。文献 2 7 】 2 9 讲述的都是 蓄电池和超级电容相结合的混合储能系统，按照相应标准实现两者功率的合理分 配，在有效抑制风电功率波动的同时延长设备寿命，减少设备容量。 多类型储能系统还处在研究的初期，要能够快速有效的控制风电输出功率， 还需要有相应的控制方法。文献 3 0 l 基于变时间常数滤波的风电功率波动平抑控 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 制，通过对一阶低通滤波时间常数的实时优化，控制风电与储能合成总功率最大 爬坡率满足每分钟和每3 0 分钟两个时间尺度的指标。同时加入能量反馈控制， 在满足控制目标的同时减少储能容量的使用。文献【3 1 】提出了基于小波分解与 m a c 预测控制相结合的功率平滑控制策略，在有效平抑风电功率波动的同时， 尽可能的减少了设备规模，降低了成本。文献 3 2 】提出基于小波包分解的混合储 能技术平抑风电场输出功率波动的方法，将原始的功率信号分解成各种频率的子 信号，对不同的频率采用不同的储能设备进行平抑。还有的方法是基于神经网络、 模式识别或小波一神经网络等方法，预测风速和风电功率，优化平抑目标，再根 据混合储能系统各个模块的特性合理分配功率，达到抑制风电功率波动的目的 f 3 3 】【3 5 】 1 2 5 面向储能平抑的p s o 算法简介 粒子群优化算法( 简称p s o 算法) 是近年来发展起来的一种新的进化算法 ( ( e v o l u t i o n a r y a l g o r i t h m e a ) 。p s o 算法属于进化算法的一种，和遗传算法相 似，它也是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，它也是通过适应度来评价解的 品质，但它比遗传算法规则更为简单，它没有遗传算法的“交叉”( c r o s s o v e r ) 和“变 异”( m u t a t i o n ) 操作，它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算 法以其实现容易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视，并且在解决实际 问题中展示了其优越性。 本文中多处用到了p s o 算法来解决实际问题，如计算最优的平抑目标功率， 基于预测风电功率的混合储能系统功率分配以及基于低通滤波的混合储能系统 功率。所以在这一节中介绍一下p s o 算法的原理及算法流程，下面章节中用到 该算法的地方还会结合实际问题具体展开。 首先介绍一下p s o 算法的原理。1 9 9 5 年，j k