基于小波包分解的混合儲能技術(shù)在平抑風(fēng)電場功率波動中的應(yīng)用

韓曉娟，陳躍燕，張浩，陳芳

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京市昌平區(qū)102206)

　　摘要：在充分分析風(fēng)電功率幅頻特性的基礎(chǔ)上，提出基于小波包分解的混合儲能技術(shù)平抑風(fēng)電場輸出功率波動的方法。采用小波包分解理論對風(fēng)電場輸出功率信號進(jìn)行多尺度分解，得到反映并網(wǎng)功率信號的低頻信號和接入儲能系統(tǒng)的高頻信號；根據(jù)不同類型儲能系統(tǒng)的特點(diǎn)，將高頻信號再次進(jìn)行劃分，分別選擇與其頻率范圍適應(yīng)的電池和超級電容器儲能設(shè)備，建立了基于混合儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場輸出功率平滑控制模型；與單類型電池儲能系統(tǒng)功率平滑效果進(jìn)行了對比。仿真實(shí)例表明：該方法能夠有效地抑制風(fēng)電場輸出功率的波動，提高儲能電池的使用壽命，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

　　0引言

　　由于氣候與地理環(huán)境等因素的影響，風(fēng)能具有出力間歇性與隨機(jī)性[1]的特點(diǎn)，風(fēng)電場輸出功率直接并入電網(wǎng)將對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、電網(wǎng)頻率、電能質(zhì)量、發(fā)電計(jì)劃和調(diào)度等方面產(chǎn)生較大的影響[2-5]，從而嚴(yán)重制約了風(fēng)能的利用及風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展。因此，如何有效平抑風(fēng)電場輸出功率波動問題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者做出了積極的研究，主要集中在兩種方式。第1種是通過調(diào)節(jié)槳距角[6]和改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速[7]來調(diào)整風(fēng)機(jī)輸出功率以實(shí)現(xiàn)單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率平滑的目的，然而風(fēng)電場各機(jī)組之間的輸出功率有可能互補(bǔ)，同時(shí)也有可能相互疊加，從而導(dǎo)致風(fēng)電場總的輸出功率存在較大波動，在一定程度上降低了風(fēng)能的有效利用率[8]。另一種則是考慮風(fēng)電場的整體輸出功率，在風(fēng)電場出口并網(wǎng)母線位置配備儲能系統(tǒng)[9-10]，利用儲能系統(tǒng)的吞吐能力起到平抑風(fēng)電功率波動的作用，即當(dāng)風(fēng)電出力驟升時(shí)，儲能裝置吸收功率，反之則輸出功率。

　　儲能系統(tǒng)多種多樣，各自具有不同的特點(diǎn)，而且在功率平滑方面也得到了不同程度的應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]提出基于低通濾波原理平抑風(fēng)電功率中指定頻率分量為目標(biāo)，研究了儲能系統(tǒng)用于平抑風(fēng)電功率波動控制的有效性，但該方法缺少對儲能系統(tǒng)的約束條件，尤其是低通濾波器的時(shí)間常數(shù)選擇將直接影響風(fēng)電功率的平滑效果及儲能容量的配置。文獻(xiàn)[12]提出了基于風(fēng)電場功率短期預(yù)測技術(shù)的全釩電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略以平抑風(fēng)電場輸出功率的波動，但該方法增加了電池的循環(huán)次數(shù)，不利于電池的使用壽命。文獻(xiàn)[13]在計(jì)及電池壽命的基礎(chǔ)上，采用基于電池荷電狀態(tài)的可變?yōu)V波時(shí)間常數(shù)的儲能控制方法，但該方法沒有考慮當(dāng)前風(fēng)電功率波動的強(qiáng)弱作為濾波時(shí)間常數(shù)的約束條件之一，間接地影響了電池的充放電次數(shù)。文獻(xiàn)[14-16]利用蓄電池和超級電容器混合儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電場輸出功率的波動，按照相應(yīng)準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)電池和超級電容器之間的功率分配，在有效抑制風(fēng)電場輸出功率波動的同時(shí)延長電池的使用壽命。

　　綜上所述，將不同類型儲能系統(tǒng)進(jìn)行組合以達(dá)到優(yōu)勢結(jié)合、缺陷互補(bǔ)的混合儲能系統(tǒng)能夠更加有效地平抑風(fēng)電場輸出功率的波動。本文在分析風(fēng)電場輸出功率幅頻特性的基礎(chǔ)上，提出一種基于小波包分解理論的混合儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電場輸出功率波動的方法。首先對風(fēng)電場輸出功率信號進(jìn)行多尺度小波包分解，得到反映并網(wǎng)功率信號的低頻信號和接入儲能系統(tǒng)的高頻信號；然后選擇蓄電池和超級電容器作為儲能設(shè)備，根據(jù)其各自的不同特點(diǎn)[17]，將高頻信號再次進(jìn)行劃分，分別選擇與其頻率范圍適應(yīng)的儲能方式以組成混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電場輸出功率的平滑。最后，通過現(xiàn)場采集到的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性，為儲能電池和超級電容器兩種儲能介質(zhì)間能量分配提供了一定的理論依據(jù)。

　　1基于小波包分解理論的混合儲能功率平滑方法

　　1.1風(fēng)電功率信號的頻譜分析

　　采用某99MW風(fēng)電場2010年全年實(shí)際輸出功率數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為1min，直接調(diào)用Matlab工具箱中的FFT函數(shù)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換得到幅頻特性曲線，如圖1所示。

　　由圖1可知，風(fēng)電場輸出功率的能量主要集中在低頻部分(0~10−4Hz)，其高頻部分能量較低。這與風(fēng)速特性相吻合，高頻變化的風(fēng)速幅值很小，而低頻變化風(fēng)速幅值較大，因此將低頻功率信號作為風(fēng)電并網(wǎng)的期望功率值，高頻功率信號則由儲能系統(tǒng)進(jìn)行平滑，即可在滿足并網(wǎng)功率平滑的同時(shí)，又兼顧對儲能系統(tǒng)性能的影響。因此，本文采用小波包分解方法將風(fēng)電場輸出功率信號分解成高頻信號和低頻信號。

　　1.2風(fēng)電功率信號的小波包分解

　　小波分析非常適用于對非平穩(wěn)突變信號的處理，而對于漸變信號，小波包具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。小波包分解是在小波變換的基礎(chǔ)上產(chǎn)生并發(fā)展起來的。對比來說，小波包分解是一種更精細(xì)的分解方法，它不僅對信號的低頻部分進(jìn)行分解，還對高頻部分也進(jìn)行了分解，有助于了解到信號更加細(xì)節(jié)處的特征，從而提高了時(shí)頻分辨率。三層小波包分解的示意圖如圖2所示，圖中S是原始風(fēng)電功率信號。

　　由圖3可知，低頻部分為原始功率曲線的主導(dǎo)部分，其幅值與原始功率信號相近，可以對原始功率信號的概貌進(jìn)行描述，高頻部分則能量較小，且在零值附近上下波動，幅值明顯小于低頻部分，因此，將低頻信號作為并網(wǎng)功率參考值，采用小波包分解濾波方式得到風(fēng)電功率平滑曲線如圖4所示。

　　由圖4可知，經(jīng)小波包分解濾波后得到的風(fēng)電功率曲線波動大幅降低，可以快速地跟蹤儲能系統(tǒng)的輸入目標(biāo)值，獲得更平滑的輸出功率，不存在滯后現(xiàn)象。由于經(jīng)小波包分解后接入儲能系統(tǒng)的信號僅為高頻信號，其幅值小且在零值附近上下波動。但是由圖3中次高頻和最高頻部分可知，雖然其都是圍繞零值上下波動的隨機(jī)信號，但是其幅值大小具有明顯差別，數(shù)量級差別達(dá)到103。根據(jù)高頻信號的這一特點(diǎn)及蓄電池的響應(yīng)速度可知：如果采用單一的蓄電池儲能方式吸收其高頻部分，不僅無法實(shí)現(xiàn)小波包分解功率平衡的需求，而且頻繁的充放電動作將會對儲能電池的壽命造成很大的影響。因而，對高頻信號中次高頻及最高頻部分分別選用不同的儲能方式來平抑風(fēng)電場輸出功率的波動。

　　1.3基于混合儲能技術(shù)的風(fēng)電場輸出功率平滑控制

　　風(fēng)電場輸出功率信號通過小波包分解得到的低頻信號由于其能量高變化慢起主導(dǎo)作用，將之作為期望的并網(wǎng)功率值，而高頻信號能量低變化快，則由儲能系統(tǒng)進(jìn)行吸收以達(dá)到平滑功率輸出的目的。考慮到儲能電池具有能量密度高和功率密度、循環(huán)使用壽命低等特點(diǎn)，將次高頻信號由電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行平滑；而超級電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命高和能量密度低等特點(diǎn)，將未被電池儲能系統(tǒng)平滑掉的功率信號及其它高頻信號送往超級電容器進(jìn)行快速濾波處理。根據(jù)這一思想，按照文獻(xiàn)[19]選擇電池響應(yīng)時(shí)間為1h，其響應(yīng)頻率為2.78×10−4Hz，與經(jīng)小波包分解后得到的S8,1—S8,4次高頻信號響應(yīng)頻率幾乎一致，因此選擇電池儲能系統(tǒng)吸收該段頻率信號；剩余的高頻信號S8,5—S8,255及未被電池吸收部分均由超級電容器吸收，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電功率平滑的目的，其功率平滑控制框圖如圖5所示。

　　由圖5可知，當(dāng)風(fēng)電場實(shí)際有功功率G(s)大于小波包分解給出的預(yù)期功率X(s)時(shí)，對電池儲能系統(tǒng)和超級電容器發(fā)送充電指令；當(dāng)風(fēng)電場實(shí)際有功功率G(s)小于小波包分解給出的預(yù)期功率X(s)時(shí)，對電池儲能系統(tǒng)和超級電容器發(fā)送放電指令。

　　在充放電過程中，由于電池慣性大并且響應(yīng)速度慢，電池的實(shí)際輸出H0(s)并不完全等于目標(biāo)值Y0(s)，電池儲能系統(tǒng)只對次高頻部分進(jìn)行了吸收，而剩余的最高頻部分及未由電池儲能系統(tǒng)吸收的部分則由超級電容器完成吸收。當(dāng)電池輸出與超級電容器輸出H0(s)+H1(s)=Y0(s)時(shí)，實(shí)際的并網(wǎng)功率C(s)等于預(yù)期的并網(wǎng)功率X(s)，功率平滑過程結(jié)束。

　　2小波包分解在混合儲能平抑風(fēng)電功率波動中的應(yīng)用

　　2.1兩種儲能方式下的功率平滑效果對比

　　根據(jù)1.1節(jié)中給出的風(fēng)電場全年輸出功率數(shù)據(jù)，分別采用單類型電池儲能和電池與超級電容混合儲能兩種儲能方式對經(jīng)小波包分解后的高頻信號進(jìn)行吸收，其功率平滑曲線如圖6所示。

　　由圖6可以看出，通過混合儲能方式對高頻信號進(jìn)行吸收可以得到更加平滑的輸出曲線，且對目標(biāo)功率跟蹤較好，曲線幾乎重合，而使用單類型電池儲能得到的平滑效果則不是很理想，曲線毛刺較多，效果較差(如圖6中放大部分)。為了進(jìn)一步比較單類型電池儲能及混合儲能的平滑效果，圖7給出了在兩種儲能方式下輸出功率與目標(biāo)功率的誤差曲線。

　　由圖7可知，在給定相同的目標(biāo)功率值情況下，經(jīng)單類型電池儲能系統(tǒng)吸收后，其輸出功率與目標(biāo)功率的差值在±5MW之間波動；而經(jīng)混合儲能系統(tǒng)吸收后，其輸出功率與目標(biāo)功率的差值則在±10kW之間波動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單類型電池儲能系統(tǒng)。

　　根據(jù)文獻(xiàn)[20]給出的儲能容量計(jì)算公式得到在兩種儲能方式下50h內(nèi)所需配置的最大儲能容量為21.21MW⋅h，考慮到電池的使用壽命及20%的裕度，擬配置25MW⋅h。由上文可知，輸入到電池的信號為次高頻部分，剩余高頻部分輸入到超級電容器中，對濾波能量進(jìn)行頻譜分析，得到次高頻部分與高頻部分的能量比為623:2，依據(jù)該能量比配置電池儲能系統(tǒng)容量為24.92MW⋅h，超級電容器容量為0.08MW⋅h，其儲能容量變化曲線如圖8所示。

　　由圖8可知，在對高頻信號進(jìn)行吸收的過程中，單類型電池儲能及混合儲能的儲能容量變化幾乎一致，因此在配置相同儲能容量的前提下使用混合儲能可以實(shí)現(xiàn)更加理想的平滑效果。

　　2.2混合儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)

　　儲能裝置荷電狀態(tài)(stateofcharge，SOC)指儲能裝置中剩余電荷量占總?cè)萘康谋戎担侵贫▋δ苎b置控制策略的重要依據(jù)，也是衡量電池是否工作在正常范圍內(nèi)的重要參考值。以儲能電池為例，SOC的計(jì)算公式[21]如下：

　　由圖9可知，按照上述容量配置，風(fēng)電輸出功率經(jīng)小波包分解后，由超級電容器吸收功率波動的高頻成分，由電池吸收功率波動的低頻成分，通過觀察SOC可知，電池以及超級電容器均運(yùn)行于安全范圍內(nèi)，避免了過充過放。同時(shí)，通過超級電容器的SOC可以看出，由于其所吸收成分是在零均值附近上下隨機(jī)波動的經(jīng)小波包分解后的最高頻成分，其幅值能量小且變化迅速，所以SOC也呈現(xiàn)在零均值附近波動變化的特性。另外，由于超級電容器本身具有快充快放特性，所以快速的充放電變化對其壽命沒有影響，而且只需要配置容量較小的超級電容器即可在很大程度上改善儲能系統(tǒng)的輸出，提高儲能電池的使用壽命。

　　3結(jié)論

　　本文從頻域角度分析了風(fēng)電場輸出功率波動特性，提出了基于小波包分解的混合儲能平抑風(fēng)電功率波動方法，針對經(jīng)小波包分解后高頻信號所具有的特征，結(jié)合儲能電池與超級電容器的各自特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩種儲能方式間的能量分配，更好地平抑風(fēng)電功率波動對電網(wǎng)造成的影響。與單一類型的電池儲能系統(tǒng)進(jìn)行了比較，本文所提出的方法響應(yīng)速度快，經(jīng)過濾波后的輸出功率更加平滑、波動率更小，具有一定的優(yōu)越性。最后對某風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該方法的有效性，具有一定的工程應(yīng)用前景。

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