风电功率波动平抑效能与储能容量之间关系的分析研究

量不能为负，因此若
min
k =1Kn
Ek
<0，那么实际的
E0
应
等于︱
min
k =1Kn
Ek
︱。
另外随着 τ 值的增大，即 λ 值减小，Y0 的取值 对平抑风电功率波动所需的储能容量产生一定的
影响，下面对此做详细分析：
根据(4)式，用迭代的方法表示 Yk 得，
Yk = λ X k + (1 − λ)(λ X k −1 + (1 − λ)Yk −2 )
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
τY '+ Y = X
(1)
式中 X 是输入量，Y 是输出量，Y’是 Y 的微分， 滤波时间常数 τ 是滤波时间常数。
其幅频特性如图 2 所示：
图 2 低通滤波器幅频特性曲线
图 2 中 fc 为低通滤波器的截止频率，fc=1/2πτ， 低通滤波器的通频带为 0—fc，fc—∞为阻带。从幅 频特性看，对同样振幅的输入信号，频率越高，输
= 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。
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
YU Hang,ZHANG Zhenqing,YUAN Tianfen,HUANG Yanfeng (Northeast Dianli University,Jilin 132012,JilinProvince,China) abstract: This paper takes the relationships between the efficiency of stabilizing wind power fluctuations and capacity of storage system as research objectives while proposing the methods of stabilizing wind power fluctuations and the algorithms of calculating the storage system capacity based on the principles of low-pass filter.Then simulating the process of stabilizing power fluctuations based on the output power data. The simulation results show that stabilizing the short-tem fluctuations in minutes level could reduce the change rate of wind farm output power and the needed storage capacity is smaller, while stabilizing the mid-tem or long-tem fluctuations in hours level could make the waves of output power more stably but the increase amplitude of the needed storage capacity is larger.
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@tom.com． 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@qq.com． 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@qq.com．
keywordFra Baidu bibliotek：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。
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。
0
-10 0
50
100
150
200
250
300
采 样 点 数 (1d/5min)
图 3 τ=10min 时，Pw、Pout 和 Pb 变化曲线
所需储能容量 W=6.4997MWh，平抑后输出功 率 10min 最大变化率 8.3693MW/10min。
当时，τ=1h 仿真结果如下图所示：
50
Pw
40
应用前述储能平抑方法对某额定容量为 50MW 风电场一天的典型功率波动进行平抑，平抑 控制周期 t=5min，风电场输出功率未经平抑状态下 的 10min 最大变化率[2]为 21.7000MW/10min。
当时，τ=10min 仿真结果如下图所示：
50
Pw
Pout
40
Pb
30
功率幅值(MW)
20
10
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。
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。
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，
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。
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。
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：
=
Xk
(2)
解 Yk 得，
Yk
=
τ
τ +
t
Yk
−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
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
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：
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
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。
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：
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]。