计及调频备用的储能平抑风电功率波动控制策略_武鸿鑫.pdf

第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology计及调频备用的储能平抑风电功率波动控制策略武鸿鑫1，李爱魁1，董存2，孙树敏3，李广磊3，王士柏3（1大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连 116024；2国家电力调度控制中心，北京 100031；3国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）摘要：新能源场站配置储能系统可以平抑输出功率的波动、承担新能源机组调频义务。若储能仅考虑单一平抑波动工况时可能会造成风储联合系统调频有功备用不足。因此本文提出一种考虑调频有功备用与荷电状态恢复的平抑风电功率波动策略，首先利用聚类算法提取储能平抑波动典型工况，计算储能平抑波动功率需求和剩余有功功率；其次，结合国标对风电场有功备用相关标准，利用储能调频备用与风电减载联合提供有功备用，并对储能平抑波动功率设置限幅；最后，利用模糊控制理论设计储能系统边缘区荷电状态恢复策略。基于实际风电场运行数据进行仿真分析，结果表明所提出的方法可在储能系统平抑风电波动时提供有功备用以及边缘区荷电状态恢复。关键词：储能电站；平抑风电波动；调频备用；荷电状态恢复；模糊控制doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0700 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）04-1194-10Control strategy for wind power fluctuation stabilization with energy storage and frequency modulation reserveWU Hongxin1,LI Aikui1,DONG Cun2,SUN Shumin3,LI Guanglei3,WANG Shibo3(1College of Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China;2National Electric Power Dispatching and Control Center,Beijing 100031,China;3State Grid Shandong Electric Power Research Institute,Jinan 250003,Shandong,China)Abstract:An energy storage system equipped with a new energy station can smooth the fluctuation of output power and undertake the frequency regulation obligation of the new energy unit.Nevertheless,the energy storage may cause an insufficient active power reserve of the frequency modulation system if it considers only the single stabilizing fluctuation condition.Therefore,this paper proposes a strategy for wind power fluctuation stabilization considering frequent-modulated active power backup and state of charge restoration.First,a clustering algorithm was used to extract typical working conditions of energy storage fluctuation stabilization power.The energy storage required to smooth the fluctuation power demand and residual active power was calculated.Second,the energy storage frequency modulation reserve and wind power load reduction are used to provide active power reserve according to the national standard for active power reserve of wind farms,and the energy 储能系统与工程收稿日期：2022-11-28；修改稿日期：2023-01-09。基金项目：国家电网有限公司科技项目“配置储能的新能源场站并网调控关键技术研究及应用”（4000-202116062A-0-0-00）。第一作者：武鸿鑫（1999），男，硕士研究生，主要研究方向为电力储能技术，E-mail：；通讯作者：李爱魁，博士，研究员，主要研究方向为新能源及储能，E-mail：。引用本文：武鸿鑫,李爱魁,董存等.计及调频备用的储能平抑风电功率波动控制策略J.储能科学与技术,2023,12(4):1194-1203.Citation：WU Hongxin,LI Aikui,DONG Cun,et al.Control strategy for wind power fluctuation stabilization with energy storage and frequency modulation reserveJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1194-1203.第 4 期武鸿鑫等：计及调频备用的储能平抑风电功率波动控制策略storage to stabilize the fluctuation power limit is set.Finally,the fuzzy control theory is used to design the strategy for restoring the state of charge at the edge of the energy storage system.Based on the actual wind farm operation data,the simulation results show that the proposed method can provide active power backup and restore the state of charge in the edge zone when the energy storage system suppresses wind power fluctuation.Keywords:energy storage power station;smooth wind power fluctuations;frequency modulation standby;recover state of charge;fuzzy control新能源出力具有随机性、波动性和间歇性的特点，通过配置储能装置，可以平抑输出功率的波动，一定程度上将新能源电源转化为可调度的电源。储能单一执行平抑风电波动工况已有很多研究，平抑控制算法主要有：一阶滤波控制算法1-2、滑动平均控制算法3-4、小波分解5-6、模型预测控制7等方法。文献8提出小波包低通滤波算法的平滑控制策略，在满足并网标准的同时减少电池荷电状态变化和充放电次数；文献9以风电并网功率波动限值为约束，采用小波包分解理论对风电场原始输出功率进行多尺度分解，合理分配储能的功率和容量。上述文献仅考虑储能单一执行平抑风电功率工况，运行时仅以储能最大功率为约束，没有考虑风储联合有功调频备用，若储能执行平抑波动工况时电网频率越过死区，调频指令与平抑波动指令叠加可能会超过储能最大充放电功率。风储系统有功调频备用能力计算首先需要知道储能平抑风电波动所需功率与容量，文献10对混合储能系统平抑波动输出功率进行概率统计并对其进行正态分布拟合，得到不同置信水平下的平抑波动功率需求；文献11利用离散小波变换将预测的风电场输出波动功率按频率划分为高、中、低频，并针对不同频段的波动功率分配合理的储能系统额定容量和输出功率。由于风电场地理位置、气候条件、内部布局等因素都不尽相同，无法找出一种模型能够适用于所有风电场的功率预测12，并且大多预测算法无法达到分钟级时间尺度预测13，无法预测在未来某时段内风电分钟级波动情况。风功率波动平抑中储能系统易出现SOC(state of charge)偏高偏低状态，发生电池一致性问题，为使储能系统执行平抑波动工况时兼顾荷电状态调节，文献14根据风电功率波动量大小提出两种控制算法并灵活切换，在保证平滑风电功率波动的前提下使储能系统拥有较好的SOC水平；文献15结合风电并网波动标准提出平抑风电功率波动的自适应小波包分解方法，通过功率型储能SOC模糊优化控制二次修正能量型和功率型储能的功率指令，保持混合储能SOC工作在合理区间。上述文献在设计SOC恢复策略时，仅以风电波动率指标和储能系统最大充放电功率为约束设计SOC自恢复策略，若此时电网频率接近频率死区，过分修正储能充放电功率可能会使风电上网功率过多或不足，致使电网功率不平衡，造成电网频率扰动。综上，本文提出一种根据历史数据的储能平抑风电波动功率需求计算方法，在满足平抑波动需求上利用储能剩余功率以及风电减载功率提供调频备用，可以充分提升储能系统利用率，减小风电减载成本，计及风储调频备用与荷电状态恢复的储能平抑风电功率策略整体流程如下：首先利用GESD法对风电原始数据进行预处理，利用K-Medoids聚类算法对储能平抑波动曲线特征进行聚类；其次，利用聚类结果计算出平抑波动所需功率，对储能平抑波动功率设置限幅，利用储能调频备用与风电减载联合提供有功备用；最后，将储能SOC和电网频率作为模糊控制系统的输入量，设计储能系统SOC边缘区的荷电状态恢复策略。基于实际风电场运行数据进行仿真，结果表明所提出的方法可在储能系统平抑风电波动时为风储联合系统提供有功备用以及储能系统SOC边缘区的荷电状态恢复。1 基于聚类分析的储能平抑波动场景提取1.1风电原始数据预处理风电机组原始运行数据传输过程中会受到外界电磁干扰，使运行数据产生异常值。常见的异常值检测方法有四分位法、3准则、基于聚类分析的异常值检测16。本工作采用多极值点偏离算法GESD(generalized extreme studentized deviate)来检测风电异常值，此方法能够检测多极值点偏11952023 年第 12 卷储能科学与技术离，并且在总体参数期望与方差未知情况下检验极值是否为异常数据，GESD法计算步骤如下：首先，利用均值x与标准差s计算第i个极端学生化差，计算式为：Gi=max|xi-xs(1)其次，轮流监测极端学生化差，若满足式(2)时剔除该异常值Gi(N-i)tp，n-i-1|N-i-1+()tp，n-i-12(n-i+1)(2)式中，tp,n-i-1是自由度为(n-i+1)且置信区间为p=1-/2(n-i+1)的t分布函数的临界值；为显著性水平，在此选取0.05。对数据异常值识别后需要对数据集进行补全，本工作采用无需插值点导数值的三次样条插值方式来对异常数据点进行修复以及对缺失值的补全，插值函数如下：s(x)=ax3+bx2+cx+d(3)1.2储能平抑波动控制策略风储系统的平抑波动控制策略是整个系统的核心，一阶滤波控制算法是目前应用最广泛的控制算法，风电功率经过一