風能發(fā)電具有隨機性、間歇性和不確定性等特點，在大規(guī)模風電并網(wǎng)中嚴重影響電力系統(tǒng)的安全運行。利用蓄電池和超級電容組成混合儲能系統(tǒng)，可提高風電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。根據(jù)兩種儲能設備的出力需求，以其荷電狀態(tài)、充放電功率等為約束條件，設計混合儲能系統(tǒng)能量管理協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率相互流動。

? DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.181729 ?

研究背景

風電在我國發(fā)展迅速，由于風能資源和負荷分布不均衡，致使風電大容量遠距離外送成為必要。然而，風電的間歇性、波動性，尤其是與負荷之間的“反調(diào)峰”，成為風電規(guī)模化發(fā)展和高效利用的主要障礙。提高電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高風電外送能力，是一個重要選擇，但面臨著投資大、建設周期長、占用土地資源等問題。而通過儲能或可調(diào)負荷的功率調(diào)節(jié)作用，將間歇性、波動性的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的、平穩(wěn)的能源輸出，提高風電的品質(zhì)，則更為高效可行。

論文方法及創(chuàng)新點

風電輸出功率信號是一種非線性、非平穩(wěn)性信號，傳統(tǒng)頻域方法分解局限性較大，而采用改進的集合經(jīng)驗模態(tài)分解（EnsembleEMD, EEMD）方法，將風電場輸出功率信號根據(jù)不同時間尺度特征，分解成一系列準單分量信號，并設計時空濾波器得到平滑目標并網(wǎng)功率。風電儲能復合濾波結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 風電儲能復合濾波結(jié)構(gòu)

根據(jù)蓄電池和超級電容的出力需求，結(jié)合儲能設備荷電狀態(tài)（SOC）、充放電功率等約束條件，提出混合儲能系統(tǒng)能量管理協(xié)調(diào)控制算法，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)內(nèi)部功率相互流動。儲能系統(tǒng)仿真模型如下：

圖2 儲能系統(tǒng)仿真模型

為了驗證本文所提控制策略的有效性，在Matlab/Simulink 中搭建仿真模型，利用某風電場實測數(shù)據(jù)進行仿真驗證，并與傳統(tǒng)低通濾波算法和基于儲能設備充、放電響應時間進行功率分配方法（以下稱傳統(tǒng)方法）進行比較分析，最后得出結(jié)論。圖3 為兩種不同方法得到的目標并網(wǎng)功率。

圖3 目標并網(wǎng)功率

在傳統(tǒng)低通濾波方法與EEMD方法獲得的風電并網(wǎng)功率均滿足國家風電并網(wǎng)標準條件下，低通濾波方法得到的并網(wǎng)功率曲線存在延遲，主要表現(xiàn)在采用低通濾波方法得到的平抑曲線在圖中0時刻開始功率是從零開始的，然后逐漸上升，在仿真中延遲時間大概為40-50 s之間，進而得到平滑的并網(wǎng)功率。

圖4 為采用兩種不同方法得到的儲能設備輸出功率曲線。圖4（a）按照蓄電池和超級電容的頻率特性進行功率分配；圖4（b）根據(jù)蓄電池和超級電容的出力需求進行儲能設備間協(xié)調(diào)控制，兩種儲能設備按照各自的性能特點進行能量存儲，且蓄電池承擔了大部分儲能工作，符合其作為能量型器件的特征。

圖4 儲能設備輸出功率

表1為兩種控制策略下儲能設備充、放電次數(shù)和儲能容量對比。分析數(shù)據(jù)可知，能量管理協(xié)調(diào)控制策略下，蓄電池和超級電容充放電次數(shù)和容量均少于傳統(tǒng)控制策略，由此可有效延長儲能設備的使用壽命，同時縮減儲能設備數(shù)量規(guī)模。

表1 能量管理協(xié)調(diào)控制方法與傳統(tǒng)方法對比指標

結(jié)論

文章針對風電儲能混合系統(tǒng)，采用集合經(jīng)驗模態(tài)分解（EEMD）風電場有功功率獲得目標并網(wǎng)功率，與低通濾波算法、小波包分解、EMD 分解相比，具有自適應、直觀等優(yōu)點，可避免傳統(tǒng)濾波器時間常數(shù)難以精準確定和小波包基函數(shù)選取的局限性，同時可以削弱EMD 分解產(chǎn)生模態(tài)混疊效應。同時提出一種混合儲能系統(tǒng)能量管理協(xié)調(diào)控制策略，該策略可實現(xiàn)能量協(xié)調(diào)流動于兩種儲能設備之間，提高整個儲能系統(tǒng)的響應時間，能更好地發(fā)揮不同儲能設備的優(yōu)勢。最后通過仿真實驗驗證了所提控制策略的有效性。

引用本文

付菊霞, 陳潔, 滕揚新, 鄧浩, 孫澤倫. 基于集合經(jīng)驗模態(tài)分解的風電混合儲能系統(tǒng)能量管理協(xié)調(diào)控制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(10): 2038-2046.Fu Juxia, Chen Jie, Teng Yangxin, Deng Hao, Sun Zelun. Energy Management Coordination Control Strategy for Wind Power Hybrid Energy Storage System Based on EEMD. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2038-2046.

團隊介紹

付菊霞

碩士研究生，研究方向包括清潔能源發(fā)電、儲能技術等。參與國家自然科學基金項目（風電氫能系統(tǒng)的耦合機制與方法研究）和新疆維吾爾自治區(qū)高校科研重點項目，以及新疆大學橫向科研項目（基于提高運檢效率的智能化運維關鍵技術研究與應用項目）等。

陳潔

1975年出生，新疆大學電氣工程學院教授，碩士生導師，新疆大學能源與動力工程系主任。主要研究方向為智能新型材料在機電領域中的應用、新能源儲能技術。主持國家自然科學青年基金 1 項，國家自然科學地區(qū)基金 1 項，廳局級科研項目 1 項，校級科研項目 2 項；參與多項科研項目。第一作者及通訊作者發(fā)表 EI 及核心論文 20 篇，其中 EI7 篇，獲發(fā)明專利授權(quán) 4 項，軟件著作權(quán) 1 項。獲自治區(qū)科技進步三等獎 1 項,獲新疆大學光華獎學金，新疆大學青年科研獎。獲自治區(qū)教學能手，自治區(qū)青年教師教學競賽三等獎，新疆大學青年教師教學優(yōu)秀獎，新疆大學教師教學競賽一等獎。