风储发电系统中储能装置控制策略研究

摘要

风能、太阳能等可再生能源具有低碳环保、绿色节能的优点，正在受到世界各国的重视。近年来，以风力发电为代表的绿色能源发电得到了迅猛发展，但在自然环境下，受风速不规律变化的影响，风力发电输出的功率一般具有较强的间歇性和随机性，大规模风电并网将会给电网带来诸多负面影响，严重制约了风电产业的发展。因此，研宄如何平抑风电功率波动，对电力系统的安全稳定运行以及风力发电的长久健康发展有着积极的意义。其中，利用储能系统能够有效减小风电输出功率波动率，提高风电场的并网容量。本文着眼于利用储能装置平抑风电输出功率波动，同时考虑到储能装置的保护问题，其主要研宄内容如下：
１．基于对风电功率波动特性的研宄，提出储能系统在风电场中的配置方案，分析了一阶低通滤波器平抑风电输出功率波动的原理，仿真论证了滤波器的时间常数与所需储能容量之间的关系。
２．针对定时间常数滤波法的不足，本文引入对不确定性问题具有很强处理能力的云模型控制算法，构建了一维云模型控制器，根据风电输出功率波动率的大小，实时 调整低通滤波器的时间常数，实现可变滤波算法。该方法在降低风电功率波动率的同时，也降低了储能系统的容量配置值。
３．基于风储联合发电系统，兼顾风电功率平抑效果和储能装置的保护问题，将二维云模型控制策略引入到储能系统的控制当中，通过构建储能电池双层保护机制，维持储能电池工作在安全范围内。第一层保护机制实时调节低通滤波器的滤波时间常数，在平抑风电机组功率波动的同时，减少了储能电池过度充放电的情况发生。考虑到滤波器的滞后效应，增设第二层电池保护机制，当储能电池荷电状态接近警戒值时，实时修正储能装置的功率参考值，有效避免了储能电池荷电状态越限现象的发生，达到延长电池使用寿命的目的。

关键词：风力发电；功率波动；储能系统；云模型控制器；双层保护机制
 

第１章绪论

 １．１课题的背景和研究意义
在过去的35年间，随着科学技术的不断进步，粮食、交通、通讯等问题得到了良好的解决，人们的生活质量得到了很大的改善，然而气候异常、环境污染、雾霾等现象愈演愈烈，成为人类亟需解决的问题，如果继续以常规化石能源的大量消耗为代价来换取经济增长，人类的可持续发展将沦为无稽之谈，因此，若要拥有新鲜的空气、干净的水资源、绿色的生活环境，我们必须提高清洁能源的利用率，用清洁能源拯救我们的生活，从真正意义上改善人类的居住环境。在今后很长时间内，太阳能、风能等清洁能源的大力开发将会受到世界各国的青睐。
风能取之不尽，用之不竭，是非常重要的可再生能源，对一些风能资源丰富的地区，尤其是海岛、山地和一些交通不便的偏远地区，充分利用风能发电，大有可为。风能的大力开发是实现绿色、低碳电力的重要保障，风力发电得到了越来越多的国家的重视。风能实际上是太阳能的一种转化形式，太阳能辐射到地球表面，造成地表温度差异，地表大气压力不均，在水平方向上，空气从压力高的地方向压力低的地方流：
动，从而形成了风。风能的蕴量巨大，全球的风能约有其中可利用的风能为２ｘ107ＭＷ，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿ｋＷ，其中，陆地上风能储量约2.53亿ｋＷ，海上可开发利用的风能储量约7.5亿ｋＷｔ。

目前，可再生能源发电正处于快速发展的阶段，其中风力发电和太阳能发电技术相对成熟、应用前景十分广阔。风电并网运行是实现风能大规模利用的有效方式，但是由于风速具有随机性和不可控性，使得风电的输出功率同时也具有很大的波动性。当电网中接入的风力机组容量达到一定的比例时，波动的风电功率将会对电网形成一定的冲击，引起电网频率的波动，进而增加电网调频、调压、运行调度等辅助服务负担，造成电网运行成本的增加，当功率波动超出电力系统调峰能力范围时，还将进一步导致电力系统频率越限，严重威胁电力系统的安全稳定运行。风电并网带来的一系列负面影响严重制约了风电的进一步健康发展，因此，采用一定的控制策略或补偿措施降低风电功率波动，提高风电并网容量，对风力发电的可持续发展具有十分重要的 意义。
在风电场中，配置储能装置是平抑风电功率波动的有效方式之一，通过储能装置和风力发电的协调控制，可以使注入电网的功率达到系统的运行要求。但如果配置的储能装置的容量过大，会使得储能成本过髙，研究如何在配置有限容量储能系统的情况下优化风电功率的输出，具有重要的理论意义和实际意义。