探究計及風電與儲能的混合能源系統管理策略

鄭文進 胡 斌

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 2.杭州鴻晟電力設計咨詢有限公司）

0 引言

計及風電與儲能的混合能源系統管理的研究，是提高含風電場微電網穩定性的重要基礎。隨著新能源技術的創新升級，風能應用率明顯提高。但是在風能應用期間，其隨機性特點明顯，因此會影響到微電網運行的穩定性。儲能系統的加入，有效改善了計及風電運行下的隨機性，緩解輸出功率曲線的過度波動?；旌夏茉聪到y的打造，對微電網削峰填谷的實現提供了助力，并且能提高微電網的儲能充電能力，在降低發電功率波動的基礎上，改善微電網發電功率過度消耗的問題，降低微電網運行成本，提高微電網系統運行的可靠性和安全性，延長其使用壽命。

1 混合能源系統的長時間持續運行優化

1.1 運行調度模型

計及風電與儲能的混合能源系統管理的研究，必須以計及風電與儲能混合能源系統為載體，以明確時間尺度為基本前提，探索提高混合能源運行系統穩定性的有效方法，并積極優化微電網能量。長時間尺度下運行調度模型的構建，應結合微電網運行實際情況，分別從三個時間段進行運行調度，即峰、平、谷［1］。時間段以及混合能源系統運行區間的不同，會導致能量優化策略存在明顯差別。對混合能源系統運行調度模型目標函數的優化，需要能源的加持，以充放電函數為切入點，時刻監測系統運行的荷電狀態，靈活調整以保持系統穩定性。根據對計及風電與儲能混合能源運行系統的研究，深層次分析微電網經濟效益。

根據微電網混合能源系統結構及峰谷特性，構建聯合運行調度模型，以每日24h為周期，將其分為峰、平、谷時段進行實時監測，觀察微電網儲能變化與荷電容量，并靈活調整能量策略，以此達到儲能合理分配與充放電功率穩定的目的。以下對計及風電與儲能的混合能源系統調度模型優勢進行了分析。

通過混合能源系統調度模型，對谷時段微電網系統運行狀態進行實時了解，提高對多余電能的利用與儲備率。對峰時段微電網外部售電與蓄電池放電情況進行精準控制，為削峰填谷的實現創造有利條件。不僅如此，還要有效減少系統運行的能源消耗，科學降低成本，提高計及風電與儲能混合能源系統應用的經濟性［2］。

調度模型的構建可為混合儲能系統相關函數設計奠定基礎，尤其是充放電函數，借此科學調整荷電狀態和不理想情況下的充放電功率，延長蓄電池使用壽命，保證蓄電池儲存電量充足［3］。與此同時，為混合儲能系統提供緊急功率支撐功能，從而有效提高混合儲能系統的運行可靠性。

圖 計及風電與儲能混合能源運行調度模型示意圖

在調度模型構建中，設定風電場運行功率始終處于最大點，并且能量優化必須以儲能系統為主?；旌夏茉聪到y調度設計模型如圖所示，通過圖可對混合能源調度流程有更清晰地了解。圖中當前調度時段設定為t；求余運算符設定為%；蓄電池荷電狀態及允許下限分別為Sbat、Smin；混合能源系統調度全天總時段設定為nT。根據以上參數設定，對混合能源系統蓄電池狀態進行掌握，并保證峰時段放電余量充足，谷時段放電余量合理消耗，借助風電出力的增減控制，對混合能源系統功率進行科學調整，保證其始終處于穩定輸出狀態。

參考目前國家電網運行要求及調度周期，要求間隔時間以15min為準。借助調度模型，對調度周期所消耗的風電出力情況、負荷需求量等進行預測，實時監測混合能源系統的蓄電池能耗情況、荷電狀態，隨時對運行調度策略進行調整。在此基礎上，保持蓄電池充放電功率的穩定性，對外部電網安全性與能耗進行有效控制，準確計算混合能源系統的交換功率。根據系統所處時段不同，對蓄電池功能進行靈活調整，如在谷時段期間，蓄電池以充電狀態為主；平時段期間，蓄電池以充放電兼顧功能為主；峰時段期間，蓄電池以放電功能為主。需注意，峰時段蓄電池雖然以放電為主，但是必須控制在混合系統能源荷電狀態的允許值之內。

1.2 系統能量優化

以計及風電與儲能的混合能源系統運行模型為載體，風電儲能混合能源系統最大運行收益為目標，全天24h為條件構建與之匹配的目標函數，具體如下：

式中，F為混合能源系統的收益函數；k為系統模型的調度周期，其取值范圍為1～96；γk為以k周期為準的混合能源系統電網價格；分別為以k周期為準的混合能源系統模型中蓄電池充、放電功率；、分別為以k周期為準的混合能源系統蓄電池充、放電狀態；pk為以k周期為準的混合能源系統蓄電池充放電功率，其數值為正代表充電，數值為負代表放電；CF（pk）為蓄電池運行成本；COM（pk）為蓄電池充放電罰函數；βbat（k）為蓄電池荷電百分數與混合能源系統中荷電理想范圍的差值，其具體表達式如下：

其中，b1～b5為蓄電池充放電罰函數定值參數；pref為恒定功率。

隨著進入峰時段，蓄電池逐漸增加放電量，在此過程中sbat（k）明顯減少，βbat（k）隨之變大。如此一來，蓄電池荷電狀態出現波動，并適當調整放電功率。進入谷時段后，蓄電池充電情況同樣如此。在峰時段蓄電池荷電狀態并未達到允許下限的情況下，系統對蓄電池的充電借助恒定功率pref完成［4］。

2 混合能源系統的短時間運行波動優化

2.1 構建功率運行波動模型

計及風電與儲能的混合能源系統的短時間功率運行波動模型構建，主要目的是對風電出力穩定性進行調整，并科學抑制波動。既可以協調風電儲能混合能源系統蓄電池與超級電容的關系，又可以構建微電網功率波動模型，實時對混合能源系統進行調節，設定合理的低通濾波時間，在此基礎上，科學完成模型輸入操作，繼而達到改善功率波動的目的［5］。實時觀察混合系統荷電狀態，若其余量并未超出合理區間，則必須對風電變化率波動進行預防，適當對低通濾波時間系數τ（t）進行調整，從而達到對t時段波動的抑制。t時段目標功率設定及混合系統穩定抑制要求Pobj（t）、模型構建中混合系統平抑控制的相關功率Phess（t）及變濾波系數λ（t）的公式分別如下：

式中，Pwind（t）為t時段風電出力；Δt為調度周期時間長度；τ（t）為混合能源系統低通濾波時間系數，其具體表達式如下：

式中，Ebat、Esc分別為蓄電池荷電容量、混合能源系統超級電容荷電容量；Ebat＿max、Ebat＿min分別為蓄電池荷電容量的上限及下限；Esc＿max、Esc＿min分別為超級電容荷電容量的上限與下限；a1、a2為混合系統變濾波比例系數。

風電目標功率與比例系數有直接關系，比例系數小，則功率變化穩定，比例系數大，則功率變化波動大，整體抑制效果受到影響，混合能源系統容量利用率下降。根據功率運行波動模型的模擬研究及調試，得到最佳比例系數，為0.3。

2.2 混合系統功率的模糊控制優化處理

混合能源系統中的蓄電池、超級電容器的運行狀態及能量消耗等，可以模糊控制為載體，根據系統運行實況優化分配，尤其是混合系統運行功率Phess（t）。優化分配的主要目的是協助混合能源系統對蓄電池余量進行有效控制，并可以對風電并網波動進行控制，延長蓄電池使用壽命?；旌舷到y功率模糊控制設定為t時刻超級電容模式，即dsc（t）。在輸入函數x1（t）中帶入dsc（t），隨后得到混合系統運行期間的荷電偏差量dbat（t），將其輸入模糊控制函數x2（t）中。在已知蓄電池初始荷電Sbat0的基礎上，對x1（t）、x2（t）進行計算，公式如下：

隨后在Phess（t）≥0的規定條件下，得到模糊控制隸屬函數。此外為對混合能源系統蓄電池及系統電容充放電功率進行有效控制，結合Psc（t）、Pbat（t）均設定為t時刻的條件，去控制系統風電出力波動，并尋找協同平抑的方法。具體計算公式如下：

結合上述得到的模糊控制隸屬函數，實時應用模糊控制算法，根據輸入情況得到實時修正系數，即η（t），借此得到超級電容充放電功率與蓄電池充放電功率，具體計算如下：

結合上述計算結果，適當約束混合系統充放電功率。通過混合能源系統模糊控制相關函數值發現，超級電容功率與功率波動控制有直接關系，并且容量越限與功率平抑存在必然聯系。系統中的剩余功率與出力均由蓄電池控制，若不能保證蓄電池功率運行需求，便會導致系統運行不平穩現象。

3 混合能源系統模擬仿真

對計及風電與儲能的混合能源系統進行模擬仿真。以MATLAB／Simulink軟件進行建模，并輸入計及風電與儲能的混合能源相關數據。隨后根據現實環境參數，針對系統中的風速、負荷功率進行調整測試，從而得到能量管理策略的制定依據參數，并為混合能源系統管理做好準備工作。觀察混合能源系統模型運行數值變化，發現在未調整的情況下，風力發電波動明顯，并且系統運行及功率穩定性不理想。針對這種情況，根據系統運行負荷功率需求，嚴格控制風電功率，并明確功率期望值。在此基礎上，協調負載功率、系統功率之間的需求，在保證能量平衡的條件下，對系統運行功率波動進行有效控制。不僅如此，還能夠對系統異常情況瞬時響應，既可以有效規避功率振蕩，又可以保證計及風電與儲能的混合能源系統管理質量。

4 結束語

綜上所述，通過對計及風電與儲能的混合能源系統管理的研究，對這種混合能源系統有更準確的認識。作為新能源利用的代表，混合能源系統的穩定性始終是關注的焦點。從長時間持續運行角度對計及風電與儲能的混合能源系統進行優化，積極構建混合能源運行調度模型，并總結能量優化的策略。從計及風電與儲能的混合能源系統短時間運行波動控制角度，構建功率運行波動模型，并總結混合能源系統功率的模糊控制優化處理策略。結合模型的構建及仿真運行，發現混合能源運行調度模型與功率運行波動模型的構建及優化措施對穩定性管理效果明顯，對計及風電與儲能的混合能源系統管理水平提高有積極意義。