关键词：新能源;波动性;频谱分析;储能容量配置
引言
光伏输出功率取决于光照强度的变化，具有随机性和波动性。当配电网接入的光伏发电容量超过电网规定的接入比例，光伏功率波动将增加电网的调整负担，增加储能设备是目前较为理想的解决途径，可以平滑光伏功率波动，改善接入电网的光伏电能质量。但是目前储能设备的成本是必须要考虑的因素，因此研究如何优化确定储能设备的容量具有重要意义。文献提出了基于饱和控制理论优化储能设备容量的方法，建立了以最小化储能容量为优化目标，以总体收敛速度和稳定域为约束条件的优化模型，但这个理论忽视储能设备与间歇式新能源配合的问题。文献提出了基于低通滤波器原理优化储能设备容量的方法，但是该方法没有考虑储能设备的损耗，以及充放电水平，与实际有出入。
1储能容量配置频谱分析方法
1.1新能源样本数据输入
新能源出力样本数据以直接收集新能源电站历史出力数据为宜，也可结合光、风资源数据与光伏阵列、风机功率曲线进行线性拟合。由于傅里叶频谱分析频率最高仅能达到采样频率的一半，因此样本数据采样频率越高，则频谱分析范围越宽。如果历史或拟合出力数据的采样频率较高，能满足频谱分析约束，可直接作为样本数据输入;如果历史或拟合出力数据的采样频率较低，宜对出力数据进行线性插值以提高频谱分析精度。考虑到风电、光伏等新能源出力的强波动性，建议历史数据或预测出力数据的采集周期以1min、5min为宜，对应采样频率为1/60、1/300。
1.2新能源样本数据频谱分析
储能容量配置方法核心思想为频谱分析与低通滤波，即首先对新能源出力数据进行频谱分析，通过将时域数据转换到复频域，定量分析出力数据的波动性特征，随后在频率波动范围设置合适的低通滤波频率，将原始出力数据中高频波动分量滤除，并由储能吸收这部分高频波动分量，最终达到平滑新能源出力的目标，从而实现抑制风电场出力波动。采用离散傅里叶变换，获得样本的幅频特性:式中:N为数据点数;P(k)为出力数据幅频特性曲线，根据幅频特性，可以得到新能源功率波动的主要频率波动范围上限ωH与下限ωL。根据出力数据的幅频特性P(k)，选定滤波频率ωC。首先对风电场出力曲线低通滤波。随后校验滤波后的出力(此功率即为风-储联合功率)波动率。由于储能补偿频率范围与滤波频率ωC密切相关，当截止频率ωC选取较大时，储能补偿频率范围偏小，因而获得的抑制波动效果差。在确定滤波频率ωC时可以从低频段ωL开始逐渐向高频段ωH尝试。若滤波后得到的风-储联合功率波动率低于波动率约束，则配置的储能容量偏大;若得到的联合功率波动率高于波动率约束，则配置的储能容量偏小;当波动率接近约束条件时，得到的滤波频率是较理想值，即在满足并网波动率考核要求下获得储能最低容量配置值。
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2储能设备容量确定
储能设备容量分析计算步骤如下。（１）由于Ｐｂ已经确定，累计计算各采样点的储能设备充放电的电量，得到相对于初始状态的不同采样时刻储能设备的能量波动，即式中 Ｅｂ，ａｃｕ（ｍ）———储能设备ｍ个点的采样时刻相对于初始时刻的电量变化值，也可以认为是前ｍ个采样周期内储能设备累计充放电的和。（２）根据储能设备在整个样本数据周期内的能量波动，计算储能设备最大和最小能量之差，同时结合能量剩余水平的约束，得到储能设备的最优容量，也就是储能设备的额定容量值是：式中 ———整个分析样本数据中，储能设备相对初始状态下能量变化的最大值；———整个分析样本数据中，储能设备相对初始状态下能量变化的最小值。
3储能容量配置频谱分析方法算例
3.1风电场历史出力数据输入
以新疆哈密地区某风场历史出力数据为输入样本，采用上述储能容量配置方法，以平滑该风电场总出力波动为目标。该风场由33台双馈感应式风机(double-fedinductiongenerator，DFIG)组成，单台DFIG风机容量1.5MW，风机切入风速2.5m/s，切出风速15m/s，风电场总装机容量为49.5MW，原有风电场出力受风速影响较大，难以满足电能并网波动率要求。收集的风场出力数据采样周期为5min，分别收集了春夏秋冬每个季节连续10天风场出力数据，随机选取该年份3月16日、6月14日、9月15日与12月15日4个典型日风电场出力数据，如图1所示。该风场历史出力数据受风速影响较大，经统计分析，4个典型日的出力数据每10min波动率分别达到31.55%、61.09%、55.92%与26.42%，出力波动率很高，难以满足电能并网波动率要求。
3.2风电场历史出力数据频谱分析
基于离散傅里叶变换方法对该风场出力进行频谱分析，结果如图2所示。风电出力波动频段主要集中在1×10－5～1.6×10－3Hz，低频波动的幅值较大，其中在0.1×10－3Hz左右的波动分量较多，高频波动的幅值越来越小，变化越来越缓慢。因此，可在［1×10－5，1.6×10－3］Hz频率范围内选择滤波频率ωC。本例中，通过采用试频法确定的滤波频率ω=0.1×10－3Hz，使电池储能系统可以补偿从滤波频率0.1×10－3～1.6×10－3Hz之间的波动成分，实现对风电出力曲线的平滑。
结语
本文以降低新能源并网波动率为目标，提出了一种适用于新能源电站的储能容量配置方法，该方法以新能源历史出力数据为输入，通过频谱分析与滤波手段，获得储能补偿频段与储能容量。由于该方法结合储能实际运行工况，考虑了电池储能系统综合充放电损耗以及单日电池充放电量均衡约束条件，因而计算得到的储能容量准确可靠。结合新疆哈密地区风场的历史出力数据，对本方法的有效性进行了验证，结果表明本方法可给出储能容量配置值，并实时校验储能的荷电状态。本方法计算量小且适用性强，能够满足新能源并网应用场景需求，对于电池储能工程具有指导意义与实用价值。
参考文献
[1]李建林．智能电网中的风光储关键技术［M］．北京:机械工业出版社，2013:180－207．
[2]许守平，李相俊，惠东．大规模储能系统发展现状及示范应用综述［J］．电网与清洁能源，2013，29(8):94－100．
论文作者:葛超铭
论文发表刊物:《中国电业》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/18
标签：储能论文; 数据论文; 容量论文; 新能源论文; 频谱论文; 频率论文; 方法论文; 《中国电业》2019年第14期论文;