考虑蓄电池寿命与风电平抑效果的混合储能容量配置与控制策略

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随着“双碳”战略目标的推进,预计我国2030年风电装机容量将达4亿千瓦。伴随着风电渗透率的提高,风电波动的不确定性对电网的稳定性和安全性造成了巨大威胁。结合能量型储能与功率型储能的优势,混合储能系统能够较好地应对复杂的风电波动,大大提高风电并网功率的平稳。然而,频繁平抑风电功率波动将加速储能元件的寿命衰减,影响储能系统的工作性能与经济效益。因此,在有效平滑风电波动的基础上,考虑储能寿命模型进行储能容量配置和协调控制策略研究具有重要的学术意义和工程意义。本文的主要研究内容如下:(1)本文首先分析风电波动幅频特性,阐明利用储能来平抑风电波动的必要性。然后,从功率分配方式以及可控性等角度出发,分析现有的储能拓扑结构,确定本文风储联合系统的形式以及物理结构。最后通过采用最大波动幅度等波动量化指标,从1min和10min尺度对实际风电曲线的波动量进行评估,并采用移动最小二乘法分离风电波动量,为后文描述控制策略平抑风电波动的效果提供分析依据。(2)多数文献在研究储能容量配置时,虽然考虑了蓄电池寿命对储能经济性影响,但忽略了容量衰减会加剧蓄电池寿命损耗,从而影响成本计算以及配置结果。针对这一问题,本文在充分分析日历老化与循环老化中放电深度、放电倍率等对蓄电池使用寿命影响的基础上,将剩余有效容量作为寿命判据,提出考虑有效容量衰退的蓄电池寿命模型。同时提出一种小波包法最优分层数判定标准,利用自适应小波包法获取储能目标功率。最后建立混合储能成本计算模型,以混合储能系统在研究周期内的总成本最小为优化目标,采用粒子群算法优化求解蓄电池和超级电容的额定容量和额定功率。通过仿真,表明容量衰减会提高等效放电量的积累从而加剧蓄电池寿命损耗,这将直接影响混合储能配置结果。而若要降低运行过程中蓄电池的寿命损耗,可以采取合理分配储能功率或改变总容量等方式进行控制,从而引出本文控制策略设计。(3)为减少蓄电池运行过程中的寿命损失,同时达到良好的风电平抑效果,可以从运行的角度,对蓄电池功率进行控制调整。因此,考虑荷电状态(SOC,State of charge)变化对蓄电池寿命损耗和充放电裕度的影响,提出充放电饱和能力指标和SOC持续饱和运行指标表征SOC状态,基于此提出一种考虑SOC运行状态的混合储能控制策略。首先,该策略将充放电饱和能力指标作为动态权重,利用模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)滚动优化并网功率与储能目标功率,保证并网功率波动达标以及混合储能整体荷电状态处于良好的运行区间;接着提出一种改进的加权滑动平均法对该储能目标功率进行优化分配,并设计模糊控制对滑动窗口长度和权重进行调整,提高功率分配的合理性。最后,结合实际风电功率数据,通过仿真验证了所提策略在风电平抑与功率分配上的有效性和经济性。
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