引言风电具有随机性和间接性的特点，随着风电的渗透率不断增大，对电网安全运行的影响也逐渐增大[1-4]。开展对风电场出力波动进行平滑处理的研究，采用具有快速响应和大规模功率吞吐特点的储能技术，可以在平滑风电波动性问题上取得良好的效果[5-6]。目前已有很多关于储能平抑风电功率波动的研究。宇航[7]提出采用低通滤波的方法平抑风电功率波动，进行储能容量配置，研究储能系统平抑风电功率波动的有效性。张家军[8]等以模型预测控制（MPC）算法作为平抑策略，通过经验模态分解对混合储能系统的充放电进行分配和控制。另外还有研究将滑动平均和经验模态分解方法相结合，得到储能参考功率，进行储能容量配置[9-11]。本研究采用抗脉冲平均滤波法和经验模态分解方法，对风电功率进行平滑处理以及对混合储能的容量进行配置。利用抗脉冲平均滤波法平滑风电原始输出功率，得到混合储能参考功率，再将混合储能参考功率进行经验模态分解，以储能爬坡功率为界限，分为高频分量和低频分量，分别分配给飞轮储能和电化学储能系统。从而达到储能的优化配置，更好地发挥不同储能种类之间的优势互补。1风电功率平抑模型风电功率平抑模型主要包括风电场和混合储能系统（包括一定比例的电化学储能系统和飞轮储能系统），如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F001图1风电功率平抑模型当风电充足时，电网无法消纳，可以将过剩的电能储存到混合储能系统中；当风电不足时，由混合储能系统向电网提供能量，使其输入电网的功率更加平滑。根据能量流动，系统中各功率之间的关系为：PE=PW- PG (1)PE=Pf+Pb (2)式中：PG——风电场平滑后的输出功率，MW；PE——混合储能系统参考功率，MW；PW——风电场原始输出功率，MW；Pb——电化学储能系统功率，MW；Pf——飞轮储能功率，MW。2风电功率平滑策略2.1风电原始功率分解风电机组实际运行过程中，考虑到风速的波动性和不确定性，实际风电输出功率不稳定，并网时威胁电网的安全。为满足风电并网要求[12]，对风电原始输出功率进行平滑处理。考虑采用抗脉冲平均滤波法平滑风电输出功率，得到并网功率与混合储能输出功率。抗脉冲平均滤波法的实现方法为：取一组风电场原始输出功率数据PW(n)，n=1,…,N。将风电N个数据分为x组，进行分组平滑处理，每组有S（窗口区间）个数据。去掉窗口中数据的最大值和最小值，将剩余数据取算术平均值，得到该窗口数据的平均功率，作为平滑后的并网功率PG(n)。计算如下：PGk=12m- 1(∑n=-mmPWk+n- Ps,max- Ps,min) (3)式中：Ps,max——最大值功率，MW；Ps,min——窗口中的最小值功率，MW；k——S中点；m——中点前向或后向的数据个数。由式(1)计算风电原始功率PW与平滑功率的差值，即可得到混合储能系统参考功率PE[10]：PE(n)=PW(n)- PG(n),   (n=1,…,N) (4)通过抗脉冲平均滤波法平滑后的并网功率应满足国家相关标准的要求，如表1所示[12]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.T001表1正常运行情况下风电场有功功率变化最大值风电场装机容量10 min有功功率变化最大限值1 min有功功率变化最大限值3010330~150装机容量/3装机容量/101505015MW风电的波动率计算方式为：r=PW,max- PW,minPrated×100% (5)式中：PW,max——某时段内的风电功率最大值，MW；PW,min——某时段内的风电功率最小值，MW；Prated——风电装机容量，MW。得到混合储能系统参考功率序列后，进行经验模态（EMD）分解，以储能爬坡功率作为混合储能参考功率分配原则，将PE分为高频和低频两部分，分别确定电化学储能和飞轮储能的功率配置。具体控制流程如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F002图2控制策略流程2.2经验模态分解原理经验模态分解（EMD）方法是一种自适应信号分解方法，根据原始信号特征将其分解成一组固有模态函数（IMF）和一个余量，每个IMF突显原始信号不同频率波动成分的局部特征。EMD分解的流程为：（1）确定包络线：寻找信号的所有极大值点和极小值点，对极大值点和极小值点分别做插值形成上、下包络线；（2）计算上、下包络线的均值m(t)，然后用原始信号s(t)减去m(t)，求出中间信号h(t)。h(t)=s(t)- m(t) (6)（3）判断h(t)是否满足IMF的条件，如不满足则对h(t)重复步骤1和步骤2，直到满足IMF的条件，得到第1个IMF信号c1(t)。c1(t)=h(t) (7)（4）用原始信号减去第1个IMF分量，得到第1个剩余信号r1(t)。r1(t)=s(t)- c1(t) (8)（5）将r1(t)作为新的原始信号，重复步骤1至步骤4，即可得到其余的IMF分量和一个剩余分量r(t)，当剩余分量呈现为单调时完成分解。最终EMD分解把原始信号s(t)分解为一组固有模态函数ci(t)和一个剩余分量r(t)的线性组合，s(t)表示为：st=∑i=1ncit+r(t) (9)2.3混合储能功率分配将混合储能参考功率的数据序列进行EMD分解后，将面临高频和低频功率的划分问题。孙玉树[13]等分别尝试3种分配策略：（1）储能爬坡功率变化值；（2）储能爬坡功率变化率；（3）储能爬坡功率平均值。测试结果显示，策略3的分配效果最佳，可以平衡电化学储能系统和飞轮储能的功率分配，防止其中一方因承担过多的任务而频繁充放。采用储能爬坡功率平均值作为电化学储能系统储能和飞轮储能之间的功率分配原则，小于平均值的IMF分量为低频分量，由电化学储能系统补偿；大于平均值的IMF分量为高频分量，由飞轮储能补偿。储能爬坡功率计算公式如下：Prj=Peji- Peji+tsts(i=1,…,N-1) (10)储能爬坡功率的平均值计算为：P¯r=1m∑j=1mmax(Pr(j))(j=1,…,m) (11)式中：j——累加的IMF分量个数（由低频到高频）；Pej——储能参考功率的第j个分量，MW；ts——采样步长，min。3储能功率及容量的确定混合储能参考功率经EMD分解后，将高频分量与低频分量通过飞轮储能与电化学储能系统补偿，进而计算各储能元件的额定功率与容量配置[14-16]。3.1额定功率储能系统正常运行时，额定功率Pt必须大于运行过程中的实际功率Pa，储能元件运行时的充放电效率也需要考虑在内，计算公式为：Pt=maxPatμd,Pa(t)μc (12)式中：μd——储能元件充电效率，%；μc——储能元件放电效率，%。3.2额定容量根据储能系统实际输出功率数据，对各采样点处的储能充放电电量进行累计：Ek(t)=∫t=0TPa(t)dt (13)式中：Ek——储能元件T时间段内累积的能量，MWh。设储能的额定容量为Er，储能的荷电状态SOC指在某一时刻其剩余电量与标称容量即额定容量之比[9]。SOC能更好地描述储能元件的容量状态，初始值为SOC0，最大值为SOCmax，最小值为SOCmin。荷电状态初始值计算公式为：SOC0=maxEkSOCmin- min(Ek)SOCmaxmaxEk- min(Ek) (14)额定容量为：Er=maxmax(Ek)SOCmax- SOC0,-min (Ek)SOC0- SOCmin (15)储能元件某一时刻的SOC为：SOCt=SOC0+Ek(t)Er (16)4实例分析4.1储能系统功率分配计算以某200 MW风电场31天的功率数据为对象，平均采样步长为0.813 6 min。根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2011）中风电场功率预测基本要求，风电场应配置风电功率预测系统，系统具有0~72 h短期风电功率预测[12]。选取72 h的数据进行研究，采样点数N=4 228。该风电场72 h实际输出功率如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F003图3风电实际输出功率采用抗脉冲平均滤波法对风电原始功率进行平滑处理，窗口S=7，平滑后的效果如图4所示。根据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T 19963—2011）中规定的并网标准可知，200 MW风电机组1 min和10 min的波动率分别不得高于7.5%和25%。验证平滑后的并网功率是否满足并网标准，计算结果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F004图4平滑效果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.T002表2风电数据最大波动率计算结果参数风电数据1 min10 min原始11.9514.50并网6.7411.59%采用抗脉冲平均法滤波后，1 min内最大波动率由11.95%降为6.74%，10 min内最大波动率由14.5%降为11.59%，符合国家并网标准要求。由式(4)得到混合储能参考功率PE后，利用EMD分解将其分解为11个IMF分量和1个余量，结果如图5所示。图5混合储能功率及EMD分解结果10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F5a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F5a310.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F5a410.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F5a5计算从低频到高频不同分量叠加的储能爬坡功率，由式(10)计算，储能爬坡功率的平均值为5.123 1 MW。计算结果如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F006图6储能爬坡功率曲线当S≤9时，爬坡功率小于平均值；当S9时，爬坡功率大于平均值，因此IMF3~IMF11的分量由电化学储能系统补偿，IMF1~IMF2分量由飞轮储能补偿，电化学储能系统功率曲线如图7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F007图7电化学储能系统功率曲线飞轮储能功率曲线如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.F008图8飞轮储能功率曲线根据公式(12)~式(16)可以推知，计算电化学储能系统和飞轮储能的配置，电化学储能系统的最大充放电功率为6.11 MW，额定容量为70.88 MWh；飞轮储能的最大充放电功率为21.52 MW，额定容量为18.49 MWh。4.2平滑窗宽的影响窗口区间S的选择：以72 h数据为研究对象，采用抗脉冲平均滤波法进行平滑处理，分别计算窗口区间取5、7、9、11、15、19时的平滑效果，不同窗口区间平滑效果对比如表3所示。由表3中数据可知，窗口数据中的点数为7和9时，平滑后的结果基本可以满足并网要求。根据以上方法，计算多组3天数据平滑点数为7和9的情况，根据最终储能配比情况决定，结果如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.T003表3不同窗口区间平滑效果对比平滑点数取样区间1 min最大波动率/%10 min最大波动率/%前后前后53天（第一组）11.957.4913.8213.653天（第二组）11.847.7718.8812.1573天（第一组）12.077.3215.6810.303天（第二组）11.956.7414.5011.593天（第三组）11.847.2118.8813.7993天（第一组）11.957.1215.3212.833天（第二组）11.847.8418.8810.043天（第三组）11.927.0317.3411.48113天（第一组）11.957.9014.138.413天（第二组）11.848.8218.889.10153天（第一组）11.958.4814.139.483天（第二组）11.847.3417.2615.35193天（第一组）12.238.1214.1311.743天（第二组）11.848.0117.2619.2210.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.T004表4平滑点数7和9的数据对比平滑点数取样区间混合储能/MW飞轮/MW蓄电池/MW混合储能比例/%73天（第一组）20.8515.805.0510.433天（第二组）21.2216.195.0310.613天（第三组）25.1919.795.4011.6093天（第一组）25.6019.456.1512.803天（第二组）29.8024.155.6614.903天（第三组）27.5422.265.2813.77在平滑点数为7和9时，都满足并网要求的情况下，根据最终储能配比情况可知，平滑点数为7比平滑点数为9所配置的储能少，约占10.9%，更加节约成本，所以最终选择窗口S区间的点数为7。以上仅选取72 h为一组数据得出储能配比情况，继续计算1天、2天、4天、5天、7天和31天的储能配比如表5所示（窗口区间S=7）。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.T006表5某200 MW风电场平滑点数7的储能配比情况天数混合储能/MW飞轮/MW蓄电池/MW混合储能比例/%飞轮配比/%蓄电池配比/%飞轮占比/%蓄电池占比/%1天（第一组）19.5611.997.569.786.003.7861.3238.681天（第二组）18.5512.266.299.286.133.1566.0733.932天（第一组）20.5116.903.6110.268.451.8082.4217.582天（第二组）22.5515.347.2111.287.673.6168.0231.983天（第一组）21.8217.843.9910.918.921.9981.7218.2810.3969/j.issn.1004-7948.2022.01.002.T005续表5 某200 MW风电场平滑点数7的储能配比情况天数混合储能/MW飞轮/MW蓄电池/MW混合储能比例/%飞轮配比/%蓄电池配比/%飞轮占比/%蓄电池占比/%平均值22.5117.435.0811.268.722.5477.4222.563天（第二组）20.8515.805.0510.437.902.5375.7824.224天（第一组）20.2414.335.9110.127.172.9670.8029.204天（第二组）22.5917.694.9011.308.852.4578.3121.695天（第一组）21.5716.764.8010.798.382.4077.7222.265天（第二组）23.9819.304.6811.999.652.3480.4719.527天（第一组）24.2019.075.1312.109.542.5678.8021.197天（第二组）21.3717.234.5010.698.622.2580.6421.0631天27.6321.526.1113.8210.763.0677.8922.11将多组数据取平均值，得到200 MW风电机组72 h配置的混合储能情况：共配置22.51 MW的储能，占11.26%，其中包含8.72%的飞轮储能，2.54%的电化学储能系统储能，分别占混合储能的77.42%和22.56%。5结语风电具有随机性与波动性，在并网时给电网在电压、频率的稳定性及可靠性方面带来巨大的挑战。采用混合储能系统，有效降低风电并网功率波动，之后采用EMD分解混合储能功率，以储能爬坡功率的平均值为依据，分为高频和低频两部分，合理地分配给飞轮储能和蓄电池，实现二者的功率分配。最终共配置11.26%的储能，其中包含8.72%的飞轮储能和2.54%的电化学储能，通过研究证明，不同时长出力数据计算混合储能系统容量配比具有很好的鲁棒性。采用混合储能进行风电功率平滑能很好地优化储能容量配置，防止单一储能配置过多，影响储能使用寿命。