用于平滑风电场输出功率以及实现风电场电压无功控制的电池储能系统的双层级联模糊控制策略

《Journal of Energy Storage》：Two-layer cascaded fuzzy control strategy of battery energy storage system for wind power smoothing and var/voltage control of wind farms

提出一种基于BESS的两层级联模糊控制策略，解决风场功率波动和电压越限问题：功率平滑层通过ICEEMDAN分解重构风功率并动态调整有功指令，电压调节层优化无功功率输出，仿真验证其有效降低BESS有功调节量、提升电压控制能力，同时满足电网要求。

　　

郝阳|宋振汉|孙正龙|史晓涵|陈健|易文飞

教育部现代电力系统仿真与控制及可再生能源技术重点实验室（东北电力大学），中国吉林，132012

摘要

为了解决风电场功率波动和公共连接点（PCC）电压限制违规问题，本文提出了一种双层级联模糊控制策略，利用蓄电池储能系统（BESS）对风电场的有功功率进行平滑处理，并通过优化调度BESS的有功和无功功率来实现无功/电压调节。该级联控制结构包括功率平滑层和电压调节层。在功率平滑层，采用改进的完全集成经验模态分解算法（ICEEMDAN）对风电功率进行分解和重构，从而确定BESS的初始有功功率指令。考虑到BESS的当前充电状态（SOC），设计并应用了一种模糊控制方法来进一步调整BESS的功率指令，以防止因过度充电或放电导致的响应能力不足。在电压调节层，综合考虑风电-储能系统的总有功功率和PCC处的电压违规情况，开发了一种模糊控制方法来调节BESS的无功功率，有效管理风电场PCC处的电压违规问题。为了全面考虑风电场的控制要求和BESS的调度能力，提出了控制参数的优化模型并进行求解，以调整两个模糊控制模型的隶属函数参数。仿真结果表明，所提出的控制策略能够满足风电功率平滑和PCC电压调节的要求，有效减少BESS的有功功率调节，并改善BESS的SOC状态。此外，该策略还能有效降低BESS的无功功率输出，提升其无功/电压控制能力。

引言

在能源转型时代，由于风电具有清洁、无污染的特性，其发展势头强劲[[1], [2], [3]]。截至2024年底，全球累计安装的风电涡轮机容量达到了1133吉瓦，同比增长11.1% [4]。随着大规模风电涡轮机并入电网，风电的随机波动对电力系统的安全稳定运行构成了重大挑战[[5], [6], [7]]。在现代电力系统中，系统的调节能力主要取决于电源侧的性能[[8], [9], [10]]。许多国家已经制定或更新了有功功率平滑和电压调节的标准，以增强系统的主动控制能力并减轻风电场功率波动的负面影响[[11], [12], [13], [14]]。对于未能达到这些标准的风电场，将实施严格的评估和处罚[[15], [16], [17]]。在确保经济可行性的同时，提升风电场的控制能力以满足有功功率平滑和电压调节的标准是一个热门且重要的研究课题[[18], [19], [20]]。

术语表

1分钟功率波动的最大值0到1之间的修正因子，输出变量10分钟功率波动的最大值BESS的额定容量风电场的容量0–1的二进制变量并网功率充电效率蓄电池储能系统放电效率储能系统充放电效率充电状态风电-储能系统的标准化功率，输入

ΔP1min	α(t)
ΔP10min	Eess.rate
Pw.rate	Zc, Zd
Pwf(t)	ηc
BESS	ηd
ESS	η
SOC	$P_{\mathrm{wf}}^{?}\left(t\right)$

风电场有功功率平滑的要求

许多地区电网对并入电网的风电场规定了1分钟和10分钟功率波动的最大值ΔP_1min和ΔP_{10min》。表1展示了具体的风电功率平滑要求[12,13]，其中Pw.rate表示风电场的装机容量。以一个50兆瓦的风电场为例，根据表1，1分钟ΔP1min和10分钟ΔP10min的允许波动阈值如下}

基于BESS的双层级联模糊控制策略用于风电功率平滑和无功/电压调节

本文针对风电场PCC处的风电功率平滑和电压调节问题进行了研究。在考虑风电场的控制要求和BESS的调度能力的基础上，提出了一种用于有功功率平滑和无功电压调节的双层级联模糊控制策略。控制框架如图1所示。

级联控制结构包括功率平滑层和电压调节层。

案例研究

基于一个50兆瓦风电场的典型功率数据，本文验证了所提出的级联模糊控制在解决风电场PCC处有功功率平滑和无功功率电压调节方面的有效性。图10和图11分别展示了在没有BESS控制的情况下，一天内不同时间间隔的原始风电功率数据和PCC电压数据[56]。BESS的相关参数列在表5中。本文讨论的所有方法和策略均

结论

本文提出了一种基于BESS的双层级联模糊控制策略，用于风电场的功率平滑和无功/电压调节。该策略在满足风电功率平滑和电压调节要求的同时，最小化了BESS的有功和无功功率输出。主要结论如下：

• •
  所提出的控制策略有效解决了风电场PCC处的风电功率平滑和电压调节问题，同时满足了运行要求

CRediT作者贡献声明

郝阳：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、软件开发、方法论、概念构建。 宋振汉：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、方法论、形式分析、概念构建。 孙正龙：验证、调查。 史晓涵：可视化、验证。 陈健：验证、资源获取。 易文飞：资源获取、数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本项工作得到了吉林省自然科学基金普通项目（项目编号：20240101108JC）的支持和资助。