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💥第一部分——内容介绍

摘要

针对风电场出力波动成分频率范围较宽、单一储能类型难以有效兼顾高频与低频波动平抑需求的问题，飞轮与锂电池混合储能协同处理不同频段波动成为主流技术路线。本文提出一种基于抗脉冲平均滤波与滑动平均滤波两级分解的混合储能容量配置方法：首先采用抗脉冲平均滤波法对风电原始输出功率进行平滑处理，获得满足并网波动限值的参考功率；通过对比混合储能功率参数计算滤波后功率，再利用滑动平均滤波法提取其中的低频分量，将滤波功率与低频分量之差作为高频分量；进而以电化学储能系统预设控制参数和飞轮储能分别对低频分量与高频分量进行动态补偿，使储能配置始终处于最优状态。通过软件搭建风电系统仿真模型对上述策略进行验证，结果表明该方法在平抑效果与储能运行稳定性方面均具有良好鲁棒性。

关键词：风电功率平抑；飞轮储能；锂电池储能；混合储能；滤波算法；容量配置

1 引言

风力发电的强随机性与间歇性使其大规模并网面临严峻挑战。风电出力波动涵盖从秒级到分钟级的多时间尺度成分，单一类型储能难以在全频段范围内实现经济有效的平抑。飞轮储能具有功率密度高、响应速度快、循环寿命长的优势，适合承担高频波动分量的快速吞吐；锂电池储能则具备能量密度高、持续放电能力强的特点，适合应对低频功率分量的长时间补偿。两类储能的互补特性使其成为风电平抑场景中最常用的混合储能组合。

混合储能系统的效能发挥高度依赖于功率分配策略与容量配置方法的合理性。现有研究多采用滤波算法将风电功率分解为不同频段分量，再依据储能类型特性进行分配。然而，功率分配过程中若未充分考虑滤波算法对脉冲扰动的敏感性以及储能荷电状态的动态约束，可能导致储能配置偏保守或运行越限。本文针对这一问题，采用抗脉冲平均滤波与滑动平均滤波相结合的两级分解策略，旨在实现风电波动的高效平抑与混合储能容量的优化配置。

2 风储混合系统结构与储能特性分析

2.1 系统架构

风储混合发电系统由风力发电机组、飞轮储能单元、锂电池储能单元以及功率变换与控制装置构成。风力机组输出功率经并网逆变器馈入电网，飞轮与锂电池储能系统并联接入风电场并网节点，通过双向功率变换器实现充放电控制。系统整体结构以风电场交流母线为汇合点，混合储能系统根据功率分配指令动态吸收或释放功率，以补偿风电输出与并网参考功率之间的偏差。

2.2 飞轮储能的功率特性

飞轮储能通过高速旋转的转子动能实现电能的存储与释放，其核心优势在于功率响应速度快，可在毫秒至秒级时间内完成额定功率的充放电切换。飞轮储能的循环寿命极长，深度充放电对寿命的衰减影响远小于电化学储能，因此特别适合承担频繁往复的高频功率波动分量。但其能量密度相对较低，持续放电时间有限，不适宜长时间能量支撑场景。

2.3 锂电池储能的能量特性

锂离子电池储能具有较高的能量密度和较长的持续放电能力，适合承担持续时间较长、能量吞吐量较大的低频功率分量。然而，锂电池的循环寿命受充放电深度和频次影响显著，高频次深度循环将加速容量衰减。因此，在混合储能系统中，锂电池应避免承担过于频繁的高频波动补偿任务，以延长其使用寿命。

3 基于两级滤波的功率分解与分配策略

3.1 抗脉冲平均滤波的并网参考功率提取

风电原始功率数据中常包含由风速突变或测量噪声引起的脉冲式尖峰波动，直接采用常规平均滤波可能因极值点的存在而导致参考功率失真。抗脉冲平均滤波法在滑动窗口内计算平均值时，首先剔除窗口功率序列中的最大值与最小值，再对剩余数据求取平均，从而有效抑制脉冲扰动对平滑功率的干扰。

通过抗脉冲平均滤波获得的并网功率参考值，表征了风电输出中满足并网波动标准的部分。原始风电功率与该参考功率的差值，即为混合储能系统需要吸收或补偿的总功率需求。这一总功率需求仍包含宽频段波动成分，需要进一步分解后分配至不同类型储能。

3.2 滑动平均滤波的低频分量提取

在获得混合储能总功率需求后，采用滑动平均滤波法对其进行二次处理。滑动平均滤波通过计算一定时间窗口内功率数据的算术平均值，输出平滑的低频趋势分量。该方法实现简单、计算量小，适合在线实时应用。

经滑动平均滤波后，混合储能总功率被分解为两部分：滤波输出结果为低频分量，表征功率需求中变化缓慢、持续时间较长的成分；原始总功率与低频分量之差为高频分量，表征功率需求中快速波动的部分。这一分解方式的核心在于滑动窗口长度的合理选择：窗口过长则低频分量过于平滑，高频分量中包含过多可被锂电池承担的中频成分；窗口过短则高频分量不足，飞轮储能利用率偏低。

3.3 飞轮与锂电池的功率分配

根据分解结果，高频分量分配至飞轮储能系统，利用其快速响应特性实现即时功率吞吐，抑制秒级至十秒级的功率波动。低频分量分配至锂电池储能系统，由锂电池以其能量优势完成持续时间较长的功率补偿。

这一分配策略的合理性在于：高频分量虽然功率幅值可能较大，但持续时间短、能量总量小，对飞轮的容量需求有限；低频分量功率变化平缓，锂电池可在其最佳工作区间内平稳充放电，避免频繁深度循环。两类储能各司其职，实现了功率能力与能量能力的优势互补。

3.4 储能动态补偿与状态约束

在实际运行中，飞轮与锂电池的荷电状态需要维持在合理范围内以确保长期稳定运行。当飞轮转速接近上限或下限时，其可吸收或释放的功率能力将显著下降；锂电池同样存在过充过放风险。因此，功率分配策略需引入荷电状态反馈修正：当某类储能荷电状态接近边界时，适当调整滤波参数或分配比例，使储能系统整体保持在可控状态。

此外，电化学储能系统的预设控制参数（如充放电功率限值、荷电状态工作区间等）应根据实际运行数据持续优化。通过动态调整滑动平均滤波的窗口长度或截止频率，可使储能配置在不同风电出力场景下均保持较高的利用率。

4 仿真验证与鲁棒性分析

4.1 仿真系统构建

为验证上述策略的有效性，在MATLAB/Simulink环境中搭建风储混合系统仿真模型。风力机组采用实际风电场典型日出力数据作为输入，采样间隔为分钟级，以充分反映风电波动的多时间尺度特征。飞轮与锂电池储能单元分别建立功率-荷电状态动态模型，功率变换器采用双闭环控制结构。

4.2 平抑效果分析

仿真结果表明，采用抗脉冲平均滤波后，并网功率的波动率显著降低，分钟级最大功率变化量满足风电并网标准要求。经滑动平均滤波分解后，飞轮储能有效吸收了功率序列中的高频尖峰波动，其输出功率呈现频繁的充放电往复特征；锂电池储能输出功率则相对平稳，充放电状态切换次数明显低于飞轮，验证了分配策略对锂电池寿命的保护作用。

4.3 鲁棒性验证

为检验策略的鲁棒性，分别设置风速阶跃变化、持续爬坡和随机湍流三种典型工况进行仿真。在风速阶跃变化场景下，混合储能系统能够在数秒内响应功率突变，飞轮迅速提供功率支撑，锂电池随后接管持续性补偿需求，并网功率未出现明显越限。在持续爬坡工况下，锂电池平缓跟踪功率趋势变化，飞轮仅在高频扰动出现时动作，两类储能出力协调有序。随机湍流条件下，飞轮的高频补偿作用尤为突出，并网功率波动得到有效抑制。多种工况下储能荷电状态均维持在预设工作区间内，未出现越限或过度调节现象，表明所提策略具有良好的鲁棒性。

5 结论

本文针对风电功率宽频段波动平抑问题，采用飞轮与锂电池混合储能系统，提出了基于抗脉冲平均滤波与滑动平均滤波两级分解的功率分配与容量配置方法。主要结论如下：

（1）抗脉冲平均滤波能够有效剔除风电原始功率中的脉冲尖峰干扰，为并网参考功率的提取提供可靠基础，避免了极值点对平滑结果的扭曲。

（2）滑动平均滤波将混合储能总功率需求分解为低频与高频分量，飞轮承担高频分量、锂电池承担低频分量的分配策略，充分发挥了两类储能的技术优势，锂电池充放电频次显著降低。

（3）仿真结果表明，所提策略在不同风速工况下均能有效平抑并网功率波动，储能荷电状态保持稳定，验证了方法的鲁棒性与工程可行性。

📚第二部分——运行结果

🎉第三部分——参考文献

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