戎樹(shù)全，唐志軍，劉潤(rùn)彪，陳思哲

（1．江蘇龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 海安 226600；2．龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江西 南豐 344500；3．龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，河北 衡水 053000；4．南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司，江蘇 泰州 225300）

在風(fēng)電并網(wǎng)容量逐漸增加的大時(shí)代背景下，科學(xué)合理利用機(jī)組與儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電功率各個(gè)頻率進(jìn)行平滑處理，可以對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造諸多有利條件?？蒲腥藛T應(yīng)在反復(fù)研究的基礎(chǔ)上，制定完整的平滑控制策略，并采用一系列附加控制方式，以確保相關(guān)控制策略能夠平滑控制風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率。

1 風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)平滑控制工作的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

在復(fù)雜多變的環(huán)境下，風(fēng)電機(jī)組受到外界各種客觀因素干擾，產(chǎn)生的風(fēng)電電波存在諸多不確定性，這就給后期電網(wǎng)全面調(diào)整和調(diào)頻工作帶來(lái)諸多不利影響，已成為現(xiàn)實(shí)風(fēng)電能源可持續(xù)發(fā)展的阻礙之一。在社會(huì)各界對(duì)風(fēng)電有功功率引起高度重視的情況下，經(jīng)過(guò)科研人員的不斷分析和探討，逐漸研究了兩種切實(shí)可行的風(fēng)電波動(dòng)控制方案[1]。一是可以通過(guò)完善并改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行模式，通過(guò)利用機(jī)組慣性特點(diǎn)或者應(yīng)用變槳控制最后達(dá)到平滑控制目的。二是可以投入適當(dāng)資金，引進(jìn)靜態(tài)儲(chǔ)能裝置和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)達(dá)到預(yù)設(shè)的工作要求。具體來(lái)講，妥善應(yīng)用變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制方法是當(dāng)前科研人員主要研究的話題之一。據(jù)有關(guān)資料顯示，變槳控制可以減少風(fēng)電功率最高頻率受到變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度的約束，并通過(guò)合理管控方式促使風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的變槳角度余量適中，在確保余量合理的情形下，提升機(jī)組結(jié)構(gòu)的發(fā)電效率。針對(duì)轉(zhuǎn)矩控制，主要是研發(fā)人員應(yīng)使用低通濾波方式來(lái)促使因?yàn)轱L(fēng)力速度導(dǎo)致的機(jī)組有功功率出現(xiàn)大幅度變動(dòng)，同時(shí)，采用此種方法也可利用平滑功率曲線走向來(lái)確保機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。經(jīng)過(guò)大量的模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐證明可以得知，轉(zhuǎn)矩控制會(huì)加大機(jī)組的轉(zhuǎn)速，在不穩(wěn)定的情形下，機(jī)組可能處于不穩(wěn)定區(qū)域，當(dāng)機(jī)組風(fēng)電功率頻段愈加變寬后，機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)不穩(wěn)定的概率會(huì)逐漸增大。而將變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制巧妙結(jié)合后，不但可以有效促使機(jī)組有功功率運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，而且從一定程度上還可以抑制發(fā)電機(jī)運(yùn)行在操作人員可控范圍內(nèi)，然而，此種方法也存在一定弊端，即可能會(huì)致使風(fēng)電機(jī)組對(duì)能源的綜合利用率逐漸下降。

除此之外，采用儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)電功率的平滑控制也是目前積極推廣的方法之一，操作人員合理應(yīng)用帶阻法、帶通法及高通法[2]等手段可以進(jìn)一步借助儲(chǔ)能設(shè)備裝置的充放電特點(diǎn)來(lái)抑制風(fēng)電功率的一部分頻率分量。進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)，僅僅應(yīng)用1－2種儲(chǔ)能裝置無(wú)法達(dá)到現(xiàn)實(shí)能量與功率平衡的效果，只有對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的功率信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一分解，再按照儲(chǔ)能裝置的實(shí)際運(yùn)行功能對(duì)各類頻率的裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理應(yīng)用后才可以有效提升平滑控制的效果。研發(fā)人員選用外部?jī)?chǔ)能裝置后雖然在平滑風(fēng)電有功功率方面可以基本上不對(duì)相關(guān)的控制方案進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，但是，采用此種方法的投入資金相對(duì)較多，不利于企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

大量實(shí)踐表明，獨(dú)立運(yùn)行及并網(wǎng)運(yùn)行是光伏發(fā)電運(yùn)行的主要模式，在實(shí)際的電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行期間，系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)會(huì)和交流大電網(wǎng)進(jìn)行交換功率操作，通過(guò)特定模式來(lái)保證系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，假如系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)獨(dú)立，此時(shí)就代表儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)部發(fā)電系統(tǒng)的功率在發(fā)揮重要作用。經(jīng)過(guò)科研人員探索后發(fā)現(xiàn)，光伏輸出系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行期間會(huì)受到外界各種客觀因素影響，系統(tǒng)充放電操作會(huì)從一定程度上導(dǎo)致負(fù)載功率出現(xiàn)明顯波動(dòng)，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)部的功率失衡。針對(duì)此種現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況處理好負(fù)載功率與光伏輸出功率之間的聯(lián)系。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)情況和儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的諸多要素應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃，以為后期儲(chǔ)能系統(tǒng)管理水平的提升創(chuàng)造有利條件。

2．1 在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下

系統(tǒng)在此種運(yùn)行模式下，內(nèi)部的功率差額會(huì)相繼被交流大電網(wǎng)吸收并補(bǔ)充，在確保電網(wǎng)系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，大電網(wǎng)向光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入或吸收的功率計(jì)算公式為：

進(jìn)一步觀察后發(fā)現(xiàn)，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，操作人員應(yīng)運(yùn)用特定管理方式以確保交流電網(wǎng)能夠及時(shí)地和系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行切換，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)此時(shí)的實(shí)際功能不會(huì)呈現(xiàn)出來(lái)。例如，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部的電網(wǎng)不能提供相關(guān)的功率時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)立即根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立運(yùn)行模式。研發(fā)人員應(yīng)按照系統(tǒng)運(yùn)行處置方案對(duì)系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)和模式進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，且在交流大電網(wǎng)檢修過(guò)程中按照檢修標(biāo)準(zhǔn)將發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置成獨(dú)立運(yùn)行模式。當(dāng)電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重緊急性電氣故障時(shí)，為確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，必須立即設(shè)置電網(wǎng)系統(tǒng)為獨(dú)立運(yùn)行模式。這些類似的事件被稱作為非計(jì)劃性突發(fā)事件。值得注意的是，無(wú)論是出于哪種原因，系統(tǒng)操作人員都應(yīng)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理以提升負(fù)載的電能。

此外，以交流大電網(wǎng)出現(xiàn)的電氣故障或者計(jì)劃性檢修為例，與之對(duì)應(yīng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)就不會(huì)依托大電網(wǎng)功率的支持，即系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行模式，這時(shí)就會(huì)通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行全面的能量支持，實(shí)際的儲(chǔ)能系統(tǒng)注入或者吸收的功率計(jì)算公式為：

2．2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)

一般情況下，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作效果主要是由光伏輸出功率和負(fù)載需求功率共同決定的。例如，如果負(fù)載需求功率小于光伏輸出功率時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)一步吸收系統(tǒng)剩余的功率，工作為充電模式，具體計(jì)算公式為：

與此同時(shí)，如果負(fù)載需求功率大于光伏輸出功率時(shí)，整個(gè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)就會(huì)對(duì)缺失的功率進(jìn)行補(bǔ)充，當(dāng)運(yùn)行模式為充電狀態(tài)，實(shí)際計(jì)算公式為：

2．3 儲(chǔ)能系統(tǒng)剩余容量

通過(guò)查閱有關(guān)資料顯示，儲(chǔ)能剩余容量主要是通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的SOC反映的。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，SOC的限制因素會(huì)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電及輸出功率產(chǎn)生影響，特別是在蓄電池儲(chǔ)能單元中，操作人員利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)可對(duì)蓄電池充放電進(jìn)行約束，這可以有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。例如，操作人員應(yīng)設(shè)置上限SOCmax、SOCmin兩個(gè)元素對(duì)蓄電池的充放電情況進(jìn)行判斷，如果SOCmin大于SOC，蓄電池應(yīng)不再運(yùn)行，禁止向外界提供一定的電力能源，同時(shí)，也不會(huì)進(jìn)一步吸收系統(tǒng)剩余的功率。按照上述電池裝置運(yùn)行機(jī)理可以知道，對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元設(shè)置SOCmax和SOCmin，可以有效降低電池超級(jí)電容本體過(guò)充、過(guò)放的頻率。

3 儲(chǔ)能裝置和風(fēng)電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制

此種控制方案的基本內(nèi)容主要包含兩個(gè)方面，通過(guò)加設(shè)一個(gè)低通濾波結(jié)構(gòu)完善轉(zhuǎn)矩方法，并根據(jù)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的慣性特點(diǎn)來(lái)有效減少風(fēng)電功率的高頻分量情況，其次，在確定基本的補(bǔ)償方案后，借助儲(chǔ)能裝置來(lái)對(duì)風(fēng)電功率的中頻分量進(jìn)行調(diào)整。

如圖1所示為含儲(chǔ)能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)淞鞒虉D。研究人員將風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能裝置的輸出端口有效連接后，借助輸電線、機(jī)端變壓器將機(jī)組全面連接到公共連接點(diǎn)PCC上。此時(shí)，將輸電線路和電子元件的能量損耗忽略不計(jì)時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)功率計(jì)算公式[3]為：

圖1 含儲(chǔ)能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)拓?fù)淞鞒虉D

式中，系統(tǒng)并網(wǎng)功率由Psys代表，風(fēng)電機(jī)組輸出功率由Pe代表，Pbattery則表示整個(gè)儲(chǔ)能裝置的輸出功率。在此種模式下，電池儲(chǔ)能裝置負(fù)責(zé)對(duì)風(fēng)電功率內(nèi)部的中頻分量進(jìn)行補(bǔ)償，而對(duì)風(fēng)電功率高頻分量的約束主要是通過(guò)風(fēng)電機(jī)組來(lái)約束的，經(jīng)過(guò)一系列操作，使風(fēng)電系統(tǒng)內(nèi)部的并網(wǎng)功率僅僅包含相關(guān)風(fēng)電功率的低頻分量。

如圖2所示為具體的機(jī)組與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)控制原理圖，最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制對(duì)風(fēng)電機(jī)組的電磁功率指令主要是依靠完成的，借助附加控制器加工處理后產(chǎn)生。假如，將風(fēng)電機(jī)組的磁系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間直接看成機(jī)組的輸出電功率Pe。此時(shí)，電功率Pe需要電池儲(chǔ)能裝置中截止頻率為wc1的高通濾波器操作后形成相關(guān)儲(chǔ)能裝置的電功率，并發(fā)出相應(yīng)工作流程對(duì)進(jìn)行管理，從而進(jìn)一步對(duì)儲(chǔ)能裝置的輸出功率Pbattery進(jìn)行控制，儲(chǔ)能裝置功率Pbattery在反復(fù)進(jìn)行補(bǔ)償后[4]形成電力系統(tǒng)的輸出功率Psys。

圖2 機(jī)組與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)控制原理圖

4 協(xié)調(diào)控制模型介紹

4．1 風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性分析

進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)，機(jī)組內(nèi)部對(duì)外界自然風(fēng)捕獲機(jī)械功率的計(jì)算公式如下：

學(xué)生的智慧生成是一個(gè)長(zhǎng)期的、內(nèi)隱的過(guò)程，從主客體關(guān)系來(lái)看，人的智慧成長(zhǎng)包括三個(gè)方面：主體對(duì)外部世界的主觀認(rèn)識(shí)和把握（即理性智慧）、主體對(duì)外部世界的能動(dòng)改造（即實(shí)踐智慧）和主體對(duì)外部世界和與主體世界關(guān)系的認(rèn)識(shí)和把握（即價(jià)值智慧）。智慧課堂教學(xué)與以往課堂不同的是，其目的在于引導(dǎo)學(xué)生由淺入深的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的能力，最重要的莫過(guò)于促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)啟迪學(xué)生心智，促進(jìn)學(xué)生智慧成長(zhǎng)的目標(biāo)。智慧課堂可以說(shuō)是集多種智慧于一身的結(jié)合體，它包括德性智慧、理性智慧、實(shí)踐智慧、價(jià)值智慧等?？傊?，智慧課堂是一種知性與理性相伴、科學(xué)與人文相伴、理論與實(shí)踐結(jié)合、技術(shù)促進(jìn)智慧生成的充滿創(chuàng)造精神的積極課堂。

式中，機(jī)風(fēng)輪捕獲的機(jī)械功率由Pmech代表，空氣密度由p代表，風(fēng)輪掃風(fēng)面積為A，Cp（λ，β）則表示風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)，葉尖速比為λ，β代表葉片的槳距角，風(fēng)速由v代表。與此同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈模型計(jì)算公式為：

式中，風(fēng)力機(jī)組捕獲的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Twt，發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由Te代表，風(fēng)速轉(zhuǎn)矩為Ω，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jwt，傳動(dòng)鏈尼阻系數(shù)由Dmee代表。操作人員進(jìn)一步了解后發(fā)現(xiàn)，采用特定方式對(duì)某個(gè)固定的點(diǎn)位（v0，Ω0，β0）進(jìn)行線性化處理，就會(huì)相繼形成一個(gè)完整的轉(zhuǎn)速傳動(dòng)函數(shù)，槳矩角不變僅僅出現(xiàn)在風(fēng)速低于系統(tǒng)設(shè)定風(fēng)速情況下。

通過(guò)研發(fā)人員對(duì)機(jī)械功率周密探索后發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和風(fēng)速函數(shù)等同于風(fēng)電機(jī)組捕獲的機(jī)械功率，此時(shí)整個(gè)增量數(shù)據(jù)的計(jì)算公式[5]為：式中，ΔΩ代表轉(zhuǎn)速增量，Δv代表風(fēng)速不增量，下標(biāo)0則表示穩(wěn)態(tài)量。

4．2 儲(chǔ)能裝置模型

借助能量型電池組作為風(fēng)電機(jī)組儲(chǔ)能濾波裝置的主要?jiǎng)恿?lái)源，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，將風(fēng)電功率的高頻分量通過(guò)機(jī)組管理進(jìn)行設(shè)定。具體而言，DC／AC逆變器結(jié)構(gòu)主要和風(fēng)電機(jī)組的輸出端相互連接，可結(jié)合實(shí)際情況對(duì)整個(gè)機(jī)組的有功電流量進(jìn)行調(diào)整，具體的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)依照有功功率指令進(jìn)行確定，從而快速地對(duì)風(fēng)電功率內(nèi)部的各級(jí)別的頻率分量進(jìn)行補(bǔ)償控制，與此同時(shí)，直流側(cè)電容器的電壓主要是通過(guò)DC／DC直流斬波器來(lái)調(diào)節(jié)的，在相繼對(duì)電池組進(jìn)行充放電控制后，可達(dá)到能量雙向傳遞的目的。值得注意的是，在實(shí)際的電池組放電期間，一旦充放電功率小于額定功率，直流逆變器和斬波器都無(wú)法按照設(shè)定的統(tǒng)一功率運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 隨機(jī)風(fēng)速圖

4．3 協(xié)調(diào)控制

通過(guò)低通濾波處理，對(duì)機(jī)組有功功率進(jìn)行計(jì)算，選用一階低通濾波傳遞函數(shù)為科研人員在查閱相關(guān)資料后，確定風(fēng)電機(jī)組電磁功率對(duì)風(fēng)速的傳遞函數(shù)為：

通過(guò)上述計(jì)算公式可知，通過(guò)低通濾波處理會(huì)形成一個(gè)完整的功率指令。當(dāng)整體截止頻率為時(shí)，電池儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)速的傳遞函數(shù)計(jì)算公式為：

5 與無(wú)儲(chǔ)能裝置機(jī)組仿真對(duì)比

一般情況下，平滑系數(shù)S數(shù)值越小，有功功率就會(huì)越平滑，將Prated設(shè)為機(jī)組額定功率，整體的定義平滑系數(shù)S的計(jì)算公式為：

在本文中，協(xié)調(diào)控制以WT1代表，常規(guī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制以WT2代表，引入低通濾波器的機(jī)組以WT3代表，并通過(guò)仿真對(duì)比得出相關(guān)信息。圖3代表仿真采用的隨機(jī)風(fēng)速，圖4～圖6代表三個(gè)不同的風(fēng)電系統(tǒng)的仿真對(duì)比結(jié)果[6]。

圖4 并網(wǎng)功率分析圖

圖5 S值曲線圖

圖6 機(jī)組轉(zhuǎn)速分析圖

通過(guò)圖4可以得知，選擇協(xié)調(diào)控制策略的風(fēng)電機(jī)組WT1受到并網(wǎng)功率波動(dòng)的影響最小，表明整個(gè)高頻和中頻分量都得到了明顯抑制，借助低通濾波器的機(jī)組WT3的高頻也得到了控制。通過(guò)圖5可以得知，WT2和WT3的S值大于WT1的s值。幅度變化較大一般是因?yàn)殡姽β实闹T多高頻分量導(dǎo)致的。由此可以證明協(xié)調(diào)控制策略可以使風(fēng)電功率的各段頻率實(shí)現(xiàn)平滑控制。

從圖6可以得出，與采用低通濾波器的WT1和WT3相比，整體機(jī)組轉(zhuǎn)速變化幅度相對(duì)較大，可以證明借助低通濾波器可以使機(jī)組轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)速響應(yīng)速度逐步提高，并會(huì)加劇機(jī)組轉(zhuǎn)速的波動(dòng)效果。

6 結(jié)論

總而言之，風(fēng)電機(jī)組與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)平滑控制還存在諸多不確定因素，合理運(yùn)用機(jī)組與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)平滑控制策略能有效平抑機(jī)組功率的波動(dòng)過(guò)程，還能降低儲(chǔ)能裝置的實(shí)際容量?；诮＜胺抡娣治鲞^(guò)程，可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）采用低通附加控制能降低機(jī)組的低通截止頻率，強(qiáng)化機(jī)組對(duì)風(fēng)電功率的平滑控制能力。

（2）機(jī)組和儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)控制能有效平滑控制較大范圍內(nèi)的風(fēng)電功率分量，并有效降低有功功率的改變率。