徐茂棟，許媛媛，朱少欣，賈憲章

廣東海洋大學(xué)，廣東湛江，524000

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，環(huán)保、清潔的可再生能源成為世界各國(guó)研發(fā)的熱點(diǎn)，作為清潔可再生能源之一的風(fēng)能得到了快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已成為電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]。但風(fēng)場(chǎng)的不確定性和間歇性會(huì)引起發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)，引起電網(wǎng)的沖擊，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量，增加發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的難度?；趦?chǔ)能裝置可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)固有波動(dòng)的抑制，使風(fēng)電這種間歇性、波動(dòng)性很強(qiáng)的可再生能源變得“可控、可調(diào)”，使電網(wǎng)對(duì)這種最接近規(guī)?；l(fā)展的能源調(diào)度變?yōu)榭赡?。因此，本文提出一種基于一階低通濾波器的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，該控制策略可實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組功率波動(dòng)的平滑控制，優(yōu)化配置儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，并通過(guò)建模仿真驗(yàn)證該控制策略對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)能有效抑制輸出有功功率的波動(dòng)[2]。

1 風(fēng)電能源管理系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

風(fēng)場(chǎng)的高隨機(jī)性導(dǎo)致風(fēng)電間歇式電源輸出功率的高波動(dòng)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行、減少棄風(fēng)現(xiàn)象及提高能源利用率的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，需要提出一種合理的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，來(lái)平抑可再生能源的功率波動(dòng)[3]，提高系統(tǒng)的可靠性和效率，以維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。目前比較常見(jiàn)的幾種儲(chǔ)能系統(tǒng)包括：儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)于直流側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、超級(jí)電容單獨(dú)在直流側(cè)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、蓄電池單獨(dú)在直流側(cè)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。在此基礎(chǔ)上，本課題提出了一種改進(jìn)后的儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1中的風(fēng)能發(fā)電通過(guò)風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)力機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過(guò)齒輪箱將葉輪較低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)較高的轉(zhuǎn)速，最后由發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并通過(guò)AC/DC變換器與直流母線相連[4]。蓄電池由 DC/DC2 變換器與超級(jí)電容連接，構(gòu)成混合儲(chǔ)能單元，再通過(guò)DC/DC1變換器與直流母線連接，鑒于超級(jí)電容的高功率密度，可以快速地發(fā)出較多的能量。在本文研究的結(jié)構(gòu)中，超級(jí)電容器通過(guò)DC/DC1變換器連接于直流母線，由超級(jí)電容吸收和釋放能量對(duì)母線功率不穩(wěn)定的高頻分量進(jìn)行抑制。采用相應(yīng)的控制策略能較好地控制蓄電池和超級(jí)電容的出力，蓄電池作為能量型儲(chǔ)能元件主要承擔(dān)微網(wǎng)中波動(dòng)功率的低頻部分。本文所研究的結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)變換器可以分別運(yùn)行，互不干擾，提高了充放電的效率，可快速穩(wěn)定波動(dòng)，并能減少蓄電池的循環(huán)次數(shù)，延長(zhǎng)蓄電池的生命周期。

2 風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)的抑制策略

風(fēng)場(chǎng)的隨機(jī)性和間歇性引起風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的高波動(dòng)性，不僅增加了電網(wǎng)的沖擊，還會(huì)降低電能質(zhì)量，導(dǎo)致微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制變得困難。為了減小風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)，提出一種基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的一階濾波算法功率分配策略，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)進(jìn)行平抑控制[5]。通常并網(wǎng)功率參考值由風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率經(jīng)一階低通濾波器得到，即：

式中，Pw是風(fēng)電場(chǎng)的輸出，Pb是平滑后的總輸出，Ts是時(shí)間常數(shù)。

圖2是一種定常數(shù)低通濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)一階定常數(shù)低通濾波器對(duì)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)進(jìn)行平抑[6]，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)部分控制系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行平抑，維持電網(wǎng)穩(wěn)定。儲(chǔ)能系統(tǒng)包括儲(chǔ)能單元和功率變換單元兩部分，其通過(guò)功率變換單元向交流母線注入或抽取能量來(lái)平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率Pb，改善風(fēng)電并網(wǎng)情況。

圖2 定常數(shù)低通濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3是一種定常數(shù)低通濾波的算法流程圖。首先，輸入風(fēng)電功率Pw，通過(guò)選取不同時(shí)間常數(shù)T的一階低通濾波器進(jìn)行平滑控制后得到風(fēng)電功率Pb。其次，計(jì)算不同時(shí)間常數(shù)T控制下的風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)率，并對(duì)波動(dòng)率小于2%的風(fēng)電功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。最后，對(duì)不同的統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行比較分析，選取最優(yōu)時(shí)間常數(shù)T，進(jìn)而確定儲(chǔ)存容量和最大風(fēng)電功率。

圖3 定常數(shù)低通濾波的算法流程圖

3 建模仿真

基于有限元分析軟件搭建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算模型，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖4所示，波動(dòng)率超過(guò)2%的占到一半以上，從目前現(xiàn)有研究參考，本文設(shè)定波動(dòng)率2%為設(shè)定參考值。在80分鐘時(shí)所采集的數(shù)據(jù)中可以得出，超過(guò)2%的波動(dòng)率占到了一半以上，故需要加入濾波器進(jìn)行功率平滑。

（1）未加入濾波器時(shí)的輸出功率波動(dòng)率情況。未加入濾波器時(shí)的輸出功率波動(dòng)率情況如圖4所示。

圖4 原始數(shù)據(jù)風(fēng)電機(jī)組每分鐘波動(dòng)情況

（2）加入濾波器時(shí)的輸出功率波動(dòng)率情況。為抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)，在上述建模的基礎(chǔ)上增加了一階濾波器環(huán)節(jié)，計(jì)算分析了不同時(shí)間常數(shù)對(duì)功率波動(dòng)率的影響，并由此選出對(duì)輸出功率波動(dòng)的抑制最佳的時(shí)間常數(shù)T。

由圖5和圖6可知濾波器時(shí)間常數(shù)為T=400s時(shí)波動(dòng)率限制在2%以內(nèi)的比例已經(jīng)占到了80%以上；時(shí)間常數(shù)為T=800s時(shí)波動(dòng)率低于1%的波動(dòng)率已經(jīng)占到了80%，低于2%的波動(dòng)率占到了95%左右，平滑作用較明顯。時(shí)間常數(shù)為T=1000s時(shí)滿足了波動(dòng)率在低于2%范圍之內(nèi)的要求，平滑效果明顯。時(shí)間常數(shù)為T=1200s時(shí)波動(dòng)率小于2%的概率已經(jīng)接近于99%，平滑效果比T=1000時(shí)效果要好。

圖5 各時(shí)間參數(shù)下風(fēng)電功率平滑效果

圖6 各時(shí)間參數(shù)下風(fēng)電機(jī)組每分鐘波動(dòng)情況

T越大，實(shí)現(xiàn)濾波器的成本越高，詳見(jiàn)表1。T=1000s時(shí)的最大波動(dòng)率為1.99%，T=1200s時(shí)的最大波動(dòng)率為1.74%。綜合考慮現(xiàn)有研究成果得出，T=1000s既滿足了平滑性的需要，又降低了成本。當(dāng)T=1200s時(shí)波動(dòng)率小于2%的概率已經(jīng)接近于99%，平滑效果比T=1000s時(shí)效果要好。同時(shí)，表1中不同時(shí)間常數(shù)的平滑效果對(duì)比也說(shuō)明了隨著T的增加，最大儲(chǔ)能容量和最大儲(chǔ)能功率也在增加。

表1 不同時(shí)間常數(shù)的平滑效果對(duì)比

時(shí)間常數(shù)與系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量和儲(chǔ)能功率都有著密切的關(guān)系，通過(guò)在不同時(shí)間常數(shù)分別對(duì)儲(chǔ)能容量和儲(chǔ)能功率的影響作對(duì)比，可以說(shuō)明時(shí)間常數(shù)T對(duì)儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能容量的作用，圖7和圖8比較直觀地說(shuō)明了T越大，儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能容量也會(huì)隨之加大。

圖7 時(shí)間常數(shù)T對(duì)儲(chǔ)能容量的影響

圖8 時(shí)間常數(shù)T對(duì)儲(chǔ)能功率的影響

微電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電功率有不同的要求時(shí)，所需要的儲(chǔ)能容量配置也不一樣。由表2中不同波動(dòng)率所需參數(shù)對(duì)比得出，在不同的最大波動(dòng)率限幅下，所需要的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置要求差別也比較大。

表2 不同波動(dòng)率所需參數(shù)對(duì)比

通過(guò)仿真結(jié)果可知，采用一階低通濾波器對(duì)風(fēng)電輸出功率的波動(dòng)具有很好的平抑作用。通過(guò)調(diào)整時(shí)間參數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，綜合得出濾波效果的性能指標(biāo)，使波動(dòng)率滿足低于2%的目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)的問(wèn)題，本文提出了一種定常數(shù)低通濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，基于一階濾波算法提出一種可抑制有功功率波動(dòng)的能量分配策略，并對(duì)該分配策略在不同的時(shí)間常數(shù)下對(duì)功率波動(dòng)的抑制效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：

①當(dāng)T=400s時(shí)，最大濾波率為3.46%，大于規(guī)定值2%；②當(dāng)T=1000s時(shí)，最大濾波率為1.9%，即滿足小于2%的要求；③隨著T增大最大濾波率減小，但是其成本隨之提高，即T無(wú)窮大時(shí)，無(wú)研究意義，綜合考慮T=1000s，既能滿足要求，又能降低成本。

本研究對(duì)我國(guó)發(fā)電場(chǎng)的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義，在未來(lái)的研究中可以進(jìn)一步考慮通過(guò)多源協(xié)調(diào)風(fēng)電有功波動(dòng)抑制方法，改善電網(wǎng)質(zhì)量，充分利用可再生能源為未來(lái)電網(wǎng)調(diào)度提供理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。