艾 青

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

風(fēng)能發(fā)電受自然條件的約束很大，由于風(fēng)力的不可調(diào)節(jié)導(dǎo)致風(fēng)電出力存在很大的隨機(jī)性，并具有間歇性和波動(dòng)性等特點(diǎn).因此，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行勢必削弱電力系統(tǒng)中發(fā)電功率的可控性，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)中發(fā)電功率對(duì)負(fù)荷功率的可追蹤能力.當(dāng)大規(guī)模風(fēng)電功率波動(dòng)超過電力系統(tǒng)的平衡能力時(shí)，可能引發(fā)電力系統(tǒng)頻率越限，威脅電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全[1-3].

2011年12月2日國家電監(jiān)會(huì)發(fā)布《風(fēng)電安全監(jiān)管報(bào)告》顯示，2010年全國共發(fā)生80起風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)事故，2011年1-8月風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故數(shù)量增至193起，上升趨勢十分明顯.尤其值得關(guān)注的是，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增加，使得風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響從局部配電網(wǎng)逐漸擴(kuò)大到主電網(wǎng)，較小的故障就可能引發(fā)電網(wǎng)電壓較大的波動(dòng)，造成大面積風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，導(dǎo)致地區(qū)電網(wǎng)瓦解，甚至擴(kuò)大為大面積停電事故.

解決風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行問題的措施之一是建立較高預(yù)測精度、功能較為完備的風(fēng)電功率預(yù)測系統(tǒng)，但風(fēng)電輸出功率預(yù)測的誤差總歸會(huì)有，預(yù)測的精度與時(shí)間有關(guān)，通常預(yù)報(bào)時(shí)間越短越精確.在風(fēng)電變化大的情況下，即使預(yù)測很精確，也難以進(jìn)行有效掌握風(fēng)電場的輸出功率[4].而另一種方法是在風(fēng)電場配備一定容量的儲(chǔ)能裝置，通過儲(chǔ)能裝置的充放電功能來快速吞吐有功功率，從而有效平抑并網(wǎng)風(fēng)電輸出功率的波動(dòng).

目前有多種儲(chǔ)能技術(shù)可供選擇，包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器、蓄電池等，各有其特點(diǎn).儲(chǔ)能電池(battery energy storage system)的四象限補(bǔ)償能力能夠有效地解決功率波動(dòng)問題，但其充放電響應(yīng)速度較慢，無法有效平滑高頻功率波動(dòng).超級(jí)電容器(ultra capacitor)響應(yīng)速度快、充放電效率高，但其容量低、造價(jià)高.為了克服由單一儲(chǔ)能裝置作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的不足，采用超級(jí)電容和儲(chǔ)能電池組合的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)(hybrid energy storage system)的思路，充分利用儲(chǔ)能裝置各自的優(yōu)點(diǎn)[5-7].

本文構(gòu)建了適用于風(fēng)力發(fā)電的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，搭建了儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器的簡化模型，用于優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)有功功率的輸出.并考慮儲(chǔ)能設(shè)備的荷電狀態(tài)(state of charge，簡稱SOC)和儲(chǔ)能裝置功率極限值，采用模糊自適應(yīng)控制策略，對(duì)儲(chǔ)能裝置充放電過程進(jìn)行了優(yōu)化控制，從而有效平抑風(fēng)電場并網(wǎng)功率的波動(dòng)，并延長儲(chǔ)能裝置的使用壽命.

圖1 風(fēng)-儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 風(fēng)-儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型

1.1 風(fēng)-儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)-儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含了風(fēng)電機(jī)組、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、交流變壓器、交流母線等.風(fēng)-儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)由變壓器注入公用電網(wǎng)的有功功率為Pw，風(fēng)電機(jī)組注入交流母線的功率為Ps.電池和超級(jí)電容各自發(fā)出的補(bǔ)償功率分別為Pb和Pc，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的補(bǔ)償功率為Ph.那么對(duì)于交流母線有如下的有功功率平衡基本關(guān)系如式1所示.

(1)

由于風(fēng)力發(fā)電電源的不穩(wěn)定性，風(fēng)電機(jī)組輸出功率Ps向電力系統(tǒng)提供的并網(wǎng)有功功率具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，這就需要混合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行補(bǔ)償，減少Ps隨機(jī)波動(dòng)，從而使得Pw保持平滑，提高電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電場并網(wǎng)功率的可控性.

1.2 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容器分別用于補(bǔ)償或吸收低頻和高頻的有功功率，其數(shù)學(xué)模型具有較復(fù)雜的非線性特征，在工程誤差允許的條件下，在本文中將其簡化為一階線性傳遞函數(shù)Gh，如式(2)所示.

(2)

式中：Th為傳遞時(shí)間常數(shù).對(duì)于儲(chǔ)能電池，因?yàn)槠涑浞烹婍憫?yīng)速度較慢，Th選取較大；而超級(jí)電容器的充放電響應(yīng)速度快，則Th選取的較小.

荷電狀態(tài)SOC指的是儲(chǔ)能裝置的剩余容量占總?cè)萘康谋戎担侵贫▋?chǔ)能裝置控制策略的重要依據(jù).以儲(chǔ)能電池為例，其荷電狀態(tài)SOCb與其充放電功率的關(guān)系如式(3)所示.

(3)

式中：Eb0為儲(chǔ)能電池初始容量；ch、dis為其充放電效率；Pch、Pdis為充放電功率；Ebmax為儲(chǔ)能電池的額定容量.超級(jí)電容器的荷電狀態(tài)與儲(chǔ)能電池類似，只是參數(shù)的取值不大相同.

1.3 風(fēng)-儲(chǔ)混合功率控制

本文中的電池儲(chǔ)能是典型的直流電壓型儲(chǔ)能系統(tǒng)，平抑風(fēng)電場輸出功率有兩種接入模式.一種是將電池儲(chǔ)能裝置連接到風(fēng)電場交流母線時(shí)，通過DC/DC斬波器和DC/AC變流器來實(shí)現(xiàn).對(duì)于超級(jí)電容則可直接經(jīng)過DC/AC變流器連接到交流母線.另一種結(jié)構(gòu)是將儲(chǔ)能裝置連接于變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)，通過DC/DC斬波器來實(shí)現(xiàn)混合功率控制，用來平抑發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng)，給電網(wǎng)提供穩(wěn)定的輸出功率.

風(fēng)力發(fā)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)有功、無功功率的傳輸與控制依賴于電力電子變流器來實(shí)現(xiàn)，而儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器功率的大小要與儲(chǔ)能裝置的功率密度匹配.儲(chǔ)能裝置功率為直流側(cè)電壓與最大平均直流電流的乘積.文中采用的模糊自適應(yīng)控制策略是在風(fēng)力機(jī)組最大風(fēng)能捕獲控制的基礎(chǔ)上，引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來補(bǔ)償風(fēng)電場輸出功率波動(dòng)，提高并網(wǎng)風(fēng)電輸出功率的可控性，從而在提高風(fēng)能利用效率的同時(shí)平抑有功功率波動(dòng).

2 混合儲(chǔ)能裝置的模糊自適應(yīng)控制

2.1 混合儲(chǔ)能裝置輸出功率控制原理

(4)

(5)

表1 模糊控制規(guī)則表

2.2 模糊自適應(yīng)控制

本文研究的模糊自適應(yīng)控制器的輸入量為儲(chǔ)能裝置輸出功率變化量ΔPc、Pb及儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài).控制器輸出量是用來控制儲(chǔ)能裝置與交流母線連接的電力電子變流器，通過對(duì)PWM控制模式下導(dǎo)通占空比D的調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)控制Ph跟隨目標(biāo)值運(yùn)用模糊自適應(yīng)控制方式之前，首先需要對(duì)功率變化量ΔP和電荷狀態(tài)進(jìn)行模糊化處理，下面以儲(chǔ)能電池為例進(jìn)行模糊自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì).

考慮到儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)不能超出其額定的最值，將SOCb的論域以其中間值為參考設(shè)計(jì)成[-1,1].其中SOCb取1是表示儲(chǔ)能裝置充電已達(dá)到最大值，因而在設(shè)計(jì)控制規(guī)則時(shí)不能在對(duì)其進(jìn)行充電.同樣道理，當(dāng)SOCb取-1時(shí)，表示其放電已達(dá)最大值，只能對(duì)其進(jìn)行充電.儲(chǔ)能裝置輸出功率變化量Pb作為模糊控制器的另一個(gè)輸入量，特別注意其值不能超過儲(chǔ)能裝置的初始能量值，也就是其引起的荷電狀態(tài)變化不能超出初始值，也不能超出SOCb的上下限.

從模糊控制表可以看出，當(dāng)SOCb為負(fù)大時(shí)，儲(chǔ)能裝置能量為最小值，只能對(duì)其進(jìn)行充電控制，即ΔPb為正大時(shí)，儲(chǔ)能電池從電網(wǎng)得到電能，對(duì)應(yīng)模糊控制器輸出為負(fù)大.而當(dāng)SOCb為正大時(shí)，儲(chǔ)能裝置能量為最大值，只能對(duì)其進(jìn)行放電控制，即當(dāng)ΔPb為負(fù)大時(shí)，儲(chǔ)能電池向電網(wǎng)輸出電能.

模糊控制策略目標(biāo)如下：當(dāng)儲(chǔ)能設(shè)備容量接近容量限制時(shí)，及時(shí)修正儲(chǔ)能設(shè)備功率參考值，避免儲(chǔ)能設(shè)備過度充放電.如果荷電狀態(tài)將要達(dá)到上限時(shí)，功率參考值仍為充電，則適當(dāng)調(diào)小功率參考值，避免儲(chǔ)能設(shè)備因達(dá)到上限時(shí)發(fā)生功率畸變，影響儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命.

圖2 仿真模型結(jié)構(gòu)圖

3 仿真分析

為了驗(yàn)證混合儲(chǔ)能裝置及其控制策略的有效性，本文利用Matlab平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析，通過對(duì)電力電子裝置的控制來調(diào)節(jié)儲(chǔ)能裝置的輸出功率，用來平抑發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng)給電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率.仿真模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

考慮到風(fēng)電場風(fēng)速的變化是隨機(jī)的，由于短期的風(fēng)電功率預(yù)測的準(zhǔn)確度較高，當(dāng)電網(wǎng)的需求功率為恒定值時(shí)的情況，重點(diǎn)分析風(fēng)速的波動(dòng)對(duì)風(fēng)電場并網(wǎng)功率的影響，為了滿足電網(wǎng)恒定功率的需求，需要對(duì)混合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行充放電控制.

本文仿真的功率控制目標(biāo)值為Pw=Pg*，風(fēng)電功率波動(dòng)平均值約為0.1 MW，波動(dòng)峰值約為0.3 MW.設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率Ph充電方向?yàn)樨?fù)，放電方向?yàn)檎?采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的模糊控制模型，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的平抑風(fēng)電場輸出功率效果如圖3所示.當(dāng)風(fēng)電功率大于目標(biāo)值時(shí)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)存儲(chǔ)多余功率；反之，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，補(bǔ)償功率的缺額，最終風(fēng)電功率能夠基本穩(wěn)定控制目標(biāo)值，較好地平抑發(fā)電機(jī)輸出功率波動(dòng).

圖3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平抑仿真曲線

4 小結(jié)

在風(fēng)電場中引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效改善風(fēng)電場的并網(wǎng)功率的穩(wěn)定性，提高了電網(wǎng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電功率的可控性.本文主要研究一種模糊自適應(yīng)控制策略，綜合考慮儲(chǔ)能裝置的荷電狀態(tài)和功率參考值，通過協(xié)調(diào)配合發(fā)揮儲(chǔ)能電池和超級(jí)電容各自優(yōu)勢.對(duì)儲(chǔ)能裝置的充放電過程進(jìn)行了優(yōu)化控制，具有一定的實(shí)用價(jià)值.

[1] 戴慧珠,陳默子,王偉勝,等.中國風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀及有關(guān)技術(shù)服務(wù)[J].中國電力,2005,38(1):80-84.

[2] 遲永寧,劉燕華,王偉勝,等.風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(3):77-81.

[3] 趙勇,胡雅娟,黃巍.風(fēng)電場功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓影響[J].吉林電力,2007,35(2):22-24.

[4] 楊秀媛,肖洋,陳樹勇.風(fēng)電場風(fēng)速和發(fā)電功率預(yù)測研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(11):1-5.

[5] 張步涵,曾杰,毛承雄,等.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(15):54-58.

[6] 李霄,胡長生,劉昌金,等,基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(9):86-90.

[7] 劉昌金,胡長生,李霄,等.基于超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008,32(16):83-88.

[8] 張坤,毛承雄,陸繼明,等.用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2011,23(4):1-5.

[9] 李強(qiáng),袁越,談定中.儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010,38(1):115-120.

[10] 管俊,高賜威.儲(chǔ)能技術(shù)在抑制風(fēng)電場功率波動(dòng)方面的研究綜述[J].電網(wǎng)與清潔能源,2011,27(4):48-52.