吳 峰,鞠 平,秦 川,李 龍,陶愛峰,孫黎霞
(1.河海大學能源與電氣學院,江蘇南京 210098;2.可再生能源發(fā)電技術教育部工程研究中心,江蘇南京 210098;3.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇南京 210098)
海洋覆蓋著地球70%的表面,蘊涵著巨大能量,據估算其能量總和大大超過了目前全球能源的需求。在現(xiàn)有的技術條件下,可利用的海洋能主要分布在近海。近海能源是清潔的可再生能源,科學地開發(fā)和利用對緩解能源危機和環(huán)境污染問題,具有重要意義。我國東部海岸線漫長,近??稍偕茉促Y源豐富,而恰好我國東部沿海地區(qū)經濟發(fā)達、電力負荷密集、電網強大,這些都為大規(guī)模的開發(fā)和利用近??稍偕茉磩?chuàng)造了有利條件和動力。與此同時,我國正在實施海洋資源和可再生能源開發(fā)的發(fā)展戰(zhàn)略,近??稍偕茉醋鳛橐环N重要的海洋資源和清潔能源,其開發(fā)和利用是國家發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求。由此可見,近??稍偕茉磳⒊蔀橹袊磥砟茉唇Y構中的重要組成部分。
近??稍偕茉粗饕薪oL能、波浪能、潮流能、溫差能、鹽差能等。其中,相對于其他近海能源而言,近海風力發(fā)電技術比較成熟,已經進入了商業(yè)化運營階段[1-19];波浪能和潮流能發(fā)電技術近年來取得了長足進步[20-39],各國科技工作者開發(fā)了多種發(fā)電裝置,部分已經建成了試驗電站,隨著相關技術的進一步發(fā)展,波浪能和潮流能發(fā)電系統(tǒng)將成為繼風電之后實現(xiàn)商業(yè)化運營的可再生能源;溫差能和鹽差能由于受技術條件限制,距離實際開發(fā)利用還有相當距離。因此,目前可利用的近??稍偕茉粗饕ńoL能、波浪能和潮流能。
需要指出的是,波浪能和潮流能發(fā)電系統(tǒng)雖然取得了可喜的進展,但波浪能和潮流能裝置的可靠性差是制約其不能實現(xiàn)商業(yè)化運營的主要因素之一。此外,當風暴潮來臨,漂浮的波浪能和潮流能發(fā)電裝置很容易被損壞,這樣不僅由于裝置損毀造成經濟損失,同時還對過往船只、海上建筑物和海堤的安全產生巨大威脅。因此不管是從提高波浪能和潮流能發(fā)電裝置可靠性還是從海域和海岸的安全性出發(fā),都必須有可靠的固定和承載波浪能和潮流能發(fā)電裝置。與此同時,值得注意的是,近海風力發(fā)電裝置的基礎平臺技術成熟[4],如果能夠利用近海風電的基礎平臺,融合近海風力發(fā)電、波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電,構建近??稍偕茉淳C合發(fā)電平臺,不僅能夠大大提高近??稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)的可靠性,還為近海可再生能源的商業(yè)化運營奠定基礎。
近年來,世界各國在近??稍偕茉窗l(fā)電方面開展了廣泛研究,主要研究包括4個方面的內容,即風力發(fā)電,波浪能發(fā)電,潮流能發(fā)電,近??稍偕茉淳C合發(fā)電。
近海風能資源豐富,海上風力發(fā)電近年來發(fā)展迅速,截至2011年底,世界海上風力發(fā)電累計裝機容量已達4 GW。世界各國相繼建成了大型的海上風力發(fā)電場。我國自2004年開始在廣東、上海、浙江、江蘇、山東等沿海地區(qū)規(guī)劃建設海上風力發(fā)電場,并于2010年在上海東海大橋建成了亞洲首座大型近海風力發(fā)電場。
目前對于近海風力發(fā)電的研究主要集中在以下幾個方面:(a)近海風能資源的評估及近海風力發(fā)電場的選址[1-5]。一般來說,海上風資源的評估應基于數(shù)據監(jiān)測和建模技術,而海上風力發(fā)電場的選址除了需要考慮風能資源、水深和海底地質條件以外,在總體規(guī)劃時對海上建筑物、輪船航道、漁業(yè)生產和海生動物的生態(tài)環(huán)境等的影響也應考慮。(b)近海風力發(fā)電系統(tǒng)基礎結構研究[2-4]。海上風力發(fā)電機組基礎結構有重力式結構、單樁結構、三腳架結構、導管架結構和浮式結構,分別對應不同的水深和海床條件。其中單樁結構是目前海上風力發(fā)電場應用最多的一種結構,其次是重力式結構。(c)近海風力發(fā)電機組的研究[2-3,7-9]。目前海上風力發(fā)電機組容量主要集中在2 MW至5 MW。采用的發(fā)電形式主要有間接驅動的雙饋感應發(fā)電機、直驅永磁發(fā)電機以及混合式發(fā)電系統(tǒng)?,F(xiàn)在正在開發(fā)的近海風力發(fā)電機組容量將達6 MW至10 MW。(d)近海風力發(fā)電場接入方式[10-12]。一般情況下,近海風力發(fā)電機組按照一定的規(guī)律排列分布,經內部集電網絡與海上升壓變電站相連接,然后采用交流或者直流方式并網。(e)近海風力發(fā)電場的并網運行[13-19]。由于風力發(fā)電的隨機性和間歇性的特點,會引起電網子系統(tǒng)之間的功率交換的快速變化,對電網的安全穩(wěn)定運行產生了重要的影響。并網運行方向研究工作開展較多,成果也多,主要包括:風力發(fā)電機組及其元件的建模、風力發(fā)電場的等效建模、含風力發(fā)電場電網的安全穩(wěn)定分析和控制以及電能質量問題等。
波浪能方面的研究主要集中于波浪能發(fā)電裝置及其控制器的開發(fā)。波浪能發(fā)電裝置多種多樣,按照能量轉換方式進行分類,大致分為振蕩水柱式、擺式、筏式、收縮波道、點吸收、鴨式等[20-27]。近年來建成的振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置主要有英國的LIMPET(land installed marine powered rnergy transformer)、中國廣東汕尾100 kW固定式電站。采用筏式波浪能利用技術的有英國McCabe波浪泵波力裝置和海蛇(Pelamis)波能裝置[23-24]。收縮波道電站有挪威的350 kW的固定式收縮波道裝置以及丹麥的WaveDragon。點吸收式裝置有英國的AquaBuOY裝置、阿基米德浮子、PowerBuoy以及波浪騎士裝置等。目前,由3臺750 kW的海蛇波浪能發(fā)電裝置構成的波浪能發(fā)電場已經在葡萄牙建成,并已進入商業(yè)化試運營。在波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制和并網技術方面,采用解耦控制技術跟蹤波浪能最大功率,設計全功率的“背靠背”變換器及其控制策略,以滿足波浪能發(fā)電系統(tǒng)并入電網運行的要求[28-32]。
潮流能發(fā)電裝置主要可以分成水平軸式和垂直軸式2種結構[20,33]。目前已研制成功的垂直軸式潮流發(fā)電裝置[34]主要有:加拿大Blue Energy公司研制的試驗樣機,最大功率等級達到100 kW;意大利Ponte di Archimede International Sp A公司和Naples大學合作研發(fā)的130 kW垂直軸水輪機模型樣機。此外,美國GCK Technology公司對一種具有螺旋形葉片的垂直軸水輪機(GHT)進行了研究。日本大學對垂直軸式Darrieus型水輪機進行了一系列的設計及性能試驗研究[35]。在中國,哈爾濱工程大學較早地開展了垂直軸潮流能發(fā)電裝置的研究,研制了40 kW的樣機并進行了海上試驗,同時在垂直軸水輪機的水動力學方面也開展了大量的理論研究[36]。中國海洋大學設計了基于柔性葉片的垂直軸潮流能發(fā)電裝置[37],并對水輪機的結構、參數(shù)和性能進行了優(yōu)化設計。
與垂直軸式結構相比,水平軸式潮流能發(fā)電裝置具有效率高、自啟動性能好的特點,若在系統(tǒng)中增加變槳或對流機構則可使機組適應雙向的潮流環(huán)境[38]。英國Marine Current Turbine公司設計了世界上第1臺大型水平軸式潮流能發(fā)電裝置——300 kW的“Seaflow”,并于2003年成功進行了海上試驗。該公司第2階段商業(yè)規(guī)模的1.2 MW 雙葉輪結構的“Seagen”樣機也于2008年成功進行了試運行[33]。在中國,2005年浙江大學開始了潮流能發(fā)電裝置的研究,2009年研制成功了25 kW的半直驅式潮流能發(fā)電機組,并進行了海上試驗。2010年開發(fā)了20kW液壓傳動式潮流能發(fā)電裝置,實現(xiàn)了平穩(wěn)的功率輸出和變槳距運行[39]。另外東北師范大學也開發(fā)了用于海洋探測儀器的2 kW低流速潮流能發(fā)電裝置,并對其中密封、防腐等關鍵技術進行了研究。
目前在近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)方面的研究還很少。Rahman等[40]提出了基于海上風能和潮流能的混合發(fā)電系統(tǒng),構建了仿真系統(tǒng),通過仿真模型分析了潮流與海上風能之間的相關性,驗證了混合發(fā)電系統(tǒng)的可行性。Da等[41]設計了風能和潮流能混合發(fā)電系統(tǒng)的控制策略,實現(xiàn)了兩種發(fā)電裝置的最大功率跟蹤控制。在此基礎上,Rahman等[42]研究利用潮流能發(fā)電機可在發(fā)電機狀態(tài)和電動機狀態(tài)靈活切換的特點,平滑風力發(fā)電系統(tǒng)的功率波動,使得風能和潮流能混合發(fā)電系統(tǒng)輸出平穩(wěn)的功率。
綜上所述,近年來在近海可再生能源發(fā)電方面已經開展了大量的研究工作,成果主要集中在近海風力發(fā)電平臺的設計和安裝,近海風力發(fā)電機組的設計、控制和并網運行,以及波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電裝置的設計和控制等方面。但這些工作都是以單一的近??稍偕茉窗l(fā)電為研究對象,利用率低而且可靠性差。在近海可再生能源綜合發(fā)電方面有一些初步的研究,但只涉及風能和潮流能,而且只是概念和初步仿真。
為此,筆者提出研究近??稍偕茉淳C合發(fā)電,融合近海風力發(fā)電、波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電,發(fā)揮綜合優(yōu)勢,提高發(fā)電的利用率和可靠性。該系統(tǒng)具有以下特性:(a)分別捕獲位于海面以上幾十米的風能、海平面上的波浪能和海平面以下的潮流能,垂直分布高度差達近百米;(b)發(fā)電裝置具有不同的輸出特性,風力發(fā)電的隨機性較強,波浪能發(fā)電周期性變化,且具有一定的隨機性,潮流能發(fā)電相對平穩(wěn),并可以精確預測;(c)近海可再生能源發(fā)電系統(tǒng)遠離岸邊,最遠可達幾十千米。這一系列特性對近海可再生能源綜合發(fā)電系統(tǒng)的設計、分析、控制以及并網運行,提出了必須研究的一系列內容。
近??稍偕茉淳C合發(fā)電研究框架如圖1所示,主要包括3個方面的研究內容。
a.近海可再生能源綜合發(fā)電單元的構建。近海可再生能源綜合發(fā)電單元是由風力發(fā)電、波浪能發(fā)電、潮流能發(fā)電裝置組成的有機結合體,因此首先需要研究的內容是3種發(fā)電裝置的融合,選擇合適的基礎結構,對發(fā)電裝置進行優(yōu)化組合及合理的空間布置,是提高綜合發(fā)電能量轉換效率,確保各發(fā)電裝置安全運行的前提條件;研究綜合發(fā)電單元內部各發(fā)電裝置之間的電氣連接方式和與之相適應的電力電子變換器,從而保證發(fā)電的可靠性。
此外,還需研究合理的近??稍偕茉窗l(fā)電場內各綜合發(fā)電單元的排列分布方式、電氣連接方式和發(fā)電場接入電網方式,從而保證其并網運行。
b.近??稍偕茉淳C合發(fā)電的建模。近海可再生能源綜合發(fā)電的建模包含2個方面:(a)針對單個綜合發(fā)電單元的建模,模型主要用于綜合發(fā)電單元中各發(fā)電裝置之間的交互性影響分析、協(xié)調控制和能量管理。在建模過程中,要考慮各種發(fā)電裝置的詳細模型以及綜合發(fā)電單元內部的詳細拓撲結構。(b)多個綜合發(fā)電單元構成的近??稍偕茉窗l(fā)電場的等效建模,模型主要用于發(fā)電場接入電網之后,對電網安全穩(wěn)定的影響分析,以及含有近海可再生能源發(fā)電場電網的網源協(xié)調控制。在等效建模過程中,一方面要關注發(fā)電場對電網的整體輸出特性;另一方面,模型要相對簡潔、低階。
c.近??稍偕茉淳C合發(fā)電的控制。大規(guī)模的近??稍偕茉唇尤腚娋W,必然對電網的安全穩(wěn)定產生重要影響。由于各發(fā)電裝置的輸出功率特性不同,首先應在不同的時間框架上,研究發(fā)電場的整體功率輸出特性,然后特別針對發(fā)電場輸出功率的隨機性,分析其與電網之間的交互作用,研究發(fā)電場接入后對電網安全穩(wěn)定和平穩(wěn)運行的影響,特別是對電網的暫態(tài)穩(wěn)定、頻率特性、電壓特性以及小擾動穩(wěn)定特性的影響,為進一步研究和實現(xiàn)含近海可再生能源發(fā)電場電網的協(xié)調控制提供依據。在此基礎之上,綜合應用功率預測技術、廣域測量技術和儲能技術,以電網安全穩(wěn)定和平穩(wěn)運行為目標,研究控制策略和控制方法,以達到含近??稍偕茉措娋W的協(xié)調控制。
2.3.1 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的構建
近海可再生能源綜合發(fā)電的系統(tǒng)構建,主要包括構成設計和電氣連接方式兩個方面。在構成設計方面主要是研究合適的近??稍偕茉窗l(fā)電轉換方式,并對其進行合理布置,構建一個穩(wěn)定可靠的發(fā)電平臺。在電氣連接方面,主要是設計高效的電氣連接和電力電子變換器界面,實現(xiàn)各種可再生能源發(fā)電裝置的相互兼容以及與電網的可靠連接。
圖1 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)研究框架Fig.1 Research framework of hybrid offshore renewable energy generation system
2.3.1.1 近海可再生能源綜合發(fā)電系統(tǒng)的構成
近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)一種可能的結構如圖2所示,其主要研究各種近??稍偕茉窗l(fā)電裝置與基礎平臺相結合的方式。對于近海風力發(fā)電而言,主要是水平軸風機,與基礎平臺相結合的技術相對成熟。波浪能發(fā)電裝置多種多樣,不同的發(fā)電裝置與基礎平臺相結合的方式不同。潮流能主要有兩種發(fā)電形式,水平軸式發(fā)電裝置效率高,自啟動性能好;垂直軸式發(fā)電裝置能夠方便地適應潮流的雙向發(fā)電,兩種發(fā)電裝置與基礎平臺上的結合方式不盡相同。另外,可用于綜合發(fā)電的基礎平臺結構也多種多樣。因此,在系統(tǒng)構成設計過程中,優(yōu)化組合各種不同形式的發(fā)電裝置和基礎平臺結構,使能量總體轉換效率、基礎平臺和發(fā)電裝置的兼容性以及系統(tǒng)運行的安全性等方面綜合最優(yōu)。
2.3.1.2 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的連接
近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)中各發(fā)電裝置,通常采用不同的驅動方式和發(fā)電機類型,從而并網連接方式也相應不同。目前采用的驅動方式和發(fā)電機類型主要有間接驅動的雙饋感應發(fā)電機和直驅永磁發(fā)電機。前一種方式,發(fā)電機直接并網運行,而后一種方式是通過全功率的“背靠背”電力電子變換器并網運行。在這種情況下,可能有以下2種不同的并網連接方案。
第1種為交流并網方式:直驅永磁發(fā)電機出口“背靠背”電力電子變換器的交流側和間接驅動的雙饋感應發(fā)電機的出口分別連接升壓變后并連,然后通過交流輸電線路與岸上電網相連。
圖2 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of hybrid offshore renewable energy generation system
第2種為直流并網方式:所有的發(fā)電裝置均采用“背靠背”電力電子變換器并網運行,在這種情況下,各發(fā)電裝置在“背靠背”的直流側并聯(lián),然后通過海底電纜與岸上的換流站連接,最后并入電網運行。
對以上兩種方案從技術可行性、運行可靠性和建設的經濟性等方面進行分析比較,進而確定最優(yōu)的近??稍偕茉淳C合發(fā)電并網方案。
2.3.2 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的建模
2.3.2.1 近海可再生能源綜合發(fā)電單元的機理建模
近??稍偕茉淳C合發(fā)電的機理建模是以單個近??稍偕茉淳C合發(fā)電為對象,詳細模擬組成綜合發(fā)電單元的各發(fā)電裝置以及相互之間連接的拓撲結構,建立其數(shù)學模型。建模過程中,首先根據風、波浪和潮流各自的特點,建立三者的動力學模型。然后詳細模擬發(fā)電裝置的各個組成部分,建立各類發(fā)電裝置詳細模型。最后,根據綜合發(fā)電單元中各發(fā)電裝置間的電氣連接方式,建立機理模型。
2.3.2.2 近海可再生能源綜合發(fā)電場的等效建模
近??稍偕茉淳C合發(fā)電場的等效建模通??梢苑譃榈刃P徒⒑湍P蛥?shù)獲取兩個部分。由于近??稍偕茉淳C合發(fā)電并網運行時,大量采用電力電子變換器,解耦了電網與發(fā)電場之間的機電聯(lián)系。因此采用非機理的建模方法,對發(fā)電場進行整體等效建模。首先利用綜合發(fā)電單元的機理模型,對發(fā)電場在各種電網故障情況下進行動態(tài)仿真,根據其動態(tài)曲線的特點,建立非機理模型結構和方程。然后以準確描述近??稍偕茉窗l(fā)電場的整體動態(tài)特性為目標,通過辯識來獲得模型參數(shù)。
2.3.3 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的控制
2.3.3.1 近海可再生能源綜合發(fā)電場的功率預測
一種可能的方案是,分開預測再求和,其示意圖如圖3(a)所示。在風功率預測方面的研究成果較多,且海上風速相對平穩(wěn),近海風功率預測可借鑒已有的風功率預測方法。對于波浪能發(fā)電功率的預測可以采用與風功率預測相類似的方法。潮流能相對比較穩(wěn)定,具有較強的規(guī)律性和可預測性,因此可以采用潮流的預報數(shù)據,基于潮流能發(fā)電系統(tǒng)的機理模型,建立潮流和輸出功率之間的對應關系,從而對其輸出功率進行預測。
圖3 近??稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)功率預測示意圖Fig.3 Schematic diagram of power prediction in hybrid offshore renewable energy generation system
另一種可能的方案是,綜合建立模型再預測,其示意圖如圖3(b)所示。由于波浪是由風把能量傳遞給海洋而產生的,所以兩者之間具有一定的相關性,因此可以建立其綜合預測模型。潮流能可以單獨建模,也可以綜合在其中。
2.3.3.2 近??稍偕茉淳C合發(fā)電場的影響分析
搭建含近??稍偕茉淳C合發(fā)電場電網的仿真系統(tǒng),在各種故障下進行動態(tài)仿真,研究發(fā)電場接入后對電網安全穩(wěn)定和平穩(wěn)運行的影響。通過計算含有發(fā)電場電網的故障極限切除時間,分析其對電網暫態(tài)穩(wěn)定性的影響;在隨機輸入條件下,分析可再生能源綜合發(fā)電場對電網頻率特性的影響;在不同的無功電壓控制和無功補償策略情況下,分析發(fā)電場對系統(tǒng)電壓特性的影響;對發(fā)電場電網進行小擾動穩(wěn)定分析,研究其對電網阻尼影響。在分析過程中,同時對電網接納近??稍偕茉吹哪芰M行評估,并識別制約近??稍偕茉创笠?guī)模接入電網的關鍵因素。
2.3.3.3 含近海可再生能源綜合發(fā)電場電網的平穩(wěn)控制
由于近??稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)輸出功率的隨機性,接入電網運行后,對電網的平穩(wěn)運行產生重要影響。近海可再生能源綜合發(fā)電場輸出功率特性可分為短期特性和中長期特性,相應的含綜合發(fā)電場電網的協(xié)調控制框架如圖4所示,協(xié)調控制體系分為3層:(a)底層控制實現(xiàn)發(fā)電場內部多電源的相互協(xié)調;(b)中間層控制用于發(fā)電場與儲能設備之間的相互協(xié)調;(c)上層控制實現(xiàn)發(fā)電場、儲能系統(tǒng)與電網中其他常規(guī)電源之間的協(xié)調。
對于短期功率的快速變化,可通過儲能設備進行功率曲線平滑。在考慮儲能系統(tǒng)運行約束的前提下,根據功率波動特性和所接入電網的運行要求,設計近??稍偕茉淳C合發(fā)電場、儲能設備和電網之間的協(xié)調控制策略,實現(xiàn)電網實時的平穩(wěn)運行。
對中長期的功率變化,應采用預防性的平穩(wěn)控制策略,保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。根據發(fā)電場輸出功率中長期的預測結果,分析發(fā)電場的輸出功率的變化趨勢,研究電網是否能夠運行在安全穩(wěn)定范圍內,并具有一定的裕度。如果電網的運行點超出了安全穩(wěn)定的范圍,或者穩(wěn)定裕度過小,則必須對電網進行預防性平穩(wěn)控制。預防性平穩(wěn)控制以電網保持穩(wěn)定運行和電網運行的經濟性最優(yōu)為目標,協(xié)調近??稍偕茉淳C合發(fā)電場和電網中其他各發(fā)電機組的運行方式,保持電網長期平穩(wěn)運行。
圖4 含綜合發(fā)電場電網協(xié)調控制框架Fig.4 Schematic diagram of coordinate control framework
在總結國內外近??稍偕茉窗l(fā)電研究進展的基礎上,提出研究融合近海風力發(fā)電、波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電的近??稍偕茉淳C合發(fā)電。從近??稍偕茉淳C合發(fā)電的構建、建模和控制三方面進行論述。在近??稍偕茉淳C合發(fā)電單元的構建方面,由于近海風能、波浪能和潮流能的發(fā)電裝置空間位置和動力學特性的不同,選擇合適的基礎結構和綜合發(fā)電單元內部各發(fā)電裝置之間的連接方式,對發(fā)電裝置進行優(yōu)化組合及合理的空間布置,是提高綜合發(fā)電單元能量轉換效率,確保各發(fā)電裝置安全可靠發(fā)電的前提條件。在綜合發(fā)電的建模方面,首先建立綜合發(fā)電單元的詳細機理模型,主要用于發(fā)電單元中各發(fā)電裝置之間的交互性影響分析、協(xié)調控制和能量管理。在此基礎上,對由多個綜合發(fā)電單元構成的綜合發(fā)電場進行等效建模,模型主要用于近海可再生能源發(fā)電場接入電網之后,對電網安全穩(wěn)定的影響分析。在綜合發(fā)電的控制方面,提出利用近??稍偕茉吹墓β暑A測技術、廣域測量技術和電力儲能等新技術,建立含綜合發(fā)電場電網的分層次控制策略體系,提高含近??稍偕茉窗l(fā)電場電網的整體運行性能。
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