王戰(zhàn)棟,陳 潔
(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830047)
近些年來(lái),能源資源消耗嚴(yán)重,且化石燃料所造成的環(huán)境污染對(duì)生態(tài)環(huán)境和自然環(huán)境造成不可磨滅且不可逆的影響。風(fēng)力發(fā)電作為新一代的清潔能源,具有無(wú)污染,可再生等優(yōu)點(diǎn),因此日益受到世界各國(guó)的重視。截止2017年中國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到1.95 GW[1],由于大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電并入電網(wǎng),風(fēng)力發(fā)電出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性等問(wèn)題。因此為解決這一問(wèn)題,各國(guó)專(zhuān)家研究通過(guò)裝配儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平滑風(fēng)力發(fā)電的有功功率曲線平抑風(fēng)電的有功功率波動(dòng),提高風(fēng)電的并網(wǎng)質(zhì)量,減少風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)限電現(xiàn)象。
儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的有功功率波動(dòng)平抑算法主要有:
(1)一階低通濾波算法,其將風(fēng)電場(chǎng)有功功率出力數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)由兩個(gè)時(shí)間常數(shù)控制的一階低通濾波器平抑后,得到高頻與低頻的有功功率平抑信號(hào),由低通濾波器特性可知時(shí)間常數(shù)越大,有功功率出力平抑效果越好。文獻(xiàn)[2]采用兩個(gè)一階低通濾波器來(lái)平滑風(fēng)電輸出的波動(dòng),并建立了反映混合儲(chǔ)能參數(shù)的長(zhǎng)期數(shù)學(xué)模型。
(2)小波濾波算法,由于是自適應(yīng)濾波算法,對(duì)風(fēng)電出力這種波動(dòng)不平穩(wěn)信號(hào)處理具有很大的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[3]利用小波濾波算法對(duì)風(fēng)電有功功率的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)進(jìn)行提取,分別使用超級(jí)電容器與蓄電池進(jìn)行平抑。
(3)模型預(yù)測(cè)控制算法,文獻(xiàn)[4]提出一種雙層控制模型,并建立專(zhuān)家信息庫(kù)。由風(fēng)電功率和儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)依次檢索專(zhuān)家信息庫(kù),得到相應(yīng)的控制算法控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電,平抑風(fēng)電功率波動(dòng)。
這3種算法在風(fēng)電輸出功率波動(dòng)性平抑上有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),但卻沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)比與分析,且文獻(xiàn)中大多沒(méi)有對(duì)平抑算法在平滑風(fēng)電功率波動(dòng)后滿足國(guó)家電網(wǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定量的分析。
(1)
由式(1)的風(fēng)速分解結(jié)果可得
PW=Pave+Pvar
(2)
式中,PW是風(fēng)力機(jī)的實(shí)時(shí)輸出功率;PW可以分解為平均風(fēng)速產(chǎn)生的功率Pave和瞬時(shí)風(fēng)速產(chǎn)生的功率Pvar。一階低通濾波器可以過(guò)濾掉風(fēng)電出力的高頻部分,使風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)能夠獲得相對(duì)平滑的風(fēng)功率并入電網(wǎng)[6]。由PW產(chǎn)生的平均風(fēng)速分量Pave一階低通濾波關(guān)系為
(3)
為了評(píng)價(jià)一階低通濾波器對(duì)有功功率的平滑效果,滿足國(guó)網(wǎng)1 min和10 min的并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),令Δt=1 min,在一天24 h將其分為24×60個(gè)分?jǐn)帱c(diǎn),設(shè)定采樣點(diǎn)為1 440個(gè)點(diǎn),則每個(gè)采樣分段點(diǎn)的波動(dòng)率Δδi為
(4)
式中,Pave(i)為第i分鐘連接到電網(wǎng)的功率;Q是發(fā)電場(chǎng)的裝機(jī)容量。如果發(fā)電系統(tǒng)1 min的限定功率變化量為Δδ,則第i分鐘波動(dòng)率的特征量L(i)可定義為
(5)
因此表示有功功率輸出平滑性的函數(shù)LOS表示為
(6)
根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)規(guī)范,給出了風(fēng)電場(chǎng)最大功率波動(dòng)的推薦值。在1 min內(nèi),最大功率波動(dòng)率通常低于裝機(jī)容量的5%,而γ是1 min內(nèi)的最大功率波動(dòng)率[6]。根據(jù)新疆某裝機(jī)容量為50 MW風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得出:風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量小于5%的概率分布與一階低通濾波器時(shí)間常數(shù)的關(guān)系如圖1所示。
圖1 最大功率波動(dòng)率小于風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量5%的概率分布
當(dāng)t1小于10 min時(shí),在5%的裝機(jī)容量以下1 min 內(nèi)最大功率輸出變化率變化的概率增長(zhǎng)緩慢。當(dāng)t1=10 min時(shí),最大功率變化率在1 min內(nèi)達(dá)到裝機(jī)容量的5%以上,達(dá)到100%。因此,時(shí)間常數(shù)t1的取值范圍需要10 min。1 min下滿足風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),最大功率變化率在裝機(jī)容量的5%以下,10 min時(shí)最大功率變化率在裝機(jī)容量的15%以下,計(jì)算過(guò)程如上所示相同。
小波濾波算法是小波技術(shù)的一種重要應(yīng)用,小波變換的窗口面積固定,函數(shù)的形狀隨時(shí)可以改變的時(shí)域局部化信號(hào)的一種分析方法,其時(shí)頻局部化和多分辨率性質(zhì)使得小波濾波可以在濾除高頻噪聲的同時(shí)保留信號(hào)的突起和邊緣。利用小波變換對(duì)風(fēng)電瞬時(shí)功率中的高頻干擾部分進(jìn)行濾除,從而保留功率階躍的高頻部分[7]。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看,超級(jí)電容器平滑有功功率波動(dòng)高頻部分,電池跟蹤功率的階躍信號(hào)以減少延遲。原始信號(hào)S經(jīng)過(guò)小波分解得到低頻信號(hào)A1和高頻信號(hào)D1,對(duì)上層得到低頻信號(hào)A1再次通過(guò)小波分解得到低頻信號(hào)A2和高頻信號(hào)D2,則低頻信號(hào)A3和高頻信號(hào)D3可對(duì)A2進(jìn)行小波分解得到。因此三層小波分解樹(shù)變換圖如圖2所示。
圖2 三層小波分解樹(shù)變換示意
由上圖知小波變換只是每一層對(duì)上一層分解的低頻信號(hào)進(jìn)行小波變換,沒(méi)有對(duì)每一層分解的高頻信號(hào)進(jìn)行小波變換,從而導(dǎo)致對(duì)局部高頻信號(hào)的時(shí)頻域分析產(chǎn)生問(wèn)題。因此小波包變換隨之而生,其在小波變換的基礎(chǔ)上對(duì)每一層分解的高頻信號(hào)再次進(jìn)行分解,分解程度更加精細(xì)。小波包數(shù)學(xué)定義為
(7)
式中,{hk}k∈z是低通濾波器的系數(shù);{gk}k∈z是高通濾波器系數(shù);μ0(t)、μ1(t)為正交尺度函數(shù)。μ0(t)、μ1(t)、hn、gn定義小波包函數(shù)為
(8)
則小波包分解算法可表示為
(9)
小波包重構(gòu)算法為
(10)
如圖3所示可以看出小波包分解對(duì)每一層的高頻信號(hào)進(jìn)行了分解,H和L分別是信號(hào)進(jìn)行小波包分解后的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)。N層信號(hào)進(jìn)行分解可以得到2n個(gè)信號(hào)。
圖3 三層小波包分解樹(shù)結(jié)構(gòu)示意
利用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率進(jìn)行平抑,對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行小波包分解,得到風(fēng)電有功功率并網(wǎng)目標(biāo)曲線、能量密度型儲(chǔ)能平滑風(fēng)電輸出功率的低頻波動(dòng)目標(biāo)曲線和功率型儲(chǔ)能平滑風(fēng)電輸出功率的高頻波動(dòng)目標(biāo)曲線。
通常對(duì)風(fēng)電有功出力進(jìn)行小波包分解時(shí),分解層數(shù)越多,則得到的并網(wǎng)目標(biāo)功率曲線越平滑,儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功平抑效果越好。但不同的小波包分解層數(shù)得到的有功功率目標(biāo)曲線不一定能夠滿足國(guó)家電網(wǎng)并網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過(guò)n層小波包分解,第一次出現(xiàn)的滿足國(guó)網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的低頻信號(hào)作為小波包分解最佳層[8]。對(duì)風(fēng)電有功功率信號(hào)較大層數(shù)的小波包分解更能滿足國(guó)網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使并網(wǎng)功率目標(biāo)曲線更平滑,提高風(fēng)電并網(wǎng)質(zhì)量,但相應(yīng)的需要的儲(chǔ)能裝置將增多,不符合經(jīng)濟(jì)性要求。
風(fēng)電場(chǎng)有功功率信號(hào)經(jīng)過(guò)小波包分解,得到低頻功率信號(hào)、中頻功率信號(hào)、高頻功率信號(hào),其中低頻功率信號(hào)幅值與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)目標(biāo)功率信號(hào)相似,則低頻功率信號(hào)可以直接并入電網(wǎng),而中頻功率信號(hào)可以由能量密度大、功率密度小且充放電時(shí)間長(zhǎng)的儲(chǔ)能來(lái)平抑,高頻功率信號(hào)可以由功率密度大、可以頻繁充放電的儲(chǔ)能來(lái)平抑[9]。風(fēng)電功率分解層數(shù)越多,并網(wǎng)目標(biāo)功率曲線就越平滑,但儲(chǔ)能設(shè)備的增多加大了風(fēng)電場(chǎng)的投資,不利于可再生能源風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)。
風(fēng)電歷史有功功率出力曲線經(jīng)過(guò)5層小波包分解得到1 min和10 min功率波動(dòng)量如圖4、5所示。
圖4 5層小波包分解10 min波動(dòng)量與時(shí)間t關(guān)系
圖5 5層小波包分解1 min波動(dòng)量與時(shí)間t關(guān)系
《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)的有功功率最大功率變化率推薦值如下:風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為30~150 MW時(shí),風(fēng)電場(chǎng)10 min最大功率變化量和1 min最大功率變化量分別為裝機(jī)容量/1.5(3) MW和裝機(jī)容量/5(10) MW。
對(duì)圖中5層小波包分解風(fēng)電有功功率得到1 min和10 min的輸出目標(biāo)功率波動(dòng)量曲線知,分解層數(shù)為5層時(shí),1 min和10 min的最大功率變化量均能滿足國(guó)家《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》,雖然能夠繼續(xù)增大分解層數(shù)且能使風(fēng)電場(chǎng)1 min和10 min最大功率變化量更少,使有功功率輸出目標(biāo)功率曲線更加平滑,更能滿足接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定,但分解層數(shù)的增大必然使儲(chǔ)能設(shè)備增多,加大投資,使整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性變差,不利于風(fēng)電的大規(guī)模建設(shè)與發(fā)展[5-9]。因此將小波包分解層數(shù)n=5作為平抑風(fēng)電場(chǎng)有功功率的最佳分解層數(shù)。
模型預(yù)測(cè)控制是基于過(guò)程預(yù)測(cè)模型的一種方法,是一種使用回退視界且在線考慮系統(tǒng)約束條件的控制方法,具有安全約束和方便處理系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn),在風(fēng)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[10]。由于模型預(yù)測(cè)控制算法具有良好的約束處理能力,將風(fēng)電輸出目標(biāo)有功功率波動(dòng)率作為安全約束條件,提出基于風(fēng)電并網(wǎng)波動(dòng)率的模型預(yù)測(cè)控制算法。將一天的控制時(shí)間段中1 min的有功功率波動(dòng)率最小作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)于有功功率波動(dòng)率的一階低通濾波器和模型預(yù)測(cè)控制算法比較分析。
考慮到風(fēng)電場(chǎng)有功功率并入電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性,設(shè)定1 min和10 min的時(shí)間段中的平抑波動(dòng)率指標(biāo),一天中任意1 min內(nèi)有功功率目標(biāo)最大值與最小值之差小于y1(1 min最大功率變化量)
風(fēng)電功率PW和儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率PB合成P0經(jīng)過(guò)升壓變壓器并入電網(wǎng),儲(chǔ)能系統(tǒng)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電功率PW,綜合平抑功率波動(dòng)指標(biāo)向儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變流器釋放充放電功率指令。則
P0(k+1)=PW(k)+PB(k)
(11)
式中,PW(k)為k時(shí)刻風(fēng)電有功功率;PB(k)為k時(shí)刻儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率;P0(k+1)為k+1時(shí)刻風(fēng)電并網(wǎng)功率。
儲(chǔ)能系統(tǒng)在k時(shí)刻的儲(chǔ)存能量EB(k)如式(12)
(12)
式中,EB(0)為儲(chǔ)能系統(tǒng)在0時(shí)刻的儲(chǔ)存能量;PB(j)為儲(chǔ)能系統(tǒng)在第j時(shí)刻的輸出功率。
有功功率波動(dòng)功率1 min和10 min約束條件如下
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
風(fēng)電場(chǎng)額定容量Prated為50 MW,選取1 d內(nèi)24 h的風(fēng)電輸出功率歷史數(shù)據(jù),在1 d內(nèi)任意1 min的經(jīng)過(guò)算法平抑風(fēng)電功率曲線如圖6所示。
圖6 任意1 min最大波動(dòng)量與時(shí)間t關(guān)系
原始風(fēng)電功率波動(dòng)較為劇烈,經(jīng)過(guò)算法平抑之后任意1 min的波動(dòng)率顯然低于2 MW,任意10 min的波動(dòng)率計(jì)算與上面相同不做贅述。通過(guò)計(jì)算知1 min和10 min的功率波動(dòng)率都低于國(guó)家對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)技術(shù)要求,滿足《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。
通過(guò)應(yīng)用上述3種平抑算法得到1 min和10 min的功率波動(dòng)數(shù)據(jù)結(jié)果表明:模型預(yù)測(cè)控制算法在對(duì)風(fēng)電進(jìn)行平抑得到的功率波動(dòng)數(shù)據(jù)更低,更加符合并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),且采用一階低通濾波算法對(duì)風(fēng)電有功功率進(jìn)行平抑,計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大功率和容量分別為11.120 8 MW和21 264 kW·h。應(yīng)用小波濾波算法對(duì)風(fēng)電有功功率進(jìn)行平抑,計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大功率和容量分別為10.783 9 MW和163 761 kW·h。采用模型預(yù)測(cè)控制算法對(duì)風(fēng)電有功功率進(jìn)行平抑,計(jì)算得到儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大功率和容量分別為10.276 3 MW和12 674.9 kW·h。由配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大功率及容量結(jié)果可知,模型預(yù)測(cè)控制算法平抑得到儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率更小,容量配置結(jié)果最低,則儲(chǔ)能出力更加平滑,對(duì)儲(chǔ)能容量需求較小,大大節(jié)省了成本,經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。
本文對(duì)提出的3種主要常用平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的算法:一階低通濾波算法、小波濾波算法、模型預(yù)測(cè)算法分別進(jìn)行分析,這3種平抑算法均能夠平抑風(fēng)電有功功率波動(dòng),使風(fēng)電目標(biāo)有功功率滿足并網(wǎng)技術(shù)要求。對(duì)其進(jìn)行定性定量的計(jì)算分析可知,模型預(yù)測(cè)控制算法在平滑風(fēng)電輸出功率中,功率波動(dòng)數(shù)據(jù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)最大功率及容量最低,提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。模型預(yù)測(cè)控制算法對(duì)以用儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動(dòng)有較好的指導(dǎo)意義。