蘭天

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 遼寧沈陽(yáng) 110000

我國(guó)近些年來(lái)在輸電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及普及方面加大了投入力度，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)能源戰(zhàn)略的發(fā)展。但是由于現(xiàn)階段我國(guó)關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的研究較為落后，導(dǎo)致電能利用率低、電能質(zhì)量差、輸電效率差等問(wèn)題依舊普遍存在，因此針對(duì)發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的研究有待進(jìn)一步深入。因此本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)作為研究對(duì)象，具有十分重要的積極意義，開(kāi)展儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，進(jìn)而促使我國(guó)的電力產(chǎn)業(yè)獲得更加廣闊的發(fā)展空間和更加光明的發(fā)展前景[1]。

1 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

由于風(fēng)電的發(fā)電形式和風(fēng)能的不穩(wěn)定性決定了風(fēng)電不能像水電火電那樣穩(wěn)定應(yīng)用，這時(shí)候人們就想把大風(fēng)時(shí)候發(fā)的電存儲(chǔ)起來(lái)，留到風(fēng)小的時(shí)候使用。風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2．74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍。很早就被人們利用——主要是通過(guò)風(fēng)車(chē)來(lái)抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來(lái)發(fā)電，開(kāi)展儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，主要可以將研究?jī)?nèi)容總結(jié)歸納如下：

1.1 風(fēng)力電機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹

風(fēng)力電機(jī)主要包括定子、轉(zhuǎn)子等組件，定子由定子鐵芯和定子繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由鐵芯、儲(chǔ)能繞組、集電環(huán)、轉(zhuǎn)軸等幾部分構(gòu)成，發(fā)電機(jī)即是指風(fēng)力電機(jī)處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

風(fēng)力電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，儲(chǔ)能繞組通入直流電流，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，由原動(dòng)機(jī)會(huì)拖動(dòng)風(fēng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。再這樣的情況下，定子電樞繞組就會(huì)切割磁感線(xiàn)，產(chǎn)生感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)，其頻率和轉(zhuǎn)速以及極對(duì)數(shù)相關(guān)[2]。

風(fēng)力電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，在電網(wǎng)中占據(jù)著十分重要的地位，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，除了能夠提供電力能源外，風(fēng)力電機(jī)在無(wú)功功率分配方面也發(fā)揮著一定的作用。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制的基本原理分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能電源和其他相關(guān)附屬設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜體系，其大致可以分為主電路和儲(chǔ)能調(diào)節(jié)控制器兩個(gè)部分，具體如圖2所示，其中儲(chǔ)能功率單元為電源部分，主要作用是提供直流儲(chǔ)能電流。儲(chǔ)能調(diào)節(jié)控制器則負(fù)責(zé)管理儲(chǔ)能功率單元的輸出。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的作用主要有三點(diǎn)：其一，對(duì)電壓進(jìn)行控制。在電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過(guò)程中，負(fù)荷是出于不斷變動(dòng)中的，而負(fù)荷的波動(dòng)則會(huì)引起發(fā)電機(jī)端電壓的變化，而儲(chǔ)能控制系統(tǒng)就負(fù)責(zé)對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)解，盡可能的維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，具體是通過(guò)增減儲(chǔ)能電流的方式達(dá)到效果。其二，對(duì)無(wú)功功率的分配進(jìn)行控制[3]。當(dāng)發(fā)電機(jī)和無(wú)窮大的電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓基本上可以看作一個(gè)恒定值，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和頻率相關(guān)，和儲(chǔ)能電壓以及儲(chǔ)能電流無(wú)關(guān)，換而言之，儲(chǔ)能的變化不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率產(chǎn)生影響。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能電流發(fā)生變化時(shí)，只會(huì)改變無(wú)功功率和功率角的大小。其三，提高并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)單機(jī)的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)運(yùn)行于一個(gè)時(shí)刻存在各類(lèi)個(gè)干擾的環(huán)境中，如果發(fā)電機(jī)能夠在受到擾動(dòng)之后迅速恢復(fù)到原來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)或是過(guò)渡到一個(gè)新的運(yùn)行狀態(tài)，即靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，則可以判斷其具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

為了使上述作用得到充分的發(fā)揮，儲(chǔ)能控制系統(tǒng)需要滿(mǎn)足三個(gè)方面的要求：其一，具備最優(yōu)化的電機(jī)功率因數(shù)。其二，擁有較強(qiáng)的抗電網(wǎng)電壓突變能力。其三，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能夠快速滅磁。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)模型

如圖3所示，典型的發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行主要可以分為電壓測(cè)量比較、綜合方法、功率單元、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等環(huán)節(jié)。

結(jié)合圖3來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)主要包括三個(gè)單元，分別是測(cè)量比較單元、綜合放大單元以及整流單元。測(cè)量比較單元是采用比閉環(huán)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能系統(tǒng)不可缺少的一部分，其主要作用是對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和獲取，并將實(shí)測(cè)的電壓值和基準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，獲得電壓偏差信號(hào)，最終送入到綜合放大單元。忽略比較電路的延時(shí)，可以使用以下傳遞函數(shù)對(duì)測(cè)量比較單元進(jìn)行描述：

其中KR表示的是比例系數(shù)，TR表示的是測(cè)量單元時(shí)間常數(shù)。

很多情況下，測(cè)量比較單元輸出的信號(hào)功率偏小，無(wú)法達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)功率放大單元的效果，此時(shí)為了獲得滿(mǎn)足功率要求的控制信號(hào)，就必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合放大處理，這就是綜合放大單元的作用。為了進(jìn)一步強(qiáng)化儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能，通常會(huì)將各類(lèi)控制算法引入該單元中，如增加響應(yīng)速度、減少超調(diào)量等。綜合放大單元的傳遞函數(shù)如下：

其中KA為電壓放大系數(shù)，TA代表的是放大器的時(shí)間常數(shù)。

整流單元通常選用晶閘管，其在電路中的整流是不連續(xù)的，這使得整流輸出的電壓Ud和觸發(fā)脈沖控制信號(hào)Usm不風(fēng)力，造成一定的延時(shí)，延時(shí)的長(zhǎng)短取決于整流電路的整體結(jié)構(gòu)，一般可以用電角度對(duì)其最大可能滯后時(shí)間進(jìn)行描述。晶閘管最大可能的時(shí)滯時(shí)間可以表達(dá)為：

其中m代表的是控制相數(shù)，f代表的是電源頻率，在考慮時(shí)間滯后因素影響的情況下，整流電路的輸出電壓可以表達(dá)為：

ud=KZusm（t-TZ）

其中KZ代表的是觸發(fā)脈沖和輸出電壓間的放大系數(shù)，之后對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換可得：

Ud（s）=Kze-TZsuSM（s）

之后即可獲得整流單元的傳遞函數(shù)：

經(jīng)泰勒展開(kāi)并保留展開(kāi)式中第一項(xiàng)等程序簡(jiǎn)化后可得傳遞函數(shù)：

2 儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法分析

把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L(fēng)能利用中最基本的一種方式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般有風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)（包括裝置）、調(diào)向器（尾翼）、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)能裝置等構(gòu)件組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理比較簡(jiǎn)單，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機(jī)械能[4]。發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)輪是集風(fēng)裝置，它的作用是把流動(dòng)空氣具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪由2個(gè)或3個(gè)葉片構(gòu)成。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，已采用的發(fā)電機(jī)有3種，即直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)。以提供給發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能電源的差異性作為依據(jù)，可以將發(fā)電機(jī)儲(chǔ)能系統(tǒng)分為直流儲(chǔ)能機(jī)系統(tǒng)、交流儲(chǔ)能機(jī)系統(tǒng)以及自勵(lì)式靜態(tài)儲(chǔ)能系三種類(lèi)型。其中直流儲(chǔ)能機(jī)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生獨(dú)立的儲(chǔ)能電流，具有較強(qiáng)的可靠性，其核心設(shè)備為專(zhuān)用的直流儲(chǔ)能機(jī)，采用和發(fā)電機(jī)同軸安裝的方式，通過(guò)滑環(huán)和固定的電刷，發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能繞組可以獲得直流電流。該系統(tǒng)的不足在于調(diào)節(jié)速度較為緩慢，且維護(hù)不方便，因此在大型發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用較少。交流儲(chǔ)能機(jī)系統(tǒng)通常安裝在發(fā)電機(jī)軸上，由于輸出的是交流電流，因此必須增設(shè)整流環(huán)節(jié)。相較于直流儲(chǔ)能機(jī)系統(tǒng)，交流儲(chǔ)能機(jī)系統(tǒng)不具有電刷和滑環(huán)等部件，因此制造更加簡(jiǎn)單，且運(yùn)行可靠性更高，不足之處在于交流電勢(shì)的諧波分量過(guò)大且在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。自勵(lì)式靜止儲(chǔ)能系統(tǒng)和上述兩種儲(chǔ)能系統(tǒng)存在本質(zhì)的區(qū)別，其省略了儲(chǔ)能機(jī)，而是從發(fā)電機(jī)本身獲取儲(chǔ)能電源。自勵(lì)式靜止儲(chǔ)能主要包括自并勵(lì)和自復(fù)勵(lì)兩種形式，二者的區(qū)別在于儲(chǔ)能來(lái)源的種類(lèi)不同，前者為一種，二者為兩種。在后一種形式下，發(fā)電機(jī)如果在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)短路故障，大功率電流互感器會(huì)為發(fā)電機(jī)提供較大的儲(chǔ)能電流[5]。

儲(chǔ)能控制方式的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。截止到目前為止，儲(chǔ)能控制方式的發(fā)展主要經(jīng)歷了六個(gè)階段：首先，早期的古典儲(chǔ)能方式。最初的儲(chǔ)能控制是對(duì)單變量的儲(chǔ)能調(diào)節(jié)，具體是通過(guò)電機(jī)機(jī)端電壓的偏差信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行單一的比例P調(diào)節(jié)。這種方式在控制精度和穩(wěn)定性等方面都存在著較大的缺陷，對(duì)此，人們提出了對(duì)電壓偏差值加上積分I和微分D解以解決問(wèn)題，使得控制效果出現(xiàn)了一定幅度的提升，但仍舊無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定的需求。之后，人們提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS，用于克服調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，但使用條件卻存在較大的限制，不僅需要預(yù)先整定好參數(shù)，而且要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)。

線(xiàn)性最優(yōu)儲(chǔ)能控制方式。這是最優(yōu)控制概念引入儲(chǔ)能控制領(lǐng)域誕生出的一種控制方式，相較于古典儲(chǔ)能方式，其能夠有效的解決系統(tǒng)不定性和時(shí)變性的問(wèn)題，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。這種控制方式雖然能夠提供良好的控制效果，但必須在理想狀態(tài)下才能達(dá)成，原因在于其設(shè)計(jì)方面的局限性，且在抗干擾方面也稍顯不足[6]。

非線(xiàn)性?xún)?chǔ)能控制方式，為了解決現(xiàn)行控制器無(wú)法有效適應(yīng)非理想系統(tǒng)的問(wèn)題，人們提出了非線(xiàn)性的儲(chǔ)能控制器，這種空駛方式對(duì)于非線(xiàn)性和參數(shù)或是看狀態(tài)變化的系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，因?yàn)槠湓硎且环N數(shù)學(xué)幾何結(jié)構(gòu)的微分。但由于微分結(jié)合原理存在明顯的針對(duì)性，因此非線(xiàn)性?xún)?chǔ)能控制器只在參數(shù)明確的系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢(shì)，無(wú)法普遍適用于所有系統(tǒng)，在實(shí)用性上存在不足。此外，控制理論發(fā)展的局限性使得非線(xiàn)性?xún)?chǔ)能控制器在運(yùn)用其他控制理論時(shí)嚴(yán)重受阻。

再次，自適應(yīng)儲(chǔ)能控制方式。系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行方式在實(shí)際工作中會(huì)經(jīng)常發(fā)生變動(dòng)，人們針對(duì)這一特征提出了自適應(yīng)儲(chǔ)能控制方式，即根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際情況對(duì)自身參數(shù)和控制規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這使得控制效果得到了大幅度的提升。由于這種控制器的參數(shù)需要對(duì)系統(tǒng)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，因此在一些特殊情況下，如控制對(duì)象處于短暫的電磁暫態(tài)過(guò)程時(shí)，需要進(jìn)行大量的計(jì)算。

智能化儲(chǔ)能控制方式，這是一種信息時(shí)代提出的儲(chǔ)能控制類(lèi)型，具體包括遺傳算法控制、專(zhuān)家控制、Fuzzy模糊控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法，其原理是根據(jù)事先編寫(xiě)的智能概念，結(jié)合人類(lèi)的推理經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)，達(dá)到自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自整定以及可處理非線(xiàn)性等方面的效果，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)精確數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)性較小。但就現(xiàn)階段研究情況來(lái)看，其只在一些簡(jiǎn)單系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，大部分猜想都處于試驗(yàn)和仿真階段[7]。

混合控制方式。上述提到的各種儲(chǔ)能控制方式均有其適用的領(lǐng)域，可以解決不同的問(wèn)題，但是在儲(chǔ)能控制過(guò)程中通常會(huì)遇到一些比較復(fù)雜的問(wèn)題，且難以通過(guò)單一的控制方式解決，這時(shí)就需要將多種磁力控制方式綜合應(yīng)用，通過(guò)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決實(shí)際難題，這就誕生了混合控制方式。目前，在電力系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域，混合控制方法已經(jīng)取得了一些階段性的成果，如對(duì)直流線(xiàn)路故障測(cè)距采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相混合的方法、對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)化采用的單純算法和粒子群算法相混合的方法等。混合控制方式的應(yīng)用使得電網(wǎng)性能得到了更進(jìn)一步的優(yōu)化[8]。

3 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)行儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電整體水平的有效提升，進(jìn)而為我國(guó)電力工程的整體發(fā)展奠定穩(wěn)定的基礎(chǔ)。