高玉青，徐志輝，楊林剛，楊飛，酈洪柯

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

風(fēng)電制氫有效解決了大規(guī)模的棄風(fēng)問題，不僅對(duì)綜合能源系統(tǒng)中風(fēng)電的消納能力具有重要意義，也將探索出不同于儲(chǔ)能、P2G、供冷供熱進(jìn)行本地可再生能源消納的新途徑。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在海上氫氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)海上制氫至關(guān)重要，風(fēng)電機(jī)組功率平衡也成為相關(guān)研究領(lǐng)域的重要課題。如果發(fā)電機(jī)組中的部分用電設(shè)備偏離正常情況下的工況，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備效率降低，影響電力運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的瓦解。因此，保障功率穩(wěn)定是保證風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。針對(duì)當(dāng)前氫儲(chǔ)能風(fēng)電機(jī)組功率控制問題，相關(guān)學(xué)者提出了相應(yīng)的解決方法。文獻(xiàn)[2]提出了一種變速與變槳協(xié)調(diào)的風(fēng)電機(jī)組平滑功率控制方法，通過將槳距角的上調(diào)與下調(diào)動(dòng)作進(jìn)行分析，將轉(zhuǎn)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)速區(qū)間控制。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的有效控制，但是控制時(shí)間較長，實(shí)時(shí)性較差。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)功率控制仿真模型，該控制模型通過各個(gè)部分之間的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的控制。該方法可以在大規(guī)模風(fēng)電接入的條件下提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)能力，但是功率控制效果不佳，存在抗干擾性能較差的問題。

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的問題，設(shè)計(jì)一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)參數(shù)的海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)，將海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)其風(fēng)電機(jī)組功率進(jìn)行平衡控制。

1 海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于海上環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中容易產(chǎn)生很多不穩(wěn)定因素，出現(xiàn)的問題也相對(duì)較多。在進(jìn)行功率控制時(shí)，需要充分考慮風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，因此，在硬件設(shè)計(jì)中重點(diǎn)對(duì)運(yùn)行信息進(jìn)行研究。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖1可知，海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)的硬件主要由信息采集模塊、信息存儲(chǔ)模塊和信息分析模塊組成。由于傳統(tǒng)方法沒有考慮到海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的層次性，破壞了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的原有層次結(jié)構(gòu)，一定程度上降低了功率的平衡性，阻礙了電能質(zhì)量的提升。因此，通過控制系統(tǒng)使各個(gè)硬件模塊之間相互連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)層次性設(shè)計(jì)。

1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通常情況下，海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，功率負(fù)荷能夠在較小的范圍內(nèi)保持波動(dòng)，與電壓的動(dòng)態(tài)特性相比，頻率的響應(yīng)比較遲緩，在頻率動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析時(shí)通常將秒和分鐘作為計(jì)量單位。因此，在風(fēng)電機(jī)組功率控制中可以忽略電壓動(dòng)態(tài)特性，在存在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，對(duì)功率進(jìn)行控制，建立一個(gè)發(fā)電機(jī)組功率響應(yīng)模型：

式中，βc表示風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率偏移量；Ge表示機(jī)械功率變化情況；Em表示負(fù)荷變化；t表示運(yùn)行時(shí)間；k表示負(fù)荷阻尼系數(shù)；τL表示負(fù)荷功率的不平衡性。通過公式（1）可以得出風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行功率偏移與負(fù)荷功率不平衡性之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。

負(fù)荷阻尼系數(shù)是指在風(fēng)電機(jī)組功率每產(chǎn)生1%變化時(shí)，形成的負(fù)荷變化。例如，當(dāng)功率變化為1%時(shí)，負(fù)荷變化大致為1.5%，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是受功率響應(yīng)特性的影響。將發(fā)電機(jī)組功率響應(yīng)模型進(jìn)行拉普拉斯變化，得到公式（2）：

式中，Pm(t)表示ti時(shí)刻的功率響應(yīng)系數(shù)；γe表示功率波動(dòng)；VP表示功率輸出。

根據(jù)構(gòu)建的發(fā)電機(jī)組功率響應(yīng)模型可知，該模型將所有風(fēng)電設(shè)備均視為具有同等級(jí)別的優(yōu)先級(jí)，但是平等對(duì)待下的優(yōu)先級(jí)策略不能滿足海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制的需求。因此，要想實(shí)現(xiàn)功率的平衡控制，需要明確劃分優(yōu)先級(jí)，通過建立目標(biāo)函數(shù)的形式，對(duì)各個(gè)優(yōu)先級(jí)參數(shù)進(jìn)行約束。通過優(yōu)先級(jí)參數(shù)S表示優(yōu)先級(jí)情況，建立功率平衡控制目標(biāo)函數(shù)為：

式中，xi表示優(yōu)先級(jí)權(quán)值；αi表示優(yōu)先級(jí)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性；表示優(yōu)先級(jí)層次。

則約束條件為：

在滿足上述約束條件的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)先級(jí)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率的平衡控制，從而完成系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。整體控制過程如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了全面驗(yàn)證基于優(yōu)先級(jí)參數(shù)的海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。以文獻(xiàn)[2]變速與變槳協(xié)調(diào)的風(fēng)電機(jī)組平滑功率控制方法和文獻(xiàn)[3]風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)功率控制仿真模型作為對(duì)比方法，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析。仿真平臺(tái)為電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD/EMTDC，設(shè)定風(fēng)速波動(dòng)為定值，在該平臺(tái)中建立有12臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)型并網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型。每簇串聯(lián)風(fēng)機(jī)有4臺(tái)，共3簇并聯(lián)，均為5MW風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)：轉(zhuǎn)子直徑為126m，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4.8～10.9r/m，額定風(fēng)速為11.3m/s，定子線電壓為3.3kV。

以功率控制用時(shí)作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)比不同方法的功率控制效果，結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制用時(shí)對(duì)比結(jié)果

分析表1中的數(shù)據(jù)可知，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，不同方法的功率平衡控制用時(shí)均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。當(dāng)實(shí)現(xiàn)次數(shù)為20次時(shí)，所提方法的控制用時(shí)為4.00s，文獻(xiàn)[2]方法的控制用時(shí)為6.40s，文獻(xiàn)[3]方法的控制用時(shí)為6.71s；當(dāng)實(shí)現(xiàn)次數(shù)為50次時(shí)，所提方法的控制用時(shí)為6.40s，文獻(xiàn)[2]方法的控制用時(shí)為16.10s，文獻(xiàn)[3]方法的控制用時(shí)為15.27s。通過上述數(shù)據(jù)對(duì)比可知，所提方法的控制時(shí)間始終低于傳統(tǒng)方法，并且優(yōu)勢較為明顯，說明所提方法能夠在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的平衡控制，同時(shí)抗干擾性能有所改善具有效率更高的特點(diǎn)。

3 結(jié)語

為了解決傳統(tǒng)方法功率控制用時(shí)較長與抗干擾性不佳的問題，設(shè)計(jì)一種基于優(yōu)先級(jí)參數(shù)的海上氫儲(chǔ)能系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)。通過信息采集模塊、信息存儲(chǔ)模塊和信息分析模塊等系統(tǒng)硬件模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率平衡控制系統(tǒng)層次性設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，采用優(yōu)先級(jí)參數(shù)，在滿足約束條件的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的有效控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在控制用時(shí)與抗干擾性方面均具有優(yōu)勢性，說明該方法具有有效性。