戎樹全，唐志軍，劉潤彪，陳思哲

（1．江蘇龍源風力發(fā)電有限公司，江蘇 海安 226600；2．龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司，江西 南豐 344500；3．龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司，河北 衡水 053000；4．南京南瑞繼保工程技術有限公司，江蘇 泰州 225300）

在風電并網(wǎng)容量逐漸增加的大時代背景下，科學合理利用機組與儲能裝置對風電功率各個頻率進行平滑處理，可以對風電機組安全穩(wěn)定運行創(chuàng)造諸多有利條件?？蒲腥藛T應在反復研究的基礎上，制定完整的平滑控制策略，并采用一系列附加控制方式，以確保相關控制策略能夠平滑控制風電機組輸出有功功率。

1 風電機組與儲能裝置協(xié)調(diào)平滑控制工作的應用現(xiàn)狀分析

在復雜多變的環(huán)境下，風電機組受到外界各種客觀因素干擾，產(chǎn)生的風電電波存在諸多不確定性，這就給后期電網(wǎng)全面調(diào)整和調(diào)頻工作帶來諸多不利影響，已成為現(xiàn)實風電能源可持續(xù)發(fā)展的阻礙之一。在社會各界對風電有功功率引起高度重視的情況下，經(jīng)過科研人員的不斷分析和探討，逐漸研究了兩種切實可行的風電波動控制方案[1]。一是可以通過完善并改進風電機組運行模式，通過利用機組慣性特點或者應用變槳控制最后達到平滑控制目的。二是可以投入適當資金，引進靜態(tài)儲能裝置和飛輪儲能系統(tǒng)來達到預設的工作要求。具體來講，妥善應用變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制方法是當前科研人員主要研究的話題之一。據(jù)有關資料顯示，變槳控制可以減少風電功率最高頻率受到變槳執(zhí)行機構響應速度的約束，并通過合理管控方式促使風電機組內(nèi)部的變槳角度余量適中，在確保余量合理的情形下，提升機組結構的發(fā)電效率。針對轉(zhuǎn)矩控制，主要是研發(fā)人員應使用低通濾波方式來促使因為風力速度導致的機組有功功率出現(xiàn)大幅度變動，同時，采用此種方法也可利用平滑功率曲線走向來確保機組運行平穩(wěn)。經(jīng)過大量的模擬實驗和實踐證明可以得知，轉(zhuǎn)矩控制會加大機組的轉(zhuǎn)速，在不穩(wěn)定的情形下，機組可能處于不穩(wěn)定區(qū)域，當機組風電功率頻段愈加變寬后，機組運行出現(xiàn)不穩(wěn)定的概率會逐漸增大。而將變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制巧妙結合后，不但可以有效促使機組有功功率運行相對穩(wěn)定，而且從一定程度上還可以抑制發(fā)電機運行在操作人員可控范圍內(nèi)，然而，此種方法也存在一定弊端，即可能會致使風電機組對能源的綜合利用率逐漸下降。

除此之外，采用儲能對風電功率的平滑控制也是目前積極推廣的方法之一，操作人員合理應用帶阻法、帶通法及高通法[2]等手段可以進一步借助儲能設備裝置的充放電特點來抑制風電功率的一部分頻率分量。進一步了解后發(fā)現(xiàn)，僅僅應用1－2種儲能裝置無法達到現(xiàn)實能量與功率平衡的效果，只有對風電場內(nèi)部的功率信號進行統(tǒng)一分解，再按照儲能裝置的實際運行功能對各類頻率的裝置結構進行合理應用后才可以有效提升平滑控制的效果。研發(fā)人員選用外部儲能裝置后雖然在平滑風電有功功率方面可以基本上不對相關的控制方案進行優(yōu)化和調(diào)整，但是，采用此種方法的投入資金相對較多，不利于企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

2 混合儲能系統(tǒng)工作原理

大量實踐表明，獨立運行及并網(wǎng)運行是光伏發(fā)電運行的主要模式，在實際的電網(wǎng)系統(tǒng)運行期間，系統(tǒng)內(nèi)部架構會和交流大電網(wǎng)進行交換功率操作，通過特定模式來保證系統(tǒng)的運行狀態(tài)相對穩(wěn)定，假如系統(tǒng)的運行狀態(tài)相對獨立，此時就代表儲能系統(tǒng)架構內(nèi)部發(fā)電系統(tǒng)的功率在發(fā)揮重要作用。經(jīng)過科研人員探索后發(fā)現(xiàn)，光伏輸出系統(tǒng)在實際運行期間會受到外界各種客觀因素影響，系統(tǒng)充放電操作會從一定程度上導致負載功率出現(xiàn)明顯波動，進而造成系統(tǒng)內(nèi)部的功率失衡。針對此種現(xiàn)象，應根據(jù)儲能系統(tǒng)實際運行情況處理好負載功率與光伏輸出功率之間的聯(lián)系。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)情況和儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)的諸多要素應統(tǒng)一規(guī)劃，以為后期儲能系統(tǒng)管理水平的提升創(chuàng)造有利條件。

2．1 在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下

系統(tǒng)在此種運行模式下，內(nèi)部的功率差額會相繼被交流大電網(wǎng)吸收并補充，在確保電網(wǎng)系統(tǒng)可以平穩(wěn)運行的基礎上，大電網(wǎng)向光伏發(fā)電系統(tǒng)輸入或吸收的功率計算公式為：

進一步觀察后發(fā)現(xiàn)，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，操作人員應運用特定管理方式以確保交流電網(wǎng)能夠及時地和系統(tǒng)平臺進行切換，混合儲能系統(tǒng)此時的實際功能不會呈現(xiàn)出來。例如，當系統(tǒng)內(nèi)部的電網(wǎng)不能提供相關的功率時，光伏發(fā)電系統(tǒng)會立即根據(jù)實際情況自動轉(zhuǎn)換為獨立運行模式。研發(fā)人員應按照系統(tǒng)運行處置方案對系統(tǒng)電源結構和模式進行調(diào)整和優(yōu)化，且在交流大電網(wǎng)檢修過程中按照檢修標準將發(fā)電系統(tǒng)設置成獨立運行模式。當電網(wǎng)內(nèi)部結構出現(xiàn)嚴重緊急性電氣故障時，為確保系統(tǒng)平穩(wěn)運行，必須立即設置電網(wǎng)系統(tǒng)為獨立運行模式。這些類似的事件被稱作為非計劃性突發(fā)事件。值得注意的是，無論是出于哪種原因，系統(tǒng)操作人員都應對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行綜合管理以提升負載的電能。

此外，以交流大電網(wǎng)出現(xiàn)的電氣故障或者計劃性檢修為例，與之對應的光伏發(fā)電系統(tǒng)就不會依托大電網(wǎng)功率的支持，即系統(tǒng)處于獨立運行模式，這時就會通過儲能系統(tǒng)對獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)進行全面的能量支持，實際的儲能系統(tǒng)注入或者吸收的功率計算公式為：

2．2 混合儲能系統(tǒng)工作狀態(tài)

一般情況下，混合儲能系統(tǒng)的工作效果主要是由光伏輸出功率和負載需求功率共同決定的。例如，如果負載需求功率小于光伏輸出功率時，混合儲能系統(tǒng)就會進一步吸收系統(tǒng)剩余的功率，工作為充電模式，具體計算公式為：

與此同時，如果負載需求功率大于光伏輸出功率時，整個混合儲能系統(tǒng)就會對缺失的功率進行補充，當運行模式為充電狀態(tài)，實際計算公式為：

2．3 儲能系統(tǒng)剩余容量

通過查閱有關資料顯示，儲能剩余容量主要是通過儲能系統(tǒng)的SOC反映的。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，SOC的限制因素會對儲能系統(tǒng)的充放電及輸出功率產(chǎn)生影響，特別是在蓄電池儲能單元中，操作人員利用先進的計算機技術可對蓄電池充放電進行約束，這可以有效延長蓄電池的使用壽命。例如，操作人員應設置上限SOCmax、SOCmin兩個元素對蓄電池的充放電情況進行判斷，如果SOCmin大于SOC，蓄電池應不再運行，禁止向外界提供一定的電力能源，同時，也不會進一步吸收系統(tǒng)剩余的功率。按照上述電池裝置運行機理可以知道，對超級電容儲能單元設置SOCmax和SOCmin，可以有效降低電池超級電容本體過充、過放的頻率。

3 儲能裝置和風電機組的協(xié)調(diào)控制

此種控制方案的基本內(nèi)容主要包含兩個方面，通過加設一個低通濾波結構完善轉(zhuǎn)矩方法，并根據(jù)風電機組結構的慣性特點來有效減少風電功率的高頻分量情況，其次，在確定基本的補償方案后，借助儲能裝置來對風電功率的中頻分量進行調(diào)整。

如圖1所示為含儲能裝置的風電系統(tǒng)拓撲流程圖。研究人員將風電機組與儲能裝置的輸出端口有效連接后，借助輸電線、機端變壓器將機組全面連接到公共連接點PCC上。此時，將輸電線路和電子元件的能量損耗忽略不計時，風電系統(tǒng)的并網(wǎng)功率計算公式[3]為：

圖1 含儲能裝置的風電系統(tǒng)拓撲流程圖

式中，系統(tǒng)并網(wǎng)功率由Psys代表，風電機組輸出功率由Pe代表，Pbattery則表示整個儲能裝置的輸出功率。在此種模式下，電池儲能裝置負責對風電功率內(nèi)部的中頻分量進行補償，而對風電功率高頻分量的約束主要是通過風電機組來約束的，經(jīng)過一系列操作，使風電系統(tǒng)內(nèi)部的并網(wǎng)功率僅僅包含相關風電功率的低頻分量。

如圖2所示為具體的機組與儲能裝置的協(xié)調(diào)控制原理圖，最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制對風電機組的電磁功率指令主要是依靠完成的，借助附加控制器加工處理后產(chǎn)生。假如，將風電機組的磁系統(tǒng)的響應時間直接看成機組的輸出電功率Pe。此時，電功率Pe需要電池儲能裝置中截止頻率為wc1的高通濾波器操作后形成相關儲能裝置的電功率，并發(fā)出相應工作流程對進行管理，從而進一步對儲能裝置的輸出功率Pbattery進行控制，儲能裝置功率Pbattery在反復進行補償后[4]形成電力系統(tǒng)的輸出功率Psys。

圖2 機組與儲能裝置協(xié)調(diào)控制原理圖

4 協(xié)調(diào)控制模型介紹

4．1 風電機組運行特性分析

進一步了解后發(fā)現(xiàn)，機組內(nèi)部對外界自然風捕獲機械功率的計算公式如下：

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式中，機風輪捕獲的機械功率由Pmech代表，空氣密度由p代表，風輪掃風面積為A，Cp（λ，β）則表示風能轉(zhuǎn)換系數(shù)，葉尖速比為λ，β代表葉片的槳距角，風速由v代表。與此同時，風電機組的傳動鏈模型計算公式為：

式中，風力機組捕獲的氣動轉(zhuǎn)矩為Twt，發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩由Te代表，風速轉(zhuǎn)矩為Ω，風電機組內(nèi)部的總轉(zhuǎn)動慣量為Jwt，傳動鏈尼阻系數(shù)由Dmee代表。操作人員進一步了解后發(fā)現(xiàn)，采用特定方式對某個固定的點位（v0，Ω0，β0）進行線性化處理，就會相繼形成一個完整的轉(zhuǎn)速傳動函數(shù)，槳矩角不變僅僅出現(xiàn)在風速低于系統(tǒng)設定風速情況下。

通過研發(fā)人員對機械功率周密探索后發(fā)現(xiàn)，風電機組轉(zhuǎn)速和風速函數(shù)等同于風電機組捕獲的機械功率，此時整個增量數(shù)據(jù)的計算公式[5]為：式中，ΔΩ代表轉(zhuǎn)速增量，Δv代表風速不增量，下標0則表示穩(wěn)態(tài)量。

4．2 儲能裝置模型

借助能量型電池組作為風電機組儲能濾波裝置的主要動力來源，其拓撲結構如圖3所示，將風電功率的高頻分量通過機組管理進行設定。具體而言，DC／AC逆變器結構主要和風電機組的輸出端相互連接，可結合實際情況對整個機組的有功電流量進行調(diào)整，具體的調(diào)節(jié)范圍應依照有功功率指令進行確定，從而快速地對風電功率內(nèi)部的各級別的頻率分量進行補償控制，與此同時，直流側(cè)電容器的電壓主要是通過DC／DC直流斬波器來調(diào)節(jié)的，在相繼對電池組進行充放電控制后，可達到能量雙向傳遞的目的。值得注意的是，在實際的電池組放電期間，一旦充放電功率小于額定功率，直流逆變器和斬波器都無法按照設定的統(tǒng)一功率運轉(zhuǎn)。

圖3 隨機風速圖

4．3 協(xié)調(diào)控制

通過低通濾波處理，對機組有功功率進行計算，選用一階低通濾波傳遞函數(shù)為科研人員在查閱相關資料后，確定風電機組電磁功率對風速的傳遞函數(shù)為：

通過上述計算公式可知，通過低通濾波處理會形成一個完整的功率指令。當整體截止頻率為時，電池儲能裝置對風速的傳遞函數(shù)計算公式為：

5 與無儲能裝置機組仿真對比

一般情況下，平滑系數(shù)S數(shù)值越小，有功功率就會越平滑，將Prated設為機組額定功率，整體的定義平滑系數(shù)S的計算公式為：

在本文中，協(xié)調(diào)控制以WT1代表，常規(guī)最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制以WT2代表，引入低通濾波器的機組以WT3代表，并通過仿真對比得出相關信息。圖3代表仿真采用的隨機風速，圖4～圖6代表三個不同的風電系統(tǒng)的仿真對比結果[6]。

圖4 并網(wǎng)功率分析圖

圖5 S值曲線圖

圖6 機組轉(zhuǎn)速分析圖

通過圖4可以得知，選擇協(xié)調(diào)控制策略的風電機組WT1受到并網(wǎng)功率波動的影響最小，表明整個高頻和中頻分量都得到了明顯抑制，借助低通濾波器的機組WT3的高頻也得到了控制。通過圖5可以得知，WT2和WT3的S值大于WT1的s值。幅度變化較大一般是因為電功率的諸多高頻分量導致的。由此可以證明協(xié)調(diào)控制策略可以使風電功率的各段頻率實現(xiàn)平滑控制。

從圖6可以得出，與采用低通濾波器的WT1和WT3相比，整體機組轉(zhuǎn)速變化幅度相對較大，可以證明借助低通濾波器可以使機組轉(zhuǎn)速對風速響應速度逐步提高，并會加劇機組轉(zhuǎn)速的波動效果。

6 結論

總而言之，風電機組與儲能裝置的協(xié)調(diào)平滑控制還存在諸多不確定因素，合理運用機組與儲能裝置的協(xié)調(diào)平滑控制策略能有效平抑機組功率的波動過程，還能降低儲能裝置的實際容量?；诮＜胺抡娣治鲞^程，可以總結出以下幾點結論：

（1）采用低通附加控制能降低機組的低通截止頻率，強化機組對風電功率的平滑控制能力。

（2）機組和儲能裝置的協(xié)調(diào)控制能有效平滑控制較大范圍內(nèi)的風電功率分量，并有效降低有功功率的改變率。