徐茂棟，許媛媛，朱少欣，賈憲章

廣東海洋大學(xué)，廣東湛江，524000

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和由此帶來的環(huán)境問題，環(huán)保、清潔的可再生能源成為世界各國研發(fā)的熱點，作為清潔可再生能源之一的風(fēng)能得到了快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電已成為電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]。但風(fēng)場的不確定性和間歇性會引起發(fā)電機輸出功率的波動，引起電網(wǎng)的沖擊，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量，增加發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的難度。基于儲能裝置可以實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)固有波動的抑制，使風(fēng)電這種間歇性、波動性很強的可再生能源變得“可控、可調(diào)”，使電網(wǎng)對這種最接近規(guī)模化發(fā)展的能源調(diào)度變?yōu)榭赡?。因此，本文提出一種基于一階低通濾波器的儲能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，該控制策略可實現(xiàn)風(fēng)電機組功率波動的平滑控制，優(yōu)化配置儲能系統(tǒng)容量，并通過建模仿真驗證該控制策略對風(fēng)電系統(tǒng)能有效抑制輸出有功功率的波動[2]。

1 風(fēng)電能源管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

風(fēng)場的高隨機性導(dǎo)致風(fēng)電間歇式電源輸出功率的高波動性。儲能系統(tǒng)是實現(xiàn)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運行、減少棄風(fēng)現(xiàn)象及提高能源利用率的一個重要環(huán)節(jié)。因此，需要提出一種合理的儲能系統(tǒng)控制策略，來平抑可再生能源的功率波動[3]，提高系統(tǒng)的可靠性和效率，以維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。目前比較常見的幾種儲能系統(tǒng)包括：儲能系統(tǒng)并聯(lián)于直流側(cè)拓撲結(jié)構(gòu)、超級電容單獨在直流側(cè)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)、蓄電池單獨在直流側(cè)并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)等。在此基礎(chǔ)上，本課題提出了一種改進后的儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 儲能系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

圖1中的風(fēng)能發(fā)電通過風(fēng)能帶動風(fēng)力機的葉輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，再通過齒輪箱將葉輪較低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為發(fā)電機較高的轉(zhuǎn)速，最后由發(fā)電機將動能轉(zhuǎn)換為電能并通過AC/DC變換器與直流母線相連[4]。蓄電池由 DC/DC2 變換器與超級電容連接，構(gòu)成混合儲能單元，再通過DC/DC1變換器與直流母線連接，鑒于超級電容的高功率密度，可以快速地發(fā)出較多的能量。在本文研究的結(jié)構(gòu)中，超級電容器通過DC/DC1變換器連接于直流母線，由超級電容吸收和釋放能量對母線功率不穩(wěn)定的高頻分量進行抑制。采用相應(yīng)的控制策略能較好地控制蓄電池和超級電容的出力，蓄電池作為能量型儲能元件主要承擔(dān)微網(wǎng)中波動功率的低頻部分。本文所研究的結(jié)構(gòu)中的兩個變換器可以分別運行，互不干擾，提高了充放電的效率，可快速穩(wěn)定波動，并能減少蓄電池的循環(huán)次數(shù)，延長蓄電池的生命周期。

2 風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率波動的抑制策略

風(fēng)場的隨機性和間歇性引起風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的高波動性，不僅增加了電網(wǎng)的沖擊，還會降低電能質(zhì)量，導(dǎo)致微電網(wǎng)的穩(wěn)定控制變得困難。為了減小風(fēng)電場輸出功率的波動，提出一種基于混合儲能系統(tǒng)的一階濾波算法功率分配策略，對風(fēng)電場輸出功率波動進行平抑控制[5]。通常并網(wǎng)功率參考值由風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率經(jīng)一階低通濾波器得到，即：

式中，Pw是風(fēng)電場的輸出，Pb是平滑后的總輸出，Ts是時間常數(shù)。

圖2是一種定常數(shù)低通濾波拓撲結(jié)構(gòu)，通過一階定常數(shù)低通濾波器對風(fēng)電機組輸出功率的波動進行平抑[6]，儲能系統(tǒng)對部分控制系統(tǒng)的輸出功率進行平抑，維持電網(wǎng)穩(wěn)定。儲能系統(tǒng)包括儲能單元和功率變換單元兩部分，其通過功率變換單元向交流母線注入或抽取能量來平抑風(fēng)電場輸出功率Pb，改善風(fēng)電并網(wǎng)情況。

圖2 定常數(shù)低通濾波拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖3是一種定常數(shù)低通濾波的算法流程圖。首先，輸入風(fēng)電功率Pw，通過選取不同時間常數(shù)T的一階低通濾波器進行平滑控制后得到風(fēng)電功率Pb。其次，計算不同時間常數(shù)T控制下的風(fēng)電輸出功率的波動率，并對波動率小于2%的風(fēng)電功率進行統(tǒng)計。最后，對不同的統(tǒng)計圖進行比較分析，選取最優(yōu)時間常數(shù)T，進而確定儲存容量和最大風(fēng)電功率。

圖3 定常數(shù)低通濾波的算法流程圖

3 建模仿真

基于有限元分析軟件搭建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)計算模型，對風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖4所示，波動率超過2%的占到一半以上，從目前現(xiàn)有研究參考，本文設(shè)定波動率2%為設(shè)定參考值。在80分鐘時所采集的數(shù)據(jù)中可以得出，超過2%的波動率占到了一半以上，故需要加入濾波器進行功率平滑。

（1）未加入濾波器時的輸出功率波動率情況。未加入濾波器時的輸出功率波動率情況如圖4所示。

圖4 原始數(shù)據(jù)風(fēng)電機組每分鐘波動情況

（2）加入濾波器時的輸出功率波動率情況。為抑制風(fēng)電場輸出功率的波動，在上述建模的基礎(chǔ)上增加了一階濾波器環(huán)節(jié)，計算分析了不同時間常數(shù)對功率波動率的影響，并由此選出對輸出功率波動的抑制最佳的時間常數(shù)T。

由圖5和圖6可知濾波器時間常數(shù)為T=400s時波動率限制在2%以內(nèi)的比例已經(jīng)占到了80%以上；時間常數(shù)為T=800s時波動率低于1%的波動率已經(jīng)占到了80%，低于2%的波動率占到了95%左右，平滑作用較明顯。時間常數(shù)為T=1000s時滿足了波動率在低于2%范圍之內(nèi)的要求，平滑效果明顯。時間常數(shù)為T=1200s時波動率小于2%的概率已經(jīng)接近于99%，平滑效果比T=1000時效果要好。

圖5 各時間參數(shù)下風(fēng)電功率平滑效果

圖6 各時間參數(shù)下風(fēng)電機組每分鐘波動情況

T越大，實現(xiàn)濾波器的成本越高，詳見表1。T=1000s時的最大波動率為1.99%，T=1200s時的最大波動率為1.74%。綜合考慮現(xiàn)有研究成果得出，T=1000s既滿足了平滑性的需要，又降低了成本。當(dāng)T=1200s時波動率小于2%的概率已經(jīng)接近于99%，平滑效果比T=1000s時效果要好。同時，表1中不同時間常數(shù)的平滑效果對比也說明了隨著T的增加，最大儲能容量和最大儲能功率也在增加。

表1 不同時間常數(shù)的平滑效果對比

時間常數(shù)與系統(tǒng)的儲能容量和儲能功率都有著密切的關(guān)系，通過在不同時間常數(shù)分別對儲能容量和儲能功率的影響作對比，可以說明時間常數(shù)T對儲能功率和儲能容量的作用，圖7和圖8比較直觀地說明了T越大，儲能功率和儲能容量也會隨之加大。

圖7 時間常數(shù)T對儲能容量的影響

圖8 時間常數(shù)T對儲能功率的影響

微電網(wǎng)對風(fēng)電功率有不同的要求時，所需要的儲能容量配置也不一樣。由表2中不同波動率所需參數(shù)對比得出，在不同的最大波動率限幅下，所需要的儲能系統(tǒng)配置要求差別也比較大。

表2 不同波動率所需參數(shù)對比

通過仿真結(jié)果可知，采用一階低通濾波器對風(fēng)電輸出功率的波動具有很好的平抑作用。通過調(diào)整時間參數(shù)，利用統(tǒng)計學(xué)原理，綜合得出濾波效果的性能指標(biāo)，使波動率滿足低于2%的目標(biāo)。

4 結(jié)論

針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動的問題，本文提出了一種定常數(shù)低通濾波拓撲結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，基于一階濾波算法提出一種可抑制有功功率波動的能量分配策略，并對該分配策略在不同的時間常數(shù)下對功率波動的抑制效果進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明：

①當(dāng)T=400s時，最大濾波率為3.46%，大于規(guī)定值2%；②當(dāng)T=1000s時，最大濾波率為1.9%，即滿足小于2%的要求；③隨著T增大最大濾波率減小，但是其成本隨之提高，即T無窮大時，無研究意義，綜合考慮T=1000s，既能滿足要求，又能降低成本。

本研究對我國發(fā)電場的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義，在未來的研究中可以進一步考慮通過多源協(xié)調(diào)風(fēng)電有功波動抑制方法，改善電網(wǎng)質(zhì)量，充分利用可再生能源為未來電網(wǎng)調(diào)度提供理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。