風(fēng)電功率平滑控制策略研究

風(fēng)電功率平滑控制策略研究

0儲能系統(tǒng)容量約束對功率平滑控制策略的影響隨著中國風(fēng)力裝置的快速發(fā)展，風(fēng)電站的風(fēng)回風(fēng)問題變得越來越嚴(yán)重。一些風(fēng)電站的回風(fēng)率為10%，超過20%，風(fēng)電率顯著下降。棄風(fēng)問題的本質(zhì)是風(fēng)電電能特性引起的風(fēng)電消納問題,對風(fēng)電場有功功率進(jìn)行平滑控制,可顯著提高風(fēng)電的可調(diào)度性,減少風(fēng)電場棄風(fēng)電量,有效解決風(fēng)電的并網(wǎng)消納問題。目前,風(fēng)電有功功率平滑控制策略已經(jīng)成為業(yè)界的一個研究熱點。文獻(xiàn)利用發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制來調(diào)節(jié)風(fēng)電輸出功率,該功率控制策略將導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速波動很大;文獻(xiàn)采用模糊變槳距控制來限制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍,利用發(fā)電機轉(zhuǎn)矩動態(tài)滑?？刂苼砥交l(fā)電機的輸出功率,但功率平滑不是利用儲能系統(tǒng),而是采用降額發(fā)電原理,所以其風(fēng)能資源利用率較低;文獻(xiàn)在變流器的直流側(cè)接入飛輪儲能系統(tǒng),采用飛輪儲能來平滑永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的輸出功率,但由于飛輪系統(tǒng)儲能容量很有限,只能平抑風(fēng)電功率中的高頻分量;文獻(xiàn)在風(fēng)電場出口處配置釩電池儲能系統(tǒng),利用一階巴特沃斯高通濾波器來消除0.01Hz以上的功率波動成分,但其功率平滑是依據(jù)頻率信息而不是幅值參數(shù),因此其平滑效果比較有限。上述文獻(xiàn)中所提出的功率平滑控制策略都沒有考慮功率平滑目標(biāo)參數(shù)要求問題,而在實際工程中,對功率平滑目標(biāo)效果是有具體指標(biāo)限制的。此外,儲能設(shè)備是風(fēng)電功率平滑控制系統(tǒng)的核心單元,它的主要任務(wù)是對風(fēng)電功率進(jìn)行削峰填谷式平滑處理。儲能系統(tǒng)容量的選擇十分重要,從經(jīng)濟成本和效益角度考慮,應(yīng)盡量減小儲能系統(tǒng)容量配置,但如果儲能系統(tǒng)容量太小,又會嚴(yán)重影響功率平滑效果。如何準(zhǔn)確估算風(fēng)電場功率平滑所需配置的儲能系統(tǒng)容量的大小,已有文獻(xiàn)在討論。文獻(xiàn)提出一種利用風(fēng)電場輸出功率的數(shù)學(xué)期望和啟動風(fēng)速以下的風(fēng)電場持續(xù)輸出期望小時數(shù)來估算儲能系統(tǒng)容量的方法;文獻(xiàn)通過仿真分析指出儲能系統(tǒng)和風(fēng)電場規(guī)模應(yīng)保持在1∶4的功率比例;文獻(xiàn)分析影響儲能容量合理取值的各種因素,并在此基礎(chǔ)上提出一種利用儲能容量成本和風(fēng)電場輸出功率平滑效果輔助判據(jù)來估算風(fēng)電場儲能容量合理取值范圍的方法。但是,對于儲能系統(tǒng)容量約束對功率平滑控制策略的影響問題,卻鮮有文獻(xiàn)討論。鑒于上述情況,本文分別以電網(wǎng)對風(fēng)電場功率平滑效果的目標(biāo)要求和儲能系統(tǒng)的容量限制為出發(fā)點,提出了3種風(fēng)電功率平滑控制策略:(1)基于目標(biāo)參數(shù)要求的功率平滑控制策略;(2)基于儲能系統(tǒng)容量約束的功率平滑控制策略;(3)兼顧目標(biāo)參數(shù)要求和儲能系統(tǒng)容量約束的功率平滑控制策略。其中,基于目標(biāo)參數(shù)的功率平滑控制策略是在假設(shè)儲能系統(tǒng)容量足夠的前提下提出來的,是一種理想情況;基于儲能系統(tǒng)容量的功率平滑控制策略是一種以儲能系統(tǒng)相對存電量為基準(zhǔn)的跟蹤控制算法,儲能系統(tǒng)資源利用率較高;而兼顧目標(biāo)參數(shù)要求和儲能系統(tǒng)容量約束的功率平滑控制策略針對的是既有功率平滑目標(biāo)要求,又有儲能系統(tǒng)容量限制的實際工程問題,并提出可采取部分棄風(fēng)和風(fēng)電場短時解列離網(wǎng)等措施。本文還為上述控制策略設(shè)計了相應(yīng)的控制算法,并進(jìn)行了仿真分析。1功率平滑控制帶儲能系統(tǒng)的風(fēng)電場有功功率平滑控制系統(tǒng)如圖1所示。風(fēng)電場的輸出功率分為兩部分,一部分直接輸入電網(wǎng),另一部分輸送給儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)的主要任務(wù)是對風(fēng)電場的有功出力進(jìn)行平滑處理。當(dāng)風(fēng)電場輸出的有功功率超過允許的并網(wǎng)功率上限時,富余的電能將蓄存于儲能系統(tǒng)中,若此時儲能系統(tǒng)的電能已滿,則多余的風(fēng)電功率將被棄用;當(dāng)風(fēng)電場輸出的有功功率低于允許的并網(wǎng)功率下限時,由儲能系統(tǒng)放電補充。為簡便起見,假設(shè)儲能系統(tǒng)的能量蓄存速度和能量釋放速度足夠快。將風(fēng)電場的輸出功率按時間作離散化處理:假設(shè)在時段Δt內(nèi),輸出功率不變,即可以用Δt時段內(nèi)的平均出力作為該時段風(fēng)電場的輸出功率。Δt取值越小越接近實際真實輸出功率。在實際工程中,Δt就是風(fēng)電場風(fēng)速數(shù)據(jù)采樣時間間隔。風(fēng)電場的有功功率平滑控制目標(biāo)可以用單位時間內(nèi)允許的最大功率波動幅度來描述。設(shè)風(fēng)電場有功平滑時間窗口的長度為T,為簡化問題,一般取T=nΔt,n為正整數(shù)。ΔP為平滑處理后允許的功率波動上限值,即在時間范圍T內(nèi)允許風(fēng)電儲能系統(tǒng)并網(wǎng)總功率的最大波動幅度。平滑時間窗口長度T和功率波動限值ΔP是有功平滑控制的重要目標(biāo)參數(shù),它們共同描述了功率平滑的效果。圖2為這2個參數(shù)的示意,第i時段的起止時刻分別為ti-1和ti。在時間范圍t∈[ti-n-1,ti-1]內(nèi)共有n個時段,它們共同構(gòu)成一個平滑時間窗口T,在該時間窗口內(nèi)允許的最大功率波動范圍為ΔP。同理,時間范圍t∈[ti-n,ti]內(nèi)的n個時段也構(gòu)成一個功率平滑時間窗口T。根據(jù)時間窗口T的長短不同,可以將功率平滑技術(shù)劃分為3類:超短期平滑、短期平滑和中長期平滑。超短期平滑的時間窗口長度為秒級;短期平滑的時間窗口長度為分鐘和小時級;中長期平滑的時間窗口長度為日、月、年級。超短期功率平滑主要平抑高頻段的風(fēng)電波動,對儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度要求很高,儲能系統(tǒng)要頻繁地充電放電,因此一般采用飛輪或超級電容儲能系統(tǒng)。由于T≥Δt,此時要求風(fēng)速的采樣時間間隔Δt應(yīng)很小。短期功率平滑主要平抑中頻段的風(fēng)電波動,對儲能系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度和儲能容量都有一定要求,其儲能系統(tǒng)一般選用蓄電池。中長期功率平滑主要平抑低頻段的風(fēng)電波動,要進(jìn)行時間跨度較大的能量調(diào)度,要求儲能系統(tǒng)具有很大的儲能容量,因此一般選用抽水儲能電站來儲能。風(fēng)電場的功率平衡方程為式中:Pw(i)為i時段風(fēng)電場輸出功率;Pwg(i)為i時段風(fēng)電場直接輸入電網(wǎng)的功率;Pws(i)·為i時段風(fēng)電場輸入儲能系統(tǒng)的功率;Pwd(i)為i時段風(fēng)電場棄用功率。并網(wǎng)功率平衡方程為式中:Pg(i)為i時段整個功率平滑控制系統(tǒng)注入電網(wǎng)的總功率;Psg(i)為i時段儲能系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率。儲能系統(tǒng)的能量平衡方程為式中:Mess(i)為i時段儲能系統(tǒng)的存電量;j為i之前的第j時刻;Mess(0)為儲能系統(tǒng)的初始存電量。為了評價功率平滑控制的效果,在此,采用文獻(xiàn)定義的功率平滑度性能指標(biāo)Plevel:式中:PR為風(fēng)電場的有效裝機容量。Plevel值越小說明并網(wǎng)功率Pg越平滑。將上式離散化處理得儲能系統(tǒng)的儲能工況可以表示為儲能系統(tǒng)的釋放電能工況可以表示為儲能系統(tǒng)的狀況可用其存電量過程曲線描述,曲線的最大值與最小值之差即為功率平滑控制系統(tǒng)所需配置的儲能系統(tǒng)總?cè)萘緾max。2功率平滑控制策略2.1基于目標(biāo)參數(shù)的功率平滑控制策略假設(shè)儲能系統(tǒng)容量和初始存電量足夠,風(fēng)電場無棄用風(fēng)能,則定義平均功率波動限值ΔPav為為保證在任意平滑時間窗口(即t∈[ti-n,ti])范圍內(nèi),功率平滑控制系統(tǒng)的并網(wǎng)總功率Pg的最大波動幅度不超過允許值ΔP,只需將每個Δt時段內(nèi)Pg的變化幅度限制在ΔPav范圍內(nèi)即可。這樣,即使在最極端的情況下(Pg連續(xù)增加或連續(xù)減小),n個時段內(nèi)Pg的變化總量也不會超過ΔP。這種基于任務(wù)分解思想的功率波動限值均勻化分布處理方法,既能保證功率平滑目標(biāo)的實現(xiàn),又能大大降低平滑時間窗口內(nèi)的功率變化速率,平抑掉風(fēng)電功率中的高頻分量,避免并網(wǎng)功率小幅度劇烈波動?；谀繕?biāo)參數(shù)的功率平滑控制策略算法有4個步驟。第1步:計算第i時段風(fēng)電場輸出功率Pw(i)。第2步:確定第i時段功率平滑控制系統(tǒng)的并網(wǎng)功率Pg(i),如果Pw(i)>[Pg(i-1)+ΔPav],則Pg(i)=Pg(i-1)+ΔPav;如果[Pg(i-1)-ΔPav]≤Pw(i)≤[Pg(i-1)+ΔPav],則Pg(i)=Pw(i);如果Pw(i)<[Pg(i-1)-ΔPav],則Pg(i)=Pg(i-1)-ΔPav。第3步:計算第i時段儲能系統(tǒng)蓄存或釋放的電量,如果Pw(i)>Pg(i),則i時段風(fēng)電場直接輸入電網(wǎng)的功率取為Pwg(i)=Pg(i),風(fēng)電場輸入儲能系統(tǒng)的功率取為Pws(i)=Pw(i)-Pwg(i),儲能系統(tǒng)蓄存的電量為Pws(i)Δt;如果Pw(i)=Pg(i),則i時段風(fēng)電場直接輸入電網(wǎng)的功率取為Pwg(i)=Pw(i),儲能系統(tǒng)不工作(既不儲能,也不釋放電能);如果Pw(i)<Pg(i),則i時段風(fēng)電場直接輸入電網(wǎng)的功率取為Pwg(i)=Pw(i),儲能系統(tǒng)輸入電網(wǎng)的功率取為Psg(i)=Pg(i)-Pwg(i),儲能系統(tǒng)釋放的電量為Psg(i)Δt。第4步:時間轉(zhuǎn)到下一時段,并轉(zhuǎn)回第1步。上述功率平滑控制策略的前提是假設(shè)儲能系統(tǒng)容量足夠大,即要滿足功率平滑目標(biāo),必須配置充足的儲能系統(tǒng)容量。但是,儲能系統(tǒng)容量的需求量又與風(fēng)速時間分布曲線密切相關(guān),面對千變?nèi)f化的風(fēng)速曲線,很難找到一個完全滿足要求的儲能系統(tǒng)容量值。加之儲能系統(tǒng)價格昂貴,在實際工程中幾乎不可避免地會出現(xiàn)儲能系統(tǒng)容量不足的問題。因此,該控制策略的應(yīng)用受到限制。對于儲能系統(tǒng)容量受限的風(fēng)電場,其有功功率平滑可以采用下述功率平滑控制策略。2.2儲能系統(tǒng)存電量約束時功率平滑控制設(shè)風(fēng)電場的儲能系統(tǒng)總?cè)萘繛镃max,第i時段儲能系統(tǒng)的存電量為Mess(i),儲能系統(tǒng)的相對存電量定義為存電量與儲能系統(tǒng)總?cè)萘恐?即該比值可以很好地描述儲能系統(tǒng)當(dāng)前的儲能狀態(tài)。當(dāng)E(i)的值比較大時,儲能系統(tǒng)的存電量較多,儲能系統(tǒng)用于儲能的空余容量較少,此時應(yīng)該減少能量蓄存,增大并網(wǎng)功率Pg,讓更多的風(fēng)電功率直接輸入電網(wǎng);當(dāng)E(i)的值較小時,儲能系統(tǒng)的存電量較少,儲能系統(tǒng)用于儲能的空余容量較大,此時應(yīng)該增加能量蓄存,減小并網(wǎng)功率Pg,讓更多的風(fēng)電蓄存于儲能系統(tǒng),以便在風(fēng)電出力不足時,儲能系統(tǒng)有足夠的蓄存能量來補足風(fēng)電缺額。因此,可以采用E(i)作為功率平滑的參考變量。功率平滑控制的關(guān)鍵參數(shù)Pg可按下式確定當(dāng)E(i-1)=0時,Pg(i)=0,此時風(fēng)電場的輸出功率全部用于儲能系統(tǒng)儲能;當(dāng)E(i-1)=1時,Pg(i)=PR,風(fēng)電場的輸出功率全部直接輸入電網(wǎng)。由此可見,即使在儲能系統(tǒng)存電量為零的情況下儲能系統(tǒng)也不會出現(xiàn)缺電現(xiàn)象;即使在儲能系統(tǒng)蓄滿能量的情況下風(fēng)電場也不會出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。具體的功率平滑控制算法也有4個步驟。第1步:計算第i時段風(fēng)電場輸出功率Pw(i)。第2步:確定第i時段功率平滑控制系統(tǒng)的并網(wǎng)功率Pg(i)。第3步:確定第i時段儲能系統(tǒng)的工況,若Pw(i)>Pg(i),儲能系統(tǒng)工作于儲能狀態(tài),Pwg(i)=Pg(i),Pws(i)=Pw(i)-Pwg(i),Psg(i)=0;當(dāng)Pw(i)=Pg(i)時,儲能系統(tǒng)不工作,Pwg(i)=Pw(i),Pws(i)=0,Psg(i)=0;當(dāng)Pw(i)<Pg(i)時,儲能系統(tǒng)工作于釋放電能狀態(tài),Pwg(i)=Pw(i),Pws(i)=0,Psg(i)=Pg(i)-Pwg(i)。第4步:時間轉(zhuǎn)到下一時段,并轉(zhuǎn)回第1步。該算法高效充分地利用了儲能系統(tǒng)的儲能潛力。由于以儲能系統(tǒng)的存電量作為功率平滑控制的決策參數(shù),因此該算法不會出現(xiàn)儲能系統(tǒng)的儲能容量和存電量不夠問題,風(fēng)電場無棄用風(fēng)能。然而,基于儲能系統(tǒng)容量約束的功率平滑控制算法沒有考慮功率平滑目標(biāo)參數(shù)要求,而在實際工程中往往對平滑效果有指標(biāo)要求。為此,提出下文將要介紹的同時兼顧目標(biāo)參數(shù)要求和儲能系統(tǒng)容量限制2個因素的功率平滑混合控制算法。2.3儲能系統(tǒng)并網(wǎng)功率的確定方案將上述2種功率平滑控制策略相結(jié)合的混合控制算法的基本思想是:在儲能系統(tǒng)存電量已滿的情況下,如果風(fēng)電功率增量超限,則將棄用一部分風(fēng)能;在儲能系統(tǒng)存電量為零的情況下,如果風(fēng)電功率減量超限,則讓風(fēng)電場暫時解列脫離電網(wǎng),此時風(fēng)電場出力全部用于儲能系統(tǒng)儲能,直到儲能系統(tǒng)存電量達(dá)到一定要求,且風(fēng)電場輸出功率大于零時,才重新并網(wǎng)。該混合控制算法同樣有4個步驟。第1步:計算第i時段風(fēng)電場輸出功率Pw(i)。第2步:確定第i時段功率平滑控制系統(tǒng)的并網(wǎng)功率Pg(i),根據(jù)儲能系統(tǒng)的儲能狀態(tài)計算并網(wǎng)功率Pg(i),即Pg(i)=PRE(i-1),并對Pg(i)進(jìn)行修正,使并網(wǎng)功率的波動幅度滿足目標(biāo)參數(shù)要求,如果Pg(i)>[Pg(i-1)+ΔP/n],則Pg(i)=Pg(i-1)+ΔP/n;如果Pg(i)<[Pg(i-1)-ΔP/n],則Pg(i)=Pg(i-1)-ΔP/n。第3步:確定第i時段功率平滑控制系統(tǒng)的工況,(1)當(dāng)Pw(i)>Pg(i)時,風(fēng)電場承擔(dān)全部并網(wǎng)功率,風(fēng)電場的剩余功率用于儲能系統(tǒng)儲能,如果儲能系統(tǒng)儲能已滿,則棄用剩余風(fēng)能;(2)當(dāng)Pw(i)=Pg(i)時,風(fēng)電場輸出功率全部直接輸入電網(wǎng),儲能系統(tǒng)不工作;(3)當(dāng)Pw(i)<Pg(i)時,如果儲能系統(tǒng)的存電量夠用(即Mess(i-1)≥[Pg(i)-Pw(i)]Δt,則由風(fēng)電場和儲能系統(tǒng)共同承擔(dān)并網(wǎng)功率,風(fēng)電場輸出功率全部直接輸入電網(wǎng),并網(wǎng)功率的缺額部分由儲能系統(tǒng)補足;否則,讓風(fēng)電功率平滑控制系統(tǒng)從電網(wǎng)解列,風(fēng)電場的輸出功率全部用于儲能系統(tǒng)儲能,直到Mess(i-1)≥Cmax/2且Pw(i)>0才讓其重新并列。第4步:時間轉(zhuǎn)到下一時段,并轉(zhuǎn)回第1步。該算法采用棄用一部分風(fēng)能和暫時解列離網(wǎng)2種方案來解決儲能系統(tǒng)容量不足的問題,該思路比較符合工程實際。3風(fēng)電場風(fēng)速采樣下面以風(fēng)電場的短期功率平滑控制為例,分析上述3種功率平滑控制策略的平滑效果。某風(fēng)電場的有效裝機容量為100MW,風(fēng)電場的切入風(fēng)速為3.5m/s,額定風(fēng)速為13.5m/s,切出風(fēng)速為25m/s。風(fēng)電場的風(fēng)速采樣時間間隔Δt為1min,風(fēng)速樣本如圖3所示。該風(fēng)速樣本的平均風(fēng)速為6.307m/s,對應(yīng)的風(fēng)電場平均輸出功率為28.685MW。3.1不同平滑參數(shù)下功率平滑仿真當(dāng)平滑時間窗口長度T=10Δt=10min,功率波動限值ΔP=10%PR=10MW,儲能系統(tǒng)的初始存電量為15MW·h時,功率平滑效果及對應(yīng)的儲能系統(tǒng)存電量過程曲線如圖4所示(Plevel為平滑指標(biāo))。由圖4可見,儲能系統(tǒng)存電量過程曲線的最大值為24.9167MW·h,最小值為12.35MW·h,因此,此時功率平滑控制系統(tǒng)應(yīng)配置的儲能容量為12.5667MW·h。平滑后的Plevel值顯著小于平滑前,說明平滑效果較好。為比較不同參數(shù)下的功率平滑效果,改變平滑時間窗口長度T和功率波動限值ΔP,重新進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明,在平滑時間窗口長度T一定時,ΔP取值越小,并網(wǎng)功率Pg波動越小,功率曲線越平滑;在功率波動限值ΔP一定時,T取值越大,并網(wǎng)功率越平穩(wěn),Pg曲線越平滑。功率平滑所需儲能容量Cmax隨功率平滑目標(biāo)參數(shù)(即窗口長度)T和ΔP的變化情況如圖5所示。圖5中平滑時間窗口長度T采用t=T/Δt(即窗口數(shù));功率波動限值ΔP采用標(biāo)么值Δpp.u.表示,Δpp.u.=ΔP/PR。3.2儲能系統(tǒng)總?cè)萘繉β势交Ч绊懛抡娼Y(jié)果將上述風(fēng)速樣本數(shù)據(jù)用基于儲能系統(tǒng)容量約束的控制算法來進(jìn)行功率平滑處理,儲能系統(tǒng)總?cè)萘咳镃max=20MW·h,儲能系統(tǒng)的初始存電量取為Mess(0)=10MW·h,其他參數(shù)均不變,計算結(jié)果如圖6所示。由仿真結(jié)果可以看出,平滑效果較好,平滑后的Plevel值比平滑前小很多。比較圖4和圖6可以發(fā)現(xiàn),基于目標(biāo)參數(shù)的功率平滑控制策略的起始并網(wǎng)功率取決于風(fēng)電場的初始出力,而基于儲能系統(tǒng)容量的功率平滑控制策略的起始并網(wǎng)功率取決于儲能系統(tǒng)的初始存電量,2種控制策略的平滑效果差異較小。改變儲能系統(tǒng)總?cè)萘緾max和儲能系統(tǒng)的初始存電量Mess(0),重新仿真,可以對比不同參數(shù)下的功率平滑效果。仿真結(jié)果表明,儲能系統(tǒng)總?cè)萘緾max越大,功率平滑效果越好。初始存電量只對開始一段時間的并網(wǎng)功率有影響。3.3功率平滑仿真結(jié)果仍然采用前述風(fēng)電場數(shù)據(jù),儲能系統(tǒng)總?cè)萘咳镃max=20MW·h,儲能系統(tǒng)的初始存電量取為Mess(0)=10MW·h,其他參數(shù)均不變,用上述同時兼顧目標(biāo)