風(fēng)力發(fā)電中的波動(dòng)功率與調(diào)節(jié)控制技術(shù)分析

摘 要：存在于自然界的風(fēng)本身具有間歇性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，以此為動(dòng)力的風(fēng)電也附帶有這樣的特征，在大規(guī)模并網(wǎng)的背景下，可能會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，因此，需要做好風(fēng)電波動(dòng)功率的調(diào)節(jié)和控制，消除風(fēng)電波動(dòng)功率的負(fù)面影響。文章分析了風(fēng)力發(fā)電中波動(dòng)功率的特點(diǎn)，對(duì)相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；波動(dòng)功率；調(diào)節(jié)控制技術(shù)

前言

可持續(xù)發(fā)展理念的提出和深化，使得人們加大了對(duì)于清潔可再生能源的研發(fā)力度，風(fēng)電也因此得到了快速發(fā)展和廣泛利用。不過在大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)本身的間歇性和波動(dòng)性所引發(fā)的波動(dòng)功率對(duì)于電網(wǎng)而言是一個(gè)巨大的沖擊，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及電能質(zhì)量控制等方面帶來了很大的挑戰(zhàn)，如何對(duì)波動(dòng)功率進(jìn)行有效控制，是需要電力技術(shù)人員深入研究的問題。

1 風(fēng)力發(fā)電中的波動(dòng)功率

風(fēng)力發(fā)電是一種將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，可以對(duì)自然界中普遍存在的風(fēng)能進(jìn)行利用，不需要燃料的推動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生廢棄物，與水電、核電、太陽能發(fā)電等都屬于新型清潔能源，基本上不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染和破壞。

不過在實(shí)際應(yīng)用中，受各種因素的影響，風(fēng)本身的速度可以說是瞬息萬變的，存在著非常明顯的波動(dòng)特性，在這種情況下，想要對(duì)風(fēng)所能夠產(chǎn)生的功率進(jìn)行只能卻預(yù)測(cè)，幾乎是不可能的。而存在于風(fēng)電輸出有功功率預(yù)測(cè)值與實(shí)際風(fēng)電功率值之間的誤差，就是有功波動(dòng)功率，這個(gè)功率數(shù)值在一個(gè)相對(duì)較大的范圍內(nèi)上下波動(dòng)，也給電力系統(tǒng)的運(yùn)行管理提出了很大的難題。通常來講下，為了對(duì)自然界的風(fēng)能進(jìn)行最大限度的利用，在風(fēng)力發(fā)電中都會(huì)采用最大功率捕獲風(fēng)能的模式，想要確保風(fēng)電并網(wǎng)后電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，就必須采取有效措施，消除風(fēng)電產(chǎn)生的波動(dòng)功率[1]。

實(shí)施上，對(duì)于這個(gè)問題的研究由來已久，也得到了大量可供參考的解決方案，如強(qiáng)化風(fēng)電預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，構(gòu)建電能管理平臺(tái)；調(diào)整常規(guī)發(fā)電機(jī)組有功出力，協(xié)調(diào)熱備機(jī)組以降低風(fēng)電本身間歇性和波動(dòng)性帶來的影響；同時(shí)，應(yīng)該在盡量保持對(duì)風(fēng)能最大限度的捕獲的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加相應(yīng)的輔助功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，針對(duì)風(fēng)電所產(chǎn)生的沖擊進(jìn)行改善。依照《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中的相關(guān)要求，風(fēng)電場(chǎng)本身必須具備一定的功率調(diào)節(jié)能力，將波動(dòng)功率的變化限制在允許范圍內(nèi)。以裝機(jī)容量30MW-150MW的風(fēng)電場(chǎng)為例，其波動(dòng)功率最大值為10MW/min；裝機(jī)容量在150MW以上時(shí)，波動(dòng)功率變化的最大值不能超過15MW/min。

2 風(fēng)力發(fā)電中的波動(dòng)功率調(diào)節(jié)控制技術(shù)

文章結(jié)合上述技術(shù)規(guī)范，吸收了以往的研究經(jīng)驗(yàn)，在最大風(fēng)能捕獲運(yùn)行模式下，對(duì)風(fēng)電的有功波動(dòng)功率進(jìn)行了分解，并且提出了一種針對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制的方案，可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)，提供足夠承載限值外有功功率波動(dòng)的容量，結(jié)合越發(fā)準(zhǔn)確的風(fēng)電預(yù)測(cè)，可以在降低儲(chǔ)能裝置配置容量的同時(shí)，減少成本的投入[2]。

2.1 風(fēng)電波動(dòng)功率分解

對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速進(jìn)行區(qū)間劃分，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在中速區(qū)間內(nèi)，風(fēng)電輸出的有功功率波動(dòng)較小，而且相對(duì)穩(wěn)定，可以直接并入電網(wǎng)，而在高速區(qū)間和低速區(qū)間內(nèi)，由于發(fā)生概率小，很容易出現(xiàn)預(yù)測(cè)誤差，導(dǎo)致有功波動(dòng)功率的劇烈波動(dòng)，在這種情況下，就需要對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率進(jìn)行分解。假定某風(fēng)機(jī)日輸出功率為P，預(yù)測(cè)日輸出功率為P1，則可以得到風(fēng)電有功波動(dòng)功率。而依照《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)有功功率變化最大限值的相關(guān)要求，可以將波動(dòng)功率分解為兩個(gè)部分，一是存在于限值范圍內(nèi)的波動(dòng)功率，二是存在于限值范圍外的波動(dòng)功率。這種分解方式可以對(duì)電網(wǎng)預(yù)留出的風(fēng)電裕量進(jìn)行最大限度的利用，從而節(jié)約儲(chǔ)能裝置的容量[3]。

2.2 風(fēng)電波動(dòng)功率調(diào)節(jié)控制策略

結(jié)合有功波動(dòng)功率的調(diào)節(jié)控制規(guī)則，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)功率與實(shí)際功率的對(duì)比，結(jié)合對(duì)比結(jié)果判斷調(diào)節(jié)控制所處的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)其處于調(diào)節(jié)、休眠和離網(wǎng)三種狀態(tài)中的后兩種，則不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，而當(dāng)處于調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)控制策略可以分為兩個(gè)組成部分，其中一部分是通過DC-DC buck/boost變換器，控制超級(jí)電容器進(jìn)行能量的吸收或者釋放，另一部分則是針對(duì)電壓型PWM變流器（VSI）的控制。DC-DC buck/boost 變換器可以依照相應(yīng)的規(guī)則，以超級(jí)電容器對(duì)目標(biāo)功率值進(jìn)行吸收或釋放，從而實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，其高壓側(cè)在實(shí)際應(yīng)用中與VSI直流側(cè)電容并聯(lián)，低壓側(cè)則與超級(jí)電容器并聯(lián)。VSI直流側(cè)電容電壓由變流器控制，保持恒定，能量可以通過變流器在直流儲(chǔ)能以及交流母線之間流動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的高效控制，達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)值。超級(jí)電容器可以通過控制DC-DC buck/boost變換器的方式，對(duì)放電功率進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)波動(dòng)功率的調(diào)節(jié)控制。在實(shí)際應(yīng)用中，上述兩個(gè)部分相互結(jié)合在一起，依照控制指令，能夠滿足波動(dòng)功率調(diào)節(jié)控制的需求[4]。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制策略

在科技發(fā)展的帶動(dòng)下，超級(jí)電容器的功率密度和能量密度呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢(shì)，也使得其作為一種儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中有著應(yīng)用的可能性。這里為了對(duì)計(jì)算和分析進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用了簡(jiǎn)單的串聯(lián)RC模型，如圖1。在模型中，C表示理想狀態(tài)下超級(jí)電容器的等效電容，RESR則表示等效串聯(lián)電阻，其不僅可以充分體現(xiàn)雙電層超級(jí)電容器的發(fā)熱損耗，還可以體現(xiàn)負(fù)載放電狀態(tài)下，不同電流大小時(shí)RESR兩側(cè)的壓降，對(duì)于雙電層超級(jí)電容器的最大放電電流有著一定的約束作用。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，正反功率流中的控制變量到電感電流的傳遞系數(shù)相同，因此通過一個(gè)控制系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。在控制系統(tǒng)中，采用的是電流單環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)合相應(yīng)的參考值，搭配PI控制器，可以通過對(duì)兩個(gè)開關(guān)互補(bǔ)占空比的控制，確保電流的穩(wěn)定性，而且這種控制方式具備良好的抗干擾能力和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

DC-DC buck/boost變換器對(duì)于超級(jí)電容器功率的控制主要體現(xiàn)在電感電流上，在一個(gè)調(diào)度周期內(nèi)，若風(fēng)電有功功率的波動(dòng)超出能夠接收的限值，則變換器會(huì)控制電感電流，對(duì)多余的功率進(jìn)吸收，表現(xiàn)為超級(jí)電容器充電，反之，變換器會(huì)釋放目標(biāo)功率，超級(jí)電容器放電。應(yīng)該注意，當(dāng)DC-DC buck/boost變換器工作時(shí)，超級(jí)電容器的端電壓必須保持在正常范圍內(nèi)，能夠提供波動(dòng)功率的差額，風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)或者休眠狀態(tài)，而一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)該及時(shí)脫網(wǎng)，同時(shí)上報(bào)調(diào)度部門進(jìn)行分析和處理，以保證電網(wǎng)的運(yùn)行安全[5]。

3 結(jié)束語

總而言之，在風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)時(shí)，其本身存在的波動(dòng)功率會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)此，電力技術(shù)人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于風(fēng)電波動(dòng)功率的研究，采取切實(shí)有效的調(diào)節(jié)控制措施，確保風(fēng)電有功波動(dòng)功率可以達(dá)到理想目標(biāo)值，以滿足電力系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電的要求，推動(dòng)電力行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

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