基于小波算法的風(fēng)電儲能裝置優(yōu)化控制

程 琳，都小利，王月兵，錢 文

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司培訓(xùn)中心， 安徽 合肥 230022； 2.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051；3.國網(wǎng)安徽省電力公司安慶供電公司， 安徽 安慶 246000； 4.國網(wǎng)安徽省電力公司亳州供電公司， 安徽 亳州 236800)

風(fēng)電以其自身的實用、環(huán)保等特性，成為目前可再生新能源利用中最具大規(guī)模開發(fā)條件、技術(shù)最成熟、發(fā)展前景最為看好的發(fā)電方式。表1為不同能源發(fā)電方式的經(jīng)濟成本?？芍?，作為新能源之一的風(fēng)電具有資源巨大、易開發(fā)、低碳環(huán)保等優(yōu)點。然而，風(fēng)能大小和方向常具有隨機性、間接性等特點，這使得風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的有功功率常存在不確定性，難以預(yù)測。如果風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成孤網(wǎng)將使得孤網(wǎng)內(nèi)重要負(fù)荷工作不穩(wěn)定；如果風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)相連接，這將影響大電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定[1]。根據(jù)我國地理條件，具有豐富風(fēng)力資源的地區(qū)大都位于丘陵、山區(qū)。這些地方的電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)相對落后，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性保護也較為薄弱,因此如果將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接接入傳統(tǒng)大電網(wǎng)，會影響整個大電網(wǎng)工作的穩(wěn)定性，甚至?xí)泶箅娋W(wǎng)的癱瘓[2]。與此同時，風(fēng)電消納能力受到極大限制，高比例的棄風(fēng)現(xiàn)象普遍存在，會造成資源浪費和風(fēng)電企業(yè)的經(jīng)濟損失[3-4]。

表1 不同能源發(fā)電方式的經(jīng)濟成本

文獻(xiàn)[5-6]指出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與大電網(wǎng)相連時，電網(wǎng)將消納風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能。如果風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能超出電網(wǎng)消納能力，電網(wǎng)中已有的發(fā)電機的機械功率會發(fā)生變化，發(fā)電機輸出功率也相應(yīng)發(fā)生變化。為補償風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的波動輸出功率，文獻(xiàn)[7-8]將蓄電池并接至大電網(wǎng)系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[9-11]采用長時間序列算法、NSGA2算法等對風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測，希望通過預(yù)測風(fēng)速能估算出風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率變化，但對風(fēng)的變換進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測是非常困難的。自然界氣候的變換常難于預(yù)測，因此提高風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓和頻率質(zhì)量的方法是在發(fā)電系統(tǒng)中增加儲能設(shè)備，作為能源調(diào)節(jié)器。為此，本文設(shè)計了基于小波算法的分布式儲能裝置控制模型，以提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后的電能質(zhì)量，并在建模的時候，將風(fēng)力發(fā)電所需儲能的容量與建設(shè)成本等因素綜合考慮，從而達(dá)到提高風(fēng)力發(fā)電效率的目的。

1 儲能裝置及接入

當(dāng)風(fēng)力充足而用電量較少時儲能裝置起到電能儲存作用；當(dāng)風(fēng)力不充足，用電量較大時，儲能設(shè)備將釋放電能，從而維持系統(tǒng)中重要負(fù)荷的穩(wěn)定工作。在運用風(fēng)能大規(guī)模發(fā)電時，由其本身特性的原因，必須結(jié)合合適的儲能裝置來平滑輸出功率達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。表2列出了儲能方式的各項指標(biāo)。可以看出，不同的儲能方式各有優(yōu)勢，適用于不同的情況。

表2 儲能技術(shù)特性比較

目前對于儲能設(shè)備與電網(wǎng)的連接方式有2種：集中式和分布式。集中式是在電網(wǎng)中統(tǒng)一安裝較大容量的儲能裝置，這樣的接入方式雖然減少了經(jīng)濟成本和維護人員工作量，但當(dāng)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的有功有較大波動時，儲能系統(tǒng)的響應(yīng)較慢，甚至可能會失效，這對電網(wǎng)及負(fù)荷都有嚴(yán)重的危害。在分布式儲能方式中，每臺風(fēng)力發(fā)電機都需要配有一個小容量的儲能設(shè)備，進(jìn)行輸出有功率調(diào)節(jié)。目前在工業(yè)上廣泛應(yīng)用分布式儲能技術(shù)。綜合考慮這些因素,筆者采用分布式儲能方式，并選用超級電容儲能的方式。當(dāng)風(fēng)能過剩時，將多余的能量經(jīng)直流側(cè)傳至電容器吸收并存儲；當(dāng)風(fēng)能不足時，則反方向?qū)㈦娙萜髦械哪芰拷?jīng)由支流母線傳輸至電網(wǎng)，以平衡所需。

2 分布式儲能控制模型設(shè)計

在雙饋式風(fēng)力發(fā)電機中，在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間的直流母線上并接超級電容儲能裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為討論分布式儲能裝置控制模型工作原理，給出風(fēng)電儲能裝置優(yōu)化控制模型結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2中Pref是風(fēng)力發(fā)電機的參考輸出功率值,P是風(fēng)力發(fā)電機的輸出測量值。通過將設(shè)定參考閾值與測量值比較，經(jīng)過功率/電流調(diào)節(jié)器得到給定電流值I*,再與測量電流值比較,經(jīng)過功率/電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生導(dǎo)通占空比，然后與設(shè)定的參考三角波比較，得到開關(guān)脈沖信號,去觸發(fā)g1、g2,實現(xiàn)雙向變流器的功率控制，從而通過對超級電容器組充、放電控制，實現(xiàn)電容器組內(nèi)部功率調(diào)節(jié)。

圖1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機直流側(cè)并聯(lián)電容器組

圖2 控制模型結(jié)構(gòu)圖

3 基于小波理論的功率分配判決

小波變換算法相比于FFT變換算法，在時域和頻域都具有不同的分辨率，是一種多分辨分析方法。小波時頻原子φr(t)可以表示為

(1)

(2)

小波基函數(shù)具有尺度因子a和時間平移因子b2個參數(shù)。當(dāng)a增大時，基函數(shù)ψa,b(t)的時間窗口也逐漸增大，而頻率窗口則逐漸減小。由小波變換的定義，信號f(t)的小波變換WTf(a,b)是a,b的函數(shù)，母小波可以是實函數(shù)，也可以是復(fù)函數(shù)。小波算法對原始風(fēng)電有功功率信號P(t)進(jìn)行分解，P(t)是實信號，ψ(t)也是實函數(shù)，則小波變換得到的結(jié)果也是實函數(shù)。假定所要分析的函數(shù)是任意函數(shù)f(t)，Dj+1P(t)表示為在分辨率j和j+1下對P(t)逼近的細(xì)節(jié)差異，稱Dj+1f(t)是在分辨率j+1下的細(xì)節(jié)函數(shù)，dj+1,k是其離散細(xì)節(jié)，其中：

(3)

(4)

式(3)和式(4)表明，經(jīng)j-1尺度空間的尺度系數(shù)和抽頭長度為2k的h(k)濾波器和g(k)濾波器的加權(quán)求和可以得到j(luò)尺度空間的尺度系數(shù)和小波系數(shù)。第j級小波分解對應(yīng)的矩陣2J-j+1×2J-j+1(J為分解層數(shù))為

(5)

小波分解的矩陣表達(dá)式為

(6)

因此，小波濾波器h(k)和尺度濾波器g(k)將信號分解為低頻分量和高頻分量。利用小波算法，首先將在線監(jiān)測的風(fēng)力發(fā)電輸出有功信號經(jīng)過小波分解，得到相應(yīng)的高頻分量信號與低頻分量信號。高頻分量信號由于變換速度快，通常給電網(wǎng)帶來擾動，破壞電網(wǎng)穩(wěn)定性；低頻分量信號中頻率變換較慢，可以作為在線監(jiān)測的并網(wǎng)功率值，如果過低則會使系統(tǒng)中重要負(fù)荷不能工作：因此將小波變換后高頻分量信號進(jìn)行吸收，這樣不僅可以平滑功率曲線，同時還可以減小儲能電容容量，降低儲能系統(tǒng)成本。低頻分量信號分別與系統(tǒng)設(shè)定閾值比較，從而控制超級電容儲能器吸收或補償?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，達(dá)到對電網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。

4 功率平滑控制

由于風(fēng)電場輸出的功率變換可以被看成是平穩(wěn)隨機過程，因此，在小波算法數(shù)據(jù)處理之后，在低頻分量信號中應(yīng)用MUSIC(multiple signal classification )譜估計算法，建立非平穩(wěn)隨機時變功率譜，通過比較輸出功率與設(shè)定閾值之間關(guān)系，對超級電容器組充、放電控制，實現(xiàn)電容器組內(nèi)部功率調(diào)節(jié)。算法原理框圖如圖3所示。

圖3 功率平滑算法框圖

MUSIC算法是基于矩陣特征分解的一種功率密度估計。它將相關(guān)數(shù)據(jù)矩陣中的信息分配到信號子空間，在包含的J個頻率中通過MUSIC算法得到功率密度，并進(jìn)行算術(shù)平均。因此，在算術(shù)平均意義下的功率密度為

(7)

式中：(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置；Us為信號子空間；a(fj)為頻率fj處對應(yīng)的小波分解特征向量。子帶頻率為fj，在fj處對應(yīng)的信號X的協(xié)方差矩陣表達(dá)式為

R(fj)=E[XXH]=UΣUH。

(8)

式中：U為特征矢量矩陣，Σ是由特征值組成的對角陣，其中特征值關(guān)系為

λ1≥λ2≥…≥λp。

(9)

λi(i=1,2,…,p)特征值對應(yīng)的特征向量構(gòu)成有用信號的子空間Us=[e1,e2,…,ep]，p是子空間維數(shù)。通過計算在頻率fj的信號自相關(guān)矩陣，并進(jìn)行特征分解，得到其特征值Us。將特征向量a(fj)與Us代入式(7)計算MUSIC功率密度，找出功率密度中p個峰值，并進(jìn)行算術(shù)平均，從而求得超級電容器組內(nèi)部功率調(diào)節(jié)值，并與閾值比較，實現(xiàn)對電網(wǎng)功率的平滑控制。

5 仿真分析

為研究儲能系統(tǒng)對風(fēng)電輸出功率平滑效果，建立如圖4所示的仿真原理圖。

圖4 仿真原理結(jié)構(gòu)圖

圖4中，雙饋風(fēng)電場出口電壓為690 V,經(jīng)過變壓器接到10 kV電網(wǎng)，再經(jīng)過傳輸線路接到220 kV的無窮大系統(tǒng)。超級電容選擇接在風(fēng)電場的出口處，經(jīng)過變流器和變壓器后并入10 kV電網(wǎng)。仿真模型的風(fēng)電場容量為12 MW,根據(jù)我國風(fēng)電并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，每分鐘風(fēng)電場的有功功率變化率不超過裝機容量的20%，即風(fēng)電場的有功功率變換率不超過2.4 MW/min。取時間常數(shù)T=9 000 s，如圖5所示。

圖5 風(fēng)力發(fā)電輸出功率

對圖5進(jìn)行不同層次的小波分解，得到圖6。本文選擇 db6 小波進(jìn)行數(shù)據(jù)分解。從圖6可以看出，小波分解層數(shù)越多，輸出功率曲線越平滑，越容易將其分解為高頻分量信號和低頻分量信號，從而判斷電容器充放電狀態(tài)。

圖6 小波分解下的輸出功率

電容器容量是指在一段時間內(nèi)所得到的電容板的充、放電量。本文將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域，可以根據(jù)小波分解后的功率信號計算相應(yīng)的儲能容量。儲能容量計算公式為

(10)

式中：E為電容器組容量；P0(t)為時域風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，其值為在線監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電輸出功率與設(shè)定的功率閾值之差。由圖7可知，風(fēng)力發(fā)電輸出功率中波動部分被電路中的超級電容器組平滑了。

在上述仿真條件下分別采用一階低通濾波與MUSIC算法、小波算法與MUSIC算法聯(lián)合的功率調(diào)節(jié)方法進(jìn)行比較，驗證所提出算法的優(yōu)越性。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 電容器組與輸出功率變化曲線

圖8 不同功率平滑算法下輸出變化曲線

從圖8看出，超級電容采用小波算法與MUSIC算法聯(lián)合的功率調(diào)節(jié)方法能及時進(jìn)行電網(wǎng)功率修正，使電網(wǎng)功率狀態(tài)保持在較合理范圍內(nèi)。

6 結(jié)論

本文在風(fēng)力發(fā)電分布式接入電網(wǎng)模式下，選取超級電容器組作為儲能裝置，并給出在雙饋發(fā)電機模式下的風(fēng)電儲能裝置控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用小波變換算法的多分辨率特點，得到更具周期特性的低頻信號分量和高頻信號分量；在構(gòu)造的模型中將設(shè)定的風(fēng)力發(fā)電所輸出的目標(biāo)功率作為閾值，并將在線監(jiān)測得到的風(fēng)力發(fā)電所輸出的功率經(jīng)過小波變換和MUSIC算法，得到算術(shù)平均功率密度，其值與設(shè)定閾值比較，從而控制超級電容器組的充電和放電狀態(tài)。所設(shè)計的控制系統(tǒng)利用電容器組反應(yīng)速度快的特點進(jìn)行風(fēng)電功率波動平抑，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定性的快速調(diào)節(jié)。