風力發電中的波動功率與調節控制技術分析

摘 要：存在于自然界的風本身具有間歇性和波動性的特點，以此為動力的風電也附帶有這樣的特征，在大規模并網的背景下，可能會影響電網的電能質量，因此，需要做好風電波動功率的調節和控制，消除風電波動功率的負面影響。文章分析了風力發電中波動功率的特點，對相應的調節控制技術進行了研究和探討。

關鍵詞：風力發電；波動功率；調節控制技術

前言

可持續發展理念的提出和深化，使得人們加大了對于清潔可再生能源的研發力度，風電也因此得到了快速發展和廣泛利用。不過在大規模風力發電時，風本身的間歇性和波動性所引發的波動功率對于電網而言是一個巨大的沖擊，給電網的安全穩定運行以及電能質量控制等方面帶來了很大的挑戰，如何對波動功率進行有效控制，是需要電力技術人員深入研究的問題。

1 風力發電中的波動功率

風力發電是一種將動能轉化為機械能，然后再轉化為電能的技術，可以對自然界中普遍存在的風能進行利用，不需要燃料的推動，也不會產生廢棄物，與水電、核電、太陽能發電等都屬于新型清潔能源，基本上不會對周邊環境造成污染和破壞。

不過在實際應用中，受各種因素的影響，風本身的速度可以說是瞬息萬變的，存在著非常明顯的波動特性，在這種情況下，想要對風所能夠產生的功率進行只能卻預測，幾乎是不可能的。而存在于風電輸出有功功率預測值與實際風電功率值之間的誤差，就是有功波動功率，這個功率數值在一個相對較大的范圍內上下波動，也給電力系統的運行管理提出了很大的難題。通常來講下，為了對自然界的風能進行最大限度的利用，在風力發電中都會采用最大功率捕獲風能的模式，想要確保風電并網后電網的穩定運行，就必須采取有效措施，消除風電產生的波動功率[1]。

實施上，對于這個問題的研究由來已久，也得到了大量可供參考的解決方案，如強化風電預測的準確性，構建電能管理平臺；調整常規發電機組有功出力，協調熱備機組以降低風電本身間歇性和波動性帶來的影響；同時，應該在盡量保持對風能最大限度的捕獲的基礎上，適當增加相應的輔助功率調節系統，針對風電所產生的沖擊進行改善。依照《風電場接入電力系統技術規定》中的相關要求，風電場本身必須具備一定的功率調節能力，將波動功率的變化限制在允許范圍內。以裝機容量30MW-150MW的風電場為例，其波動功率最大值為10MW/min；裝機容量在150MW以上時，波動功率變化的最大值不能超過15MW/min。

2 風力發電中的波動功率調節控制技術

文章結合上述技術規范，吸收了以往的研究經驗，在最大風能捕獲運行模式下，對風電的有功波動功率進行了分解，并且提出了一種針對風電波動功率進行調節和控制的方案，可以利用儲能系統，提供足夠承載限值外有功功率波動的容量，結合越發準確的風電預測，可以在降低儲能裝置配置容量的同時，減少成本的投入[2]。

2.1 風電波動功率分解

對風電場的風速進行區間劃分，結合實踐經驗，在中速區間內，風電輸出的有功功率波動較小，而且相對穩定，可以直接并入電網，而在高速區間和低速區間內，由于發生概率小，很容易出現預測誤差，導致有功波動功率的劇烈波動，在這種情況下，就需要對風電波動功率進行分解。假定某風機日輸出功率為P，預測日輸出功率為P1，則可以得到風電有功波動功率。而依照《風電場接入電力系統技術規定》中對于風電場有功功率變化最大限值的相關要求，可以將波動功率分解為兩個部分，一是存在于限值范圍內的波動功率，二是存在于限值范圍外的波動功率。這種分解方式可以對電網預留出的風電裕量進行最大限度的利用，從而節約儲能裝置的容量[3]。

2.2 風電波動功率調節控制策略

結合有功波動功率的調節控制規則，可以實現對風力發電預測功率與實際功率的對比，結合對比結果判斷調節控制所處的狀態，如果發現其處于調節、休眠和離網三種狀態中的后兩種，則不需要進行調節，而當處于調節狀態時，調節控制策略可以分為兩個組成部分，其中一部分是通過DC-DC buck/boost變換器，控制超級電容器進行能量的吸收或者釋放，另一部分則是針對電壓型PWM變流器（VSI）的控制。DC-DC buck/boost 變換器可以依照相應的規則，以超級電容器對目標功率值進行吸收或釋放，從而實現功率的雙向流動，其高壓側在實際應用中與VSI直流側電容并聯，低壓側則與超級電容器并聯。VSI直流側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能以及交流母線之間流動，可以實現對有功功率和無功功率的高效控制，達到相應的目標值。超級電容器可以通過控制DC-DC buck/boost變換器的方式，對放電功率進行調整，從而實現對波動功率的調節控制。在實際應用中，上述兩個部分相互結合在一起，依照控制指令，能夠滿足波動功率調節控制的需求[4]。

2.3 儲能系統調節控制策略

在科技發展的帶動下，超級電容器的功率密度和能量密度呈現出不斷增長的趨勢，也使得其作為一種儲能技術在電力系統中有著應用的可能性。這里為了對計算和分析進行簡化，采用了簡單的串聯RC模型，如圖1。在模型中，C表示理想狀態下超級電容器的等效電容，RESR則表示等效串聯電阻，其不僅可以充分體現雙電層超級電容器的發熱損耗，還可以體現負載放電狀態下，不同電流大小時RESR兩側的壓降，對于雙電層超級電容器的最大放電電流有著一定的約束作用。

在儲能系統中，正反功率流中的控制變量到電感電流的傳遞系數相同，因此通過一個控制系統就能夠實現能量的雙向流動。在控制系統中，采用的是電流單環結構，結合相應的參考值，搭配PI控制器，可以通過對兩個開關互補占空比的控制，確保電流的穩定性，而且這種控制方式具備良好的抗干擾能力和較快的動態響應。

DC-DC buck/boost變換器對于超級電容器功率的控制主要體現在電感電流上，在一個調度周期內，若風電有功功率的波動超出能夠接收的限值，則變換器會控制電感電流，對多余的功率進吸收，表現為超級電容器充電，反之，變換器會釋放目標功率，超級電容器放電。應該注意，當DC-DC buck/boost變換器工作時，超級電容器的端電壓必須保持在正常范圍內，能夠提供波動功率的差額，風電場控制系統處于調節或者休眠狀態，而一旦發現異常，應該及時脫網，同時上報調度部門進行分析和處理，以保證電網的運行安全[5]。

3 結束語

總而言之，在風電大規模并網時，其本身存在的波動功率會對電網造成一定的沖擊，影響電網的穩定運行。對此，電力技術人員應該加強對于風電波動功率的研究，采取切實有效的調節控制措施，確保風電有功波動功率可以達到理想目標值，以滿足電力系統對于風電的要求，推動電力行業的穩定發展。

參考文獻

[1]張滿良.風電場有功功率控制研究[J].內蒙古石油化工，2012（17）：26-28.

[2]趙瑜，周瑋，于 ，等.風電有功波動功率調節控制研究[J].中國電機工程學報，2013，33（13）：85-91.

[3]趙艷雷，李海東，張磊，等.基于快速儲能的風電潮流優化控制系統[J].中國電機工程學報，2012，32（13）：21-28.

[4]程莎莎，張琦，黃湘源.用于平抑風電波動功率的混合儲能系統及其控制系統[J].電氣工程，2013（8）：17-21.

[5]陳晨，岳薇薇.含儲能系統的并網風電場有功功率控制方法研究[J].企業文化（中旬刊），2013（2）：77-79.