一種風力發電系統輸出功率波動抑制策略研究

徐茂棟，許媛媛，朱少欣，賈憲章

廣東海洋大學，廣東湛江，524000

0 引言

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

1 風電能源管理系統拓撲結構

風場的高隨機性導致風電間歇式電源輸出功率的高波動性。儲能系統是實現微電網協調優化運行、減少棄風現象及提高能源利用率的一個重要環節。因此，需要提出一種合理的儲能系統控制策略，來平抑可再生能源的功率波動[3]，提高系統的可靠性和效率，以維持微電網的穩定性和經濟性。目前比較常見的幾種儲能系統包括：儲能系統并聯于直流側拓撲結構、超級電容單獨在直流側并聯拓撲結構、蓄電池單獨在直流側并聯拓撲結構等。在此基礎上，本課題提出了一種改進后的儲能系統拓撲結構，如圖1所示。

圖1 儲能系統拓撲結構

圖1中的風能發電通過風能帶動風力機的葉輪旋轉，將風能轉換為機械能，再通過齒輪箱將葉輪較低的轉速轉換為發電機較高的轉速，最后由發電機將動能轉換為電能并通過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，可以快速地發出較多的能量。在本文研究的結構中，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定的高頻分量進行抑制。采用相應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微網中波動功率的低頻部分。本文所研究的結構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，可快速穩定波動，并能減少蓄電池的循環次數，延長蓄電池的生命周期。

2 風電系統輸出功率波動的抑制策略

風場的隨機性和間歇性引起風電系統輸出功率的高波動性，不僅增加了電網的沖擊，還會降低電能質量，導致微電網的穩定控制變得困難。為了減小風電場輸出功率的波動，提出一種基于混合儲能系統的一階濾波算法功率分配策略，對風電場輸出功率波動進行平抑控制[5]。通常并網功率參考值由風電機組發出的有功功率經一階低通濾波器得到，即：

式中，Pw是風電場的輸出，Pb是平滑后的總輸出，Ts是時間常數。

圖2是一種定常數低通濾波拓撲結構，通過一階定常數低通濾波器對風電機組輸出功率的波動進行平抑[6]，儲能系統對部分控制系統的輸出功率進行平抑，維持電網穩定。儲能系統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電場輸出功率Pb，改善風電并網情況。

圖2 定常數低通濾波拓撲結構圖

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

圖3 定常數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力發電系統計算模型，對風電系統輸出功率進行仿真分析。仿真結果如圖4所示，波動率超過2%的占到一半以上，從目前現有研究參考，本文設定波動率2%為設定參考值。在80分鐘時所采集的數據中可以得出，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 原始數據風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。為抑制風電場輸出功率的波動，在上述建模的基礎上增加了一階濾波器環節，計算分析了不同時間常數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T。

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

圖5 各時間參數下風電功率平滑效果

圖6 各時間參數下風電機組每分鐘波動情況

T越大，實現濾波器的成本越高，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T=1200s時波動率小于2%的概率已經接近于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 不同時間常數的平滑效果對比

時間常數與系統的儲能容量和儲能功率都有著密切的關系，通過在不同時間常數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T對儲能容量的影響

圖8 時間常數T對儲能功率的影響

微電網對風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對比得出，在不同的最大波動率限幅下，所需要的儲能系統配置要求差別也比較大。

表2 不同波動率所需參數對比

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

4 結論

針對風力發電系統輸出功率波動的問題，本文提出了一種定常數低通濾波拓撲結構，在此基礎上，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下對功率波動的抑制效果進行了仿真驗證。仿真結果表明：

①當T=400s時，最大濾波率為3.46%，大于規定值2%；②當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。

本研究對我國發電場的發展具有一定的指導意義，在未來的研究中可以進一步考慮通過多源協調風電有功波動抑制方法，改善電網質量，充分利用可再生能源為未來電網調度提供理論基礎和實驗依據。