風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨機(jī)波動(dòng)的仿真分析

潘曉悅

（上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400）

0 引言

風(fēng)能是一種自然資源，風(fēng)電功率取決于風(fēng)速，具有不可控和不可預(yù)期性，因此風(fēng)電并網(wǎng)功率波動(dòng)很大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)影響。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中保持電力平衡和電能質(zhì)量的關(guān)鍵系統(tǒng)。在一個(gè)典型、獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用蓄電池的充放電特性，在風(fēng)速變化以及負(fù)荷瞬變時(shí)進(jìn)行功率平衡的調(diào)節(jié)，可以使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常供電。

為了驗(yàn)證風(fēng)電場(chǎng)的直流側(cè)蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在這個(gè)典型、獨(dú)立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，在瞬態(tài)負(fù)載和可變風(fēng)速條件下滿足系統(tǒng)電能的平衡要求，采用MATLAB／Simulink對(duì)固定負(fù)載，變化風(fēng)速工況；固定風(fēng)速，負(fù)荷瞬變工況；風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化工況；通過建模進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和分析。

1 建模參數(shù)

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)輪采用3葉片，選用玻璃鋼纖維，層流翼型，升阻比高，性能優(yōu)良。發(fā)電機(jī)采用永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG），通過軸系直接耦合在輪轂上，由葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電，不需要齒輪箱等中間傳動(dòng)部件。永磁同步發(fā)電機(jī)經(jīng)背靠背式全功率變頻器系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，通過變頻控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的變速運(yùn)行。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)功率為1.5MW；空載反電動(dòng)勢(shì)為894.45V；齒部磁密度為1.744T；電壓為690.23V；電流為1.26kA；鐵心損耗為8.075kW；電樞銅損為74.215W；效率為94.24%；短路電流為2.17kA。

1.2 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)

蓄電池采用全釩氧化還原液流電池，電池安放兩艙。在每個(gè)艙室內(nèi)有離子膜硫酸釩酸電解質(zhì)，由兩個(gè)獨(dú)立的電解質(zhì)槽的艙室泵將電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流。這個(gè)反應(yīng)過程可以逆反進(jìn)行，對(duì)電池進(jìn)行充電、放電和再充電。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能容量為1 100kWh；持續(xù)4h的輸電功率為200kW；峰時(shí)10s的最大輸出功率為400kW、5min為300kW。

2 MATLAB仿真分析

使用MATLAB／Simulink軟件進(jìn)行仿真和模擬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖，如圖1所示。在構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型框圖的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)詳細(xì)的每個(gè)模塊仿真圖［1，2］。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模框圖

為了驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中直流側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用，根據(jù)定量分析的原理進(jìn)行了3種工況的仿真試驗(yàn)［3，4］。

2.1 固定負(fù)載，變化風(fēng)速的仿真

設(shè)負(fù)荷為1.1MW，保持不變；風(fēng)速為12m／s，t為0s，并考慮了穩(wěn)態(tài)條件。仿真開始后2s，風(fēng)速?gòu)?2m／s下降至7m／s，t為4s，保持2s，風(fēng)速?gòu)?m／s上升至12m／s，保持2s，仿真結(jié)束時(shí)t為10s。固定負(fù)載，變化風(fēng)速的仿真波形，如圖2所示。

從圖2可以看出，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，隨著風(fēng)速的變化而變化。發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流的波形（電壓和電流圖放大顯示為0.05s一個(gè)周期的波形），可以看出發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流還算平穩(wěn)。

在負(fù)荷不變的情況下，流經(jīng)電池的電流，隨風(fēng)速變化而變化。與預(yù)計(jì)的一樣，當(dāng)發(fā)電機(jī)風(fēng)速降低而輸出功率降低時(shí)，由于負(fù)荷側(cè)的負(fù)載不變，此時(shí)需要蓄電池向負(fù)荷側(cè)供電。

從固定負(fù)載，變化風(fēng)速時(shí)仿真波形圖可以清晰地看到，蓄電池從原來(lái)的充電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)（電流由正變負(fù)）。當(dāng)風(fēng)速回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，蓄電池又恢復(fù)到充電狀態(tài)。

電池容量從原來(lái)的容量不斷增加，到后來(lái)容量減少，再到容量增加，都是隨著流經(jīng)電池電流的變化而變化。

圖2 固定負(fù)載，變化風(fēng)速時(shí)的仿真波形

為了直觀地看出固定負(fù)載，變化風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率、負(fù)荷側(cè)功率和電池的功率變化情況，將3條曲線整合到一張圖中，如圖3所示。

圖3 固定負(fù)載，變化風(fēng)速時(shí)的功率曲線圖

從圖3可以看到，電池的功率加上負(fù)荷側(cè)功率等于發(fā)電機(jī)輸出功率，說(shuō)明仿真成功。

2.2 固定風(fēng)速，負(fù)載瞬變的仿真

設(shè)風(fēng)速恒定為12m／s，并考慮了穩(wěn)態(tài)條件。仿真開始時(shí)t為0s，負(fù)荷為1.2MW，1s后負(fù)荷從1.2MW下降至0.8MW，保持2s，負(fù)荷很快從0.8MW上升至1.2MW，保持2s，負(fù)荷從1.2 MW上升至1.6MW，保持2s，仿真結(jié)束時(shí)t為10s。固定風(fēng)速，負(fù)載瞬變的仿真波形，如圖4所示。

圖4 固定風(fēng)速，負(fù)載瞬變時(shí)的仿真波形

從圖4可以看到，由于風(fēng)速恒定為12m／s，所以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速非常穩(wěn)定，保持在20r／min。由于發(fā)電機(jī)輸出功率穩(wěn)定，保持在1.25MW。從發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流的仿真波形（電壓和電流圖放大顯示為0.08s一個(gè)周期的波形）可以看出，輸出電壓和輸出電流都比較平穩(wěn)。隨著負(fù)荷側(cè)電流的變化，流經(jīng)電池的電流也隨之變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)風(fēng)速不變，負(fù)荷側(cè)按照設(shè)定的參數(shù)變化時(shí)，蓄電池向負(fù)荷側(cè)供電。當(dāng)負(fù)荷側(cè)電流大于設(shè)定值時(shí)蓄電池充電，當(dāng)負(fù)荷側(cè)電流小于設(shè)定值時(shí)蓄電池轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)，電池容量的有序變化也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

為了直觀地看出固定風(fēng)速，負(fù)載瞬間變化時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率、負(fù)荷側(cè)功率和電池的功率變化情況，將3條曲線整合到一張圖中，如圖5所示。

圖5 固定風(fēng)速，負(fù)載瞬變時(shí)的功率曲線圖

從圖5可以看到，電池的功率加上負(fù)荷側(cè)功率等于發(fā)電機(jī)輸出功率，說(shuō)明仿真成功。

2.3 風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化的仿真

設(shè)風(fēng)速為12m／s，t為0s，并考慮了穩(wěn)態(tài)條件。仿真開始后2s，風(fēng)速?gòu)?2m／s下降至7m／s，t為4s，保持2s后風(fēng)速?gòu)?m／s上升至12m／s，保持2s，仿真結(jié)束時(shí)t為10s，風(fēng)速變化的仿真曲線圖，如圖6所示。

圖6 風(fēng)速變化圖

設(shè)初始負(fù)荷為1.2MW，仿真開始時(shí)t為0s，1s后負(fù)荷從1.2MW下降至0.8MW，保持2s，負(fù)荷從0.8MW上升至1.2MW，保持2s，負(fù)荷從1.2MW上升至1.6MW，保持2s，仿真結(jié)束時(shí)t為10s，負(fù)載瞬間變化的仿真曲線圖，如圖7所示。

圖7 負(fù)荷瞬間變化圖

風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化的仿真波形，如圖8所示。

圖8 風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化的仿真波形

從圖8可以看到，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出功率隨之變化。發(fā)電機(jī)的輸出電壓和輸出電流的仿真波形（輸出電壓和輸出電流圖放大顯示為0.08s一個(gè)周期的波形），可以看出輸出電壓和輸出電流都比較平穩(wěn)，同時(shí)也顯示了與設(shè)定值有關(guān)的負(fù)荷側(cè)電流變化仿真波形。隨著發(fā)電機(jī)風(fēng)速和負(fù)荷側(cè)電流的變化，流經(jīng)電池的電流，也隨之變化并向負(fù)荷側(cè)供電，電池容量有序變化。

為了直觀地看出風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率、負(fù)荷側(cè)功率和電池充放電功率變化情況，將3條曲線整合到一張圖中，如圖9所示。

這次仿真是在風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化的情況下，要求蓄電池正常充放電，在發(fā)電機(jī)輸出功率不足時(shí)放電，功率過剩時(shí)充電。從圖9可以清楚地看到，電池的功率加上負(fù)荷側(cè)功率等于發(fā)電機(jī)輸出功率，說(shuō)明仿真成功。

圖9 風(fēng)速和負(fù)荷同時(shí)變化時(shí)的功率曲線

3 結(jié)語(yǔ)

1）仿真結(jié)果表明，在不同的控制策略下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠很好地發(fā)揮平衡功率的作用，不僅可以在系統(tǒng)出現(xiàn)功率過剩時(shí)有效儲(chǔ)存由風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供的電能，而且能夠在風(fēng)速擾動(dòng)下快速平滑風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出，降低風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并在風(fēng)速過低導(dǎo)致風(fēng)電發(fā)電不足時(shí)，作為補(bǔ)充電源向重要負(fù)荷提供電能，以平衡整個(gè)系統(tǒng)。

2）通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨機(jī)波動(dòng)的仿真試驗(yàn)，提出了一種使用蓄電池的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)能源存儲(chǔ)設(shè)備的獨(dú)立風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并對(duì)穩(wěn)定輸出電壓及功率進(jìn)行了分析。采用一個(gè)雙向的充電／放電控制器，使得蓄電池能夠保持負(fù)載電壓，同時(shí)也能限制流向蓄電池的電流過高。仿真結(jié)果表明，在瞬態(tài)負(fù)載和可變風(fēng)速條件下的系統(tǒng)電能能夠滿足平衡。蓄電池的應(yīng)用從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是可行的，而且蓄電池很適合作為儲(chǔ)能手段應(yīng)用于可再生能源。

為了最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電，采用直流儲(chǔ)能是個(gè)好方法。相信在不久的將來(lái)，儲(chǔ)能會(huì)更加方便快捷，存儲(chǔ)容量也會(huì)更大，儲(chǔ)能新設(shè)備的誕生，可以更好地應(yīng)用于電能削峰填谷，維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮更大的作用。

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