飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

張雪洋，齊鳴

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

張雪洋，齊鳴

（中國(guó)民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300）

風(fēng)能是一種間歇性能源，風(fēng)電功率經(jīng)常處于波動(dòng)之中，風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性具有重要的意義．天氣預(yù)報(bào)提供的氣象數(shù)據(jù)有一定誤差，機(jī)組調(diào)度需要計(jì)及風(fēng)電功率預(yù)測(cè)高估和低估所帶來(lái)的代價(jià)．本文以風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的傳統(tǒng)方法為基礎(chǔ)，用飛輪儲(chǔ)能對(duì)預(yù)測(cè)出來(lái)的風(fēng)功率進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化了風(fēng)電質(zhì)量，最終使用Matlab/GUI開(kāi)發(fā)了風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)．該系統(tǒng)提高了風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)精度，可為風(fēng)電功率預(yù)測(cè)提供參考．

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)；模型構(gòu)造；GUI；飛輪儲(chǔ)能

當(dāng)前，人類(lèi)所依靠的石化資源正在逐步枯竭，開(kāi)發(fā)利用可持續(xù)發(fā)展的新能源已經(jīng)被世界各國(guó)當(dāng)作能源戰(zhàn)略的重點(diǎn)．在各種發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)能作為環(huán)境友好的清潔可替代能源，受到了各國(guó)的青睞．隨著能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為目前各種新能源發(fā)電技術(shù)中相對(duì)最成熟、開(kāi)發(fā)規(guī)模最大、商業(yè)發(fā)展最好的發(fā)電方式之一．

電力系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的系統(tǒng)，發(fā)電、輸電和配電必須保持時(shí)刻的動(dòng)態(tài)平衡．風(fēng)能是一種間歇性的能源，風(fēng)速是隨機(jī)的，具有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)湍流和極端的情況，從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出功率經(jīng)常處于波動(dòng)狀態(tài)，若將其直接并網(wǎng)將會(huì)引起電能質(zhì)量下降甚至危及電網(wǎng)的正常運(yùn)行．隨著越來(lái)越多的大容量風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng)，風(fēng)電的波動(dòng)性對(duì)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全運(yùn)行都造成不可忽略的影響．因此研究風(fēng)電功率的預(yù)測(cè)技術(shù)和風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的重要問(wèn)題．

1 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)

1.1 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的規(guī)模逐步增大，相應(yīng)的各種課題的研究也越來(lái)越深入[1]，但關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)技術(shù)的研究還不太成熟．由于風(fēng)電隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性的特點(diǎn)，我國(guó)單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)日前預(yù)測(cè)均方根誤差在10%～20%之間，這與德國(guó)6%的誤差相比還存在一定的差距，表1列出了我國(guó)部分地區(qū)的風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差[2]．

提高風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的精度對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性和風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)化使用具有重要的研究?jī)r(jià)值[3]．如能對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)就可以及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，減少電力系統(tǒng)運(yùn)行成本和旋轉(zhuǎn)備用，有效的減輕風(fēng)電場(chǎng)對(duì)接入電網(wǎng)的影響，提高風(fēng)電穿透功率極限，同時(shí)也為風(fēng)電場(chǎng)參與發(fā)電競(jìng)價(jià)奠定基礎(chǔ)．另外，準(zhǔn)確的風(fēng)力發(fā)電功率預(yù)測(cè)便于安排機(jī)組維護(hù)和檢修，從而提高風(fēng)電場(chǎng)的容量系數(shù)[4]．

2011年6 月，國(guó)家能源局頒布了《風(fēng)電廠功率預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)管理暫行方法》．按照該《辦法》，自2012年起，我國(guó)所有已并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電廠必須建立起風(fēng)電預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系和發(fā)電計(jì)劃申報(bào)工作機(jī)制，而未按要求報(bào)送風(fēng)電預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果的風(fēng)電廠不得運(yùn)行并網(wǎng)，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)電預(yù)測(cè)如果精度不夠也會(huì)受到相應(yīng)的處罰．

電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的要求有兩個(gè)：一個(gè)是短期預(yù)測(cè)，即當(dāng)天預(yù)測(cè)次日00:00時(shí)起72h的風(fēng)電輸出功率，時(shí)間分辨率為15m in，用于系統(tǒng)發(fā)電計(jì)劃安排；另一個(gè)是短期預(yù)測(cè)，即實(shí)現(xiàn)提前量為0～4 h的滾動(dòng)預(yù)測(cè)，用于電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度[5]．

1.2 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的主要方法

風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法主要分為統(tǒng)計(jì)方法和物理方法[6-9]．統(tǒng)計(jì)方法是指不考慮風(fēng)速變化的物理過(guò)程，而根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)找到天氣狀況與風(fēng)電場(chǎng)出力的關(guān)系，然后根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，常用的預(yù)測(cè)模型有時(shí)間序列、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等．物理方法是根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫等氣象要素預(yù)報(bào)值以及風(fēng)電場(chǎng)周?chē)雀呔€、粗糙度、障礙物等信息，采用微觀氣象學(xué)理論或計(jì)算流體力學(xué)的方法，計(jì)算得到風(fēng)電機(jī)組輪轂高度的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓等信息．

近年來(lái)，為了提高預(yù)測(cè)精度，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)都在嘗試各種新的預(yù)測(cè)方法，一般是把上述算法的某些步驟加以改進(jìn)，或?qū)⑷舾伤惴ńY(jié)合進(jìn)行預(yù)測(cè)．

1.3 我國(guó)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的問(wèn)題

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是風(fēng)電功率物理預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)，由于我國(guó)尚未建立風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)還需依賴(lài)國(guó)外的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)．相對(duì)而言，目前我國(guó)的風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)誤差較大，預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度還不能滿足電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的要求，如果按照風(fēng)電預(yù)測(cè)曲線安排發(fā)電計(jì)劃將面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)．

表1 中國(guó)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差Tab.1 Wind powerprediction errors

2 飛輪儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)作用

2.1 飛輪儲(chǔ)能裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

飛輪儲(chǔ)能是一種新型的機(jī)械儲(chǔ)能電池，它主要由一個(gè)儲(chǔ)存能量的飛輪、一臺(tái)用于能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)、用于支撐飛輪的軸承系統(tǒng)以及其它一些電力轉(zhuǎn)換裝置構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示．當(dāng)外設(shè)通過(guò)電力電子裝置給電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，加速飛輪儲(chǔ)存能量；當(dāng)外設(shè)給飛輪施加制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，向外輸出能量．

與化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能相比，飛輪儲(chǔ)能在環(huán)境適用性和轉(zhuǎn)換效率方面有許多優(yōu)異的特性，但飛輪儲(chǔ)能存在較大的靜態(tài)消耗，每小時(shí)由于其自放電現(xiàn)象損失的能量能達(dá)到自身儲(chǔ)存能量的20%[10]，故飛輪儲(chǔ)能不適宜用作長(zhǎng)期儲(chǔ)能裝置，卻非常適合用于變化周期小的一次頻率的控制．將飛輪儲(chǔ)能電池并聯(lián)到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可以快速的響應(yīng)電力系統(tǒng)的需要，吸收或發(fā)出有功和無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和頻率的調(diào)節(jié)[11]．

圖1 飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of flywheelenergy stroage system

2.2 飛輪儲(chǔ)能對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)誤差補(bǔ)償

為了提高風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的精度，可以在傳統(tǒng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，將飛輪儲(chǔ)能裝置并聯(lián)到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)上，其連接方式方式如圖2所示．

按照預(yù)測(cè)時(shí)間尺度，可以將風(fēng)電功率分為中長(zhǎng)期預(yù)測(cè)（大于72h）、短期（30m in～72h）預(yù)測(cè)和超短期（小于30 min）預(yù)測(cè)．根據(jù)飛輪儲(chǔ)能裝置的特性，較適用于調(diào)節(jié)風(fēng)電功率超短期預(yù)測(cè)的誤差補(bǔ)償．風(fēng)電預(yù)測(cè)系統(tǒng)隨時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)風(fēng)速對(duì)下一時(shí)刻風(fēng)電超短期預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行糾正．根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果安排風(fēng)電機(jī)組調(diào)度，當(dāng)實(shí)時(shí)風(fēng)速和預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差時(shí)，及時(shí)控制飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而避免或減小高估或低估風(fēng)電功率安排機(jī)組調(diào)度所帶來(lái)的影響．

為了平穩(wěn)風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，飛輪轉(zhuǎn)速需跟蹤風(fēng)電場(chǎng)功率的變化．因此，控制系統(tǒng)必須同時(shí)確定電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速和快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)．在風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)加入功率控制模塊和飛輪儲(chǔ)能所用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊．前者由風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際輸出功率與期望輸出功率的差值計(jì)算出飛輪的期望轉(zhuǎn)速，后者則通過(guò)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制將電機(jī)拉至期望轉(zhuǎn)速運(yùn)行．

3 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)主要由飛輪、電機(jī)、電力電子裝置及控制系統(tǒng)組成．電機(jī)應(yīng)能在電力和發(fā)電兩種狀態(tài)下運(yùn)行，且要求在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大時(shí)可快速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)．無(wú)刷直流電機(jī)作為飛輪系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)．電力電子裝置分網(wǎng)端和機(jī)端換流器，實(shí)現(xiàn)機(jī)網(wǎng)的能量交換與控制．電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用雙閉環(huán)控制：外環(huán)即速度環(huán)由PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成．內(nèi)環(huán)即電流環(huán)由電流滯環(huán)調(diào)節(jié)器構(gòu)成．

基于以上研究背景，本文在總結(jié)了以上傳統(tǒng)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，綜合考慮風(fēng)機(jī)使用優(yōu)化和風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益等因素，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法編制了風(fēng)電預(yù)測(cè)程序，參照文獻(xiàn)[12-13]搭建了基于無(wú)刷雙饋電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)模型，最后利用Matlab/GUI工具開(kāi)發(fā)了風(fēng)能預(yù)測(cè)系統(tǒng)的用戶交互界面．其界面如圖3所示．

本系統(tǒng)分為風(fēng)功率預(yù)測(cè)和飛輪儲(chǔ)能調(diào)節(jié)兩個(gè)模塊．利用風(fēng)速預(yù)測(cè)模塊可以設(shè)置預(yù)測(cè)超短期預(yù)測(cè)的時(shí)間和預(yù)測(cè)方法，當(dāng)預(yù)測(cè)曲線和實(shí)際風(fēng)速相差較大時(shí)，可以在矯正按鈕處設(shè)置矯正．在本系統(tǒng)中，飛輪儲(chǔ)能有實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償、能量輸出和能量?jī)?chǔ)存3種運(yùn)行方式，可根據(jù)實(shí)際情況在飛輪儲(chǔ)能調(diào)節(jié)模塊中設(shè)置．另外，飛輪儲(chǔ)能調(diào)節(jié)模塊中也可以實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行狀態(tài)、飛輪轉(zhuǎn)速和飛輪儲(chǔ)能容量使用情況．用戶也可使用本系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)和停止飛輪儲(chǔ)能裝置運(yùn)行．

用戶可以使用本系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)度風(fēng)電機(jī)組，保障風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)可以觀測(cè)飛輪儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行情況．利用飛輪儲(chǔ)能裝置彌補(bǔ)風(fēng)能預(yù)測(cè)的偏差，為電網(wǎng)調(diào)度提供必要的準(zhǔn)備時(shí)間．該系統(tǒng)對(duì)提高風(fēng)電預(yù)測(cè)的精度和風(fēng)電的并網(wǎng)可靠率具有一定的參考作用．

圖2 飛輪儲(chǔ)能在電網(wǎng)中的應(yīng)用Fig.2 Flywheelenergy stroage system parallel connection the powersystem

圖3 風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)界面Fig.3 The intfaceofwind predicting system

4 結(jié)語(yǔ)

飛輪儲(chǔ)能作為一種新型能源儲(chǔ)備方式以其儲(chǔ)能密度高、使用壽命長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換效率高、充電時(shí)間短、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的廣泛重視，成為了能源界的研究熱點(diǎn)之一．隨著新型特殊材料技術(shù)、磁懸浮軸承技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)等取得突破性進(jìn)展，使得飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)越性得以充分展現(xiàn)，這使得飛輪儲(chǔ)能的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，許多科技企業(yè)也加入到了飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)隊(duì)伍之中．隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)飛輪儲(chǔ)能將會(huì)像蓄電池和燃料電池一樣，作為獨(dú)立能源向系統(tǒng)提供電力．

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的深入，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電集中接入電網(wǎng)，用戶對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量也越來(lái)越高．科學(xué)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出風(fēng)電機(jī)組的輸出功率，保障電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性成為當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行迫切需要解決的問(wèn)題．本文將飛輪儲(chǔ)能裝置使用到風(fēng)電功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)之中，對(duì)風(fēng)電功率預(yù)測(cè)精度不夠的狀況起到了一定的補(bǔ)償作用，對(duì)解決風(fēng)電并網(wǎng)的問(wèn)題具有一定的參考價(jià)值．今后應(yīng)盡快建立預(yù)測(cè)系統(tǒng)，不斷深化預(yù)測(cè)技術(shù)的研究，促進(jìn)風(fēng)電與電網(wǎng)的和諧發(fā)展．

[1]遲永寧，劉燕華，王偉勝，等．風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（3）：77-81．

[2]范高峰，裴哲義，辛耀中．風(fēng)電功率預(yù)測(cè)的發(fā)展與展望[J]．中國(guó)電力，2011，44（6）：38-40．

[3]吳國(guó)旸，肖揚(yáng)，陳樹(shù)勇．風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速和發(fā)電功率的研究[J]．吉林電力，2005（6）：21-24．

[4]孟洋洋，盧繼平，孫華利，等．基于相似日和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電功率短期預(yù)測(cè)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（12）：163-167．

[5]風(fēng)電功率預(yù)測(cè)功能規(guī)范[S]．北京：國(guó)家電網(wǎng)公司，2011．

[6]馮雙磊，王偉勝，劉純．風(fēng)電場(chǎng)功率預(yù)測(cè)物理方法研究[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（2）：1-6．

[7]MA Lei，LUANShiyan，JIANGChuanwen．A review on the forecastingofw ind speedand generated power[J]．RenewableandSustainable Energy Review s，2009，13（4）：915-920．

[8]蔣小亮，蔣傳文，彭明鴻，等．基于時(shí)間連續(xù)性及季節(jié)周期性的風(fēng)速短期組合預(yù)測(cè)方法［J］．電離系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（15）：75-78．

[9]趙凱，彭建春，石峰．基于模式識(shí)別技術(shù)的短期負(fù)荷預(yù)測(cè)[J]．湖南電力，2000，20（6）：1-3．

[10]Nayeem RahmatU llah，Torbjorn Thiringer，DanielKarlsson．Temporary primary frequeney controlsupportby variablespeedw ind turbinespotential and applicaiions[J]．IEEETranson PowerSystem s，2008，23（2）：601-612．

[11]程三海，韋忠朝，王雪帆．飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用[J]．電機(jī)電器技術(shù)，2000，20（6）：31-33．

[12]梅柏杉，湯凌峰．級(jí)聯(lián)式無(wú)刷雙饋電機(jī)的模型與仿真研究[J]．華東電力，2008，36（11）：134-136．

[13]張小芳，王愛(ài)龍，田俊梅．風(fēng)力機(jī)的MATLAB模型及其應(yīng)用[J]．電力學(xué)報(bào)，2004，19（2）：114-115．

[責(zé)任編輯 代俊秋]

Research on prediction ofw ind powerusing flywheel energy storage system

ZHANG Xueyang，QIM ing

(College of Engineering and Technology,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

Wind power isan interm ittentenergy,and itspoweralwaysfluctuates.Therefore,thepredictionofw ind power in significant for the security and stability of thegridw ind powersystem.Sincemeteorologicaldata provided by theweather forecasthave a certain amountof error,unitarrangementneeds to count theoverestimated or underestimated cost. Based on traditionalw ind powerprediction,thepaperproposes to ad justw ind power timely by using flywheelenergy storage and optim ize the quality of w ind power.Finally,w ind power prediction system is developed by M atlab/GUI.The system has improved the prediction accuracy ofw ind pow er and can provide reference forw ind power prediction.

w ind pow er prediction;structuralmodel;GUI;styling;flywheelenergy storage

TM 332

A

1007-2373(2015)02-0024-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.006

2014-12-23

國(guó)家自然科學(xué)基金（11304380）

張雪洋（1981-），男（漢族），助教．