風(fēng)電機(jī)組輸出功率平滑技術(shù)綜述

朱 瑛， 高云波， 臧海祥, 徐 聰， 郝榮國(guó)， 石衛(wèi)軍

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院， 江蘇省南京市 211100; 2. 國(guó)電南瑞科技股份有限公司， 江蘇省南京市 211106)

0 引言

風(fēng)能作為21世紀(jì)以來受到重視的一種新能源，在全國(guó)乃至全世界的裝機(jī)容量都逐年提高。截至2016年底中國(guó)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量為168 690 MW，占全球裝機(jī)容量的34.7%。盡管風(fēng)能與其他能源相比擁有清潔、無污染的特點(diǎn)，但隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電功率波動(dòng)問題愈發(fā)嚴(yán)重，這對(duì)電網(wǎng)的頻率、電壓、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等方面產(chǎn)生不可忽視的影響[1-3]。

風(fēng)電輸出功率平滑是指由于風(fēng)能的不確定性導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)出力時(shí)發(fā)生幅度較大的功率波動(dòng)，無法滿足電網(wǎng)的功率限幅標(biāo)準(zhǔn)，而采用某種手段調(diào)整風(fēng)電機(jī)組輸出功率的平滑度。目前，主要有三類方法對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行平滑。

第1類方法是加裝儲(chǔ)能裝置的間接功率控制來進(jìn)行功率平滑，其中包含蓄電池儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等裝置，它們的特點(diǎn)是通過能量的快速充放來頻繁地響應(yīng)輸出功率的波動(dòng)，可操控性較高，無須改變風(fēng)力機(jī)組控制結(jié)構(gòu)。第2類方法是不加儲(chǔ)能裝置的直接功率控制，通過風(fēng)電機(jī)組自身的調(diào)節(jié)控制達(dá)到功率平滑的效果，其中包含利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能存儲(chǔ)、變槳距控制、直流母線電壓控制等方法，它們的特點(diǎn)是由于無須附加裝置，經(jīng)濟(jì)成本較低。還有一類方法是風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組分層控制平滑策略,該方法將控制方案分為幾層，每一層分別執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制策略，通過不同控制層間的相互協(xié)調(diào)而達(dá)到整體目標(biāo)最優(yōu)效果[4-5]。該方法通過調(diào)度的原理來控制風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率，目前研究較少。

本文從風(fēng)電機(jī)組控制角度出發(fā)，對(duì)上述最常見的直接功率控制和間接功率控制這兩類輸出功率平滑方法進(jìn)行原理分析，然后對(duì)各類方法的特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，比較其優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)風(fēng)電功率平滑方法的研究方向和前景做出展望。

1 基于儲(chǔ)能裝置的間接功率控制平滑方法

1.1 基于蓄電池儲(chǔ)能的功率平滑

蓄電池平滑功率原理是根據(jù)功率控制指令，利用電池正負(fù)極的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行充放電，進(jìn)而起到功率平滑的作用，幾種常見類型的蓄電池參數(shù)如表1所示[3]。

表1 各種蓄電池的性能比較Table 1 Comparison of various battery performances

當(dāng)前蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(BESS)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中得到了較多的應(yīng)用[6-10]，風(fēng)電場(chǎng)配置的BESS如圖1所示，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置BESS如圖2所示。圖中，DFIG表示雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。BESS成本較高且充放電次數(shù)有限，許多學(xué)者針對(duì)該問題研究如何在良好的功率平滑性能基礎(chǔ)之上降低電池容量、減少電池充放電次數(shù)以及如何保持在適當(dāng)?shù)暮呻姞顟B(tài)(SOC)，以降低成本、提高蓄電池壽命。

圖1 含BESS的風(fēng)電系統(tǒng)圖Fig.1 Wind power system with battery energy storage system

圖2 含電池儲(chǔ)能的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 Doubly-fed wind power generation system with battery energy storage

在滿足功率平滑度要求的前提下如何兼顧對(duì)蓄電池的保護(hù)是當(dāng)前的趨勢(shì)，也是文獻(xiàn)[7]的重點(diǎn)研究所在。文中采用一階低通濾波器平滑功率，而與常規(guī)有所不同的是附加BESS的SOC反饋和功率限幅環(huán)節(jié)來優(yōu)化有功功率參考值。BESS的SOC反饋是指實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的SOC，并按照優(yōu)先級(jí)規(guī)則調(diào)整平滑時(shí)間常數(shù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率使其工作在正常區(qū)域。功率限幅包含兩方面，即輸出總功率不超過額定值以及相鄰兩個(gè)控制周期的有功參考值變化率不超過限制值。上述兩種控制方法的綜合避免了蓄電池工作于過充過放的狀態(tài)，有效地延長(zhǎng)了其壽命。

相比于傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)輸出功率反饋平滑控制，基于功率預(yù)測(cè)的平滑控制具有更好的效果，由此，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化控制方法。結(jié)合當(dāng)前時(shí)刻的風(fēng)電輸出功率PW、總輸出功率歷史數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)能系統(tǒng)容量狀態(tài)，以控制周期內(nèi)BESS出力最小為目標(biāo)，計(jì)算得到總輸出功率目標(biāo)值，其值與PW的差值作為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出指令，而PW與BESS實(shí)際輸出之和為當(dāng)前的總輸出功率。在建立控制系統(tǒng)模型時(shí)結(jié)合功率波動(dòng)約束區(qū)間和約束軟優(yōu)化策略使得輸出總功率滿足功率波動(dòng)平抑指標(biāo)；采用主動(dòng)式能量反饋優(yōu)化控制維持BESS的SOC處在安全區(qū)，同時(shí)通過動(dòng)態(tài)調(diào)整粗糙度懲罰因子進(jìn)一步地減小輸出功率波動(dòng)幅度。

由于化學(xué)BESS可利用壽命較短、成本較高并且其容量與放電功率相關(guān)導(dǎo)致其無法滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的要求，所以將燃料電池系統(tǒng)作為儲(chǔ)能裝置也逐漸開始被研究學(xué)者重視。燃料電池的基本原理是將外部?jī)?chǔ)存的燃料和氧化劑送入電池中，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能向外部輸出[9-11]。將傳統(tǒng)的比例—積分—微分(PID)控制方法應(yīng)用于氫氧儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié)風(fēng)速突變時(shí)電網(wǎng)側(cè)所產(chǎn)生的功率和電壓波動(dòng)在文獻(xiàn)[10-11]所提及。其交流側(cè)變流器通過控制占空比調(diào)節(jié)存儲(chǔ)或者釋放能量的大小，控制能量存儲(chǔ)速度較快，能夠適用于大容量風(fēng)電場(chǎng)。

目前基于BESS的功率平滑控制除了成本高以外，還存在一些難點(diǎn)，如怎么對(duì)電池的SOC估計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，如何優(yōu)化配置電池儲(chǔ)能容量等。針對(duì)這些難點(diǎn)，在滿足功率平滑要求的前提下，應(yīng)充分考慮風(fēng)電功率波動(dòng)程度、儲(chǔ)能系統(tǒng)工作效率、系統(tǒng)功率損耗等因素，以儲(chǔ)能容量、儲(chǔ)能成本、充放電速率等作為約束條件，將儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本作為目標(biāo)函數(shù)，能夠有效地協(xié)調(diào)儲(chǔ)能裝置容量和經(jīng)濟(jì)成本之間的關(guān)系。這也將是該類功率平滑方法未來的重點(diǎn)研究方向。

1.2 基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的功率平滑

隨著對(duì)超級(jí)電容研究的深入，將超級(jí)電容器替代傳統(tǒng)電池用于風(fēng)電場(chǎng)功率平滑也是目前的研究熱點(diǎn)。超級(jí)電容基于電化學(xué)雙電層理論研制而成，可提供強(qiáng)大的脈沖功率，適用于平抑尖峰及往復(fù)性風(fēng)電功率波動(dòng)。其平滑風(fēng)電功率原理與蓄電池類似，含超級(jí)電容的系統(tǒng)可參照?qǐng)D1和圖2，只是將圖中電池替換成超級(jí)電容。

當(dāng)前較為普遍的超級(jí)電容控制策略是以其電流值為調(diào)節(jié)對(duì)象，如文獻(xiàn)[12]所提出的超級(jí)電容控制策略如圖3所示，其原理是由超級(jí)電容器參考功率Psc和電壓值Vsc計(jì)算并經(jīng)幅值限制得到電流參考值Isc，該參考值與實(shí)際電流值的誤差經(jīng)比例—積分(PI)控制器后與三角載波波形比較，將輸出值送入雙向降壓轉(zhuǎn)換器，對(duì)充放電功率進(jìn)行調(diào)節(jié)以進(jìn)行功率平滑。上述方法通過仿真驗(yàn)證了其有效性。

和對(duì)蓄電池優(yōu)化控制類似，也有文獻(xiàn)提出基于對(duì)超級(jí)電容的SOC優(yōu)化控制進(jìn)行功率平滑，如文獻(xiàn)[13]通過控制蓄電池功率指令的響應(yīng)頻率的初級(jí)分配和超級(jí)電容SOC模糊控制二次修正實(shí)現(xiàn)混合儲(chǔ)能內(nèi)部功率指令的合理分配，在保證儲(chǔ)能系統(tǒng)本身安全性的前提下提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[14]基于雙向DC/AC變換器，通過雙閉環(huán)控制對(duì)變換器內(nèi)部的電壓和電流進(jìn)行控制，將波動(dòng)變換較快的電流分量分配給超級(jí)電容器以平滑相應(yīng)分量的功率波動(dòng)，且研究了基于卡爾曼濾波算法的SOC估計(jì)。

圖3 超級(jí)電容器控制框圖Fig.3 Control diagram of super capacitor

由于超級(jí)電容能量密度不足導(dǎo)致其不能長(zhǎng)時(shí)間提供電能支撐，所以當(dāng)前大多將蓄電池與超級(jí)電容兩者進(jìn)行結(jié)合構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。針對(duì)混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制難度較大的問題，可根據(jù)風(fēng)電預(yù)測(cè)值、電網(wǎng)發(fā)電計(jì)劃等變量預(yù)先對(duì)各類儲(chǔ)能制定好相應(yīng)的控制策略表，以提高運(yùn)行控制的可靠性。

超級(jí)電容的端電壓在功率調(diào)節(jié)的過程中變化頻繁，故須裝設(shè)必要的裝置來維持其端電壓穩(wěn)定。此外，對(duì)于超級(jí)電容的自放電現(xiàn)象也有必要采取適當(dāng)?shù)拇胧┘右钥刂埔员苊鈸p耗的加重。基于儲(chǔ)能單元SOC的超級(jí)電容控制在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電壓控制環(huán)路由于其帶寬過大對(duì)功率調(diào)節(jié)產(chǎn)生的影響，從而保證能量管理模塊的有效工作。

1.3 基于超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的功率平滑

為了替代傳統(tǒng)電池的儲(chǔ)能裝置，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)(SMES)也是目前學(xué)者們研究較多的一種新型儲(chǔ)能系統(tǒng)，其具有效率高、響應(yīng)迅速、控制方便、使用靈活等特點(diǎn)。SMES主要由超導(dǎo)磁體、冷卻系統(tǒng)、變流器、保護(hù)系統(tǒng)等組成。

SMES研究中最關(guān)鍵的部分是SMES數(shù)學(xué)模型的建立以及控制策略的選擇，選取是否得當(dāng)將決定能否最大化利用SMES的性能。傳統(tǒng)的SMES控制方案一般以有功功率、無功功率解耦控制為目標(biāo)。例如文獻(xiàn)[15]，在基于電網(wǎng)側(cè)同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系下，選取SMES安裝處的有功功率P和電壓U為控制對(duì)象，采用網(wǎng)側(cè)電壓定向的矢量控制方案，通過網(wǎng)側(cè)電流的d,q分量實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的獨(dú)立控制。文獻(xiàn)[16]提出了一種用于平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的SMES的新型自適應(yīng)控制方案。論文中SMES仍由傳統(tǒng)的電壓源型逆變器和DC-DC變換器組成，但控制SMES的自適應(yīng)PI控制器采用了集合隸屬度仿射投影算法，基于該算法的控制策略可以優(yōu)化SMES的功率平滑性能，避免了由微調(diào)控制器參數(shù)而帶來的影響。

與上述方法中以優(yōu)化SMES的變換器控制為目標(biāo)所不同，對(duì)SMES整體功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的直接電源控制(DPC)算法能夠有效提高功率平滑響應(yīng)速度[17]。該算法將直接測(cè)量的SMES變流器電壓電流值經(jīng)計(jì)算模塊得到有功功率、無功功率和相角值，并得出與外部給定的P,Q參考值之間的誤差，經(jīng)滯環(huán)控制器給出輸出值Sp和Sq。該控制策略框圖如圖4所示，通過MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證了其良好的平滑性能。

圖4 SMES中的DPC算法控制框圖Fig.4 Control diagram of DPC algorithm in SMES

盡管SMES的功率平滑特性較好，但其成本太高，且存在低溫冷卻要求高等問題，離實(shí)際應(yīng)用還尚遠(yuǎn)。除了與其他儲(chǔ)能方式一樣要考慮合理的容量配置以及與其他控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)以外，某些情況下還需要針對(duì)超導(dǎo)線圈本身的暫態(tài)特性建立SMES詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型。

1.4 基于飛輪儲(chǔ)能的功率平滑

在當(dāng)前眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能展示出了相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿透?jìng)爭(zhēng)力。相比于傳統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能具有儲(chǔ)能密度大、充放電次數(shù)不限，充放電時(shí)間較快、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境污染小等許多優(yōu)點(diǎn)。采用飛輪儲(chǔ)能的風(fēng)電系統(tǒng)如圖5所示。圖中，IM表示感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(FESS)主要由飛輪轉(zhuǎn)子、電機(jī)、變流器、控制器以及一些輔助設(shè)備組成。

FESS工作過程為：飛輪轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子直接相連，當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率高于給定值時(shí)，多余的能量通過變流器提供給電機(jī)，電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)行，帶動(dòng)飛輪加速旋轉(zhuǎn)至一定速度，此時(shí)電能就轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪的機(jī)械能。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率低于給定值時(shí)，飛輪系統(tǒng)降低速度并作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能再經(jīng)飛輪側(cè)變流器輸出至電網(wǎng)。

圖5 含飛輪儲(chǔ)能的風(fēng)電系統(tǒng)Fig.5 Wind power system with flywheel energy storage

常見的FESS控制方案以功率解耦控制為主，一般采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制。文獻(xiàn)[18]在傳統(tǒng)矢量控制基礎(chǔ)之上，加入了改進(jìn)比例—諧振(PR)控制器。由于傳統(tǒng)控制策略為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，加入了電流狀態(tài)反饋以及電網(wǎng)電壓作為前饋補(bǔ)償，但是其參數(shù)在飛輪高速狀態(tài)時(shí)隨溫度變化而變化，因此利用改進(jìn)PR控制器可以直接精準(zhǔn)跟蹤交流量，大大簡(jiǎn)化了控制算法并避免了參數(shù)影響。

當(dāng)前學(xué)者們?cè)诳紤]功率平滑度要求的基礎(chǔ)上力求最有效地利用儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，由此出現(xiàn)了許多優(yōu)化控制方案。文獻(xiàn)[19]提出了FESS控制方案中的三個(gè)制約因素:①風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)參數(shù)應(yīng)滿足電網(wǎng)規(guī)范；②FESS的SOC應(yīng)適當(dāng)調(diào)整；③調(diào)整控制方案以最大限度減少FESS所需容量。由上述指標(biāo)而設(shè)計(jì)的FESS控制器包含滑動(dòng)平均過濾器(SMF)、設(shè)定點(diǎn)校正器和速率限制器，如圖6所示。SMF的輸入為當(dāng)前實(shí)際功率和預(yù)測(cè)功率值的組合；設(shè)定點(diǎn)校正器以SOC作為反饋信號(hào)，用以確定總輸出功率的設(shè)定點(diǎn)；速率限制器是為了確保功率梯度符合電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過上述三部分的信號(hào)處理得到濾波后的所需設(shè)定點(diǎn)Pd,ref，減去實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)功率Pwf,得到FESS應(yīng)補(bǔ)償?shù)娜萘?。上述控制方案?jīng)過使用實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)模擬后證明了其有效性。

圖6 FESS控制器控制框圖Fig.6 Control diagram of FESS controller

旨在維持確定的平均SOC的一種新型高級(jí)能量管理算法在文獻(xiàn)[20]中提出，該控制算法基于PI控制結(jié)構(gòu)的有功功率控制，確保飛輪存儲(chǔ)裝置的穩(wěn)定性及期望的時(shí)間響應(yīng)，在使飛輪保持最佳的平均轉(zhuǎn)速的同時(shí)用以平滑輸出功率的波動(dòng)部分?；贚yapunov函數(shù)的非線性控制器與傳統(tǒng)控制器相比在跟蹤功率參考快速變化方面的良好性能使其可以確保系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，另外該控制器的調(diào)諧不受系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行條件變化的影響[21]?；贚yapunov函數(shù)的FESS控制拓?fù)鋱D見圖7。風(fēng)能PW與期望輸出到電網(wǎng)的功率之間的偏差量和當(dāng)前FESS輸出功率間的誤差作為控制器輸入，經(jīng)過處理后得到FESS的期望輸出。經(jīng)過在MATLAB中的非線性時(shí)域仿真驗(yàn)證了算法的有效性。

圖7 基于Lyapunov函數(shù)的FESS控制框圖Fig.7 Control diagram of FESS based on Lyapunov function

目前飛輪儲(chǔ)能控制研究中還是大都采用常規(guī)控制方式，其應(yīng)用于工作范圍較寬、隨機(jī)干擾比較大、非線性情況嚴(yán)重的風(fēng)電系統(tǒng)具有一定的局限性，今后針對(duì)此類問題需做出一些改進(jìn)。例如上文所述的在系統(tǒng)中引入前饋控制雖然有效，但前饋補(bǔ)償能力有限，可研究新型的智能算法控制，利用其非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)的功能來克服系統(tǒng)的參數(shù)時(shí)變及非線性因素。另外在飛輪儲(chǔ)能控制中必須注意其轉(zhuǎn)速的限制，大多數(shù)研究并未考慮轉(zhuǎn)速約束條件，所以后續(xù)需要在FESS中增設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)速控制模塊，結(jié)合前述的考慮儲(chǔ)能SOC方法以及智能算法(例如模糊控制算法)，設(shè)計(jì)出全面的FESS控制策略。

2 無儲(chǔ)能裝置的直接功率控制平滑方法

由于附加儲(chǔ)能裝置進(jìn)行風(fēng)電功率平滑會(huì)大大增加成本，所以很多學(xué)者提出了無儲(chǔ)能裝置的功率平滑控制方法。

2.1 基于轉(zhuǎn)子慣性動(dòng)能的功率平滑

利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能的方法其原理是由于轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在慣性，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)地會(huì)有能量的釋放和存儲(chǔ)，將轉(zhuǎn)子動(dòng)能變?yōu)橐粋€(gè)虛擬的存儲(chǔ)裝置在輸出功率波動(dòng)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)速快速增大時(shí)伴隨發(fā)電機(jī)加速，將一部分轉(zhuǎn)子動(dòng)能存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)子端；當(dāng)風(fēng)速快速降低時(shí)發(fā)電機(jī)減速，此時(shí)風(fēng)電輸出功率不足，轉(zhuǎn)速減小所釋放的轉(zhuǎn)子動(dòng)能則補(bǔ)償這部分不足功率。常規(guī)基于轉(zhuǎn)子動(dòng)能平滑功率的控制策略分析如下。

風(fēng)電機(jī)組最大輸出功率平均值可以計(jì)算為：

(1)

式中：t為實(shí)際時(shí)間；T為采樣周期；Pwopt為風(fēng)電機(jī)組最大輸出功率。

最大輸出功率和平均功率差值即為須平滑的功率，則轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存或釋放的動(dòng)能就是該功率差值的積分。轉(zhuǎn)子動(dòng)能為：

(2)

式中：J和ω分別為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度。

為了平滑功率，轉(zhuǎn)子參考動(dòng)能為：

(3)

此時(shí)，給定參考轉(zhuǎn)速可得

(4)

基于轉(zhuǎn)子慣性動(dòng)能的輸出功率平滑則可由給定發(fā)電機(jī)如式(4)所示的參考轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn),以永磁直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)(PMSG)為例的功率平滑控制框圖如圖8所示。圖中，SVPWM表示空間矢量脈寬調(diào)制。

圖8 基于轉(zhuǎn)子慣性動(dòng)能的風(fēng)電系統(tǒng)控制框圖Fig.8 Control diagram of wind power system based on rotor inertial kinetic energy

在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，研究者們開始關(guān)注功率平滑與發(fā)電效率之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。采用基于帕累托前沿的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制方法以控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能中的能量解決輸出功率波動(dòng)的有效性在文獻(xiàn)[22]中得到驗(yàn)證。文中以風(fēng)電機(jī)組的電轉(zhuǎn)矩Te(t)和槳距角β(t)為控制變量,建立基于總輸出功率最大化J1和功率波動(dòng)最小化J2這兩個(gè)成本函數(shù)的加權(quán)和的優(yōu)化問題，上述優(yōu)化問題由梯度求解器求解，求解結(jié)果以帕累托前沿曲線表示，經(jīng)驗(yàn)證功率波動(dòng)性得到了有效抑制。

積分補(bǔ)償控制(ICC)協(xié)調(diào)算法的提出有效地改善了采用轉(zhuǎn)子動(dòng)能平滑功率時(shí)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子速度偏離最佳值并降低風(fēng)能捕獲效率的問題[23]。ICC應(yīng)用了一個(gè)附加的整體扭矩項(xiàng)，使風(fēng)電場(chǎng)總輸出功率以風(fēng)電捕獲效率損失的邊際成本平滑。與提高風(fēng)電捕獲率為目的控制算法相類似，文獻(xiàn)[24]提出的新控制方法不僅可以復(fù)制最大功率點(diǎn)跟蹤控制下的原始功率軌跡，而且能夠基于這個(gè)軌跡平滑輸出功率。文獻(xiàn)[25]提出了基于新型模糊控制器的轉(zhuǎn)子動(dòng)能功率平滑控制策略，使風(fēng)電場(chǎng)既能輸出平滑功率也可以按電網(wǎng)要求輸出給定功率。

但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)能有限，當(dāng)風(fēng)能波動(dòng)較大時(shí)很有可能無法滿足功率平抑要求。針對(duì)此類情況，建議將功率預(yù)測(cè)技術(shù)與轉(zhuǎn)子動(dòng)能測(cè)量裝置進(jìn)行結(jié)合，通過預(yù)測(cè)未來時(shí)段的輸出功率，提前判斷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是否滿足功率平抑要求，若滿足要求則在下一時(shí)段進(jìn)行操作，若不滿足要求則可以采用其他儲(chǔ)能方式進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)。

2.2 基于直流母線電壓控制的功率平滑

相比于利用轉(zhuǎn)子動(dòng)能，采用控制直流母線電壓進(jìn)行功率平滑的算法其原理簡(jiǎn)單也更易于實(shí)施操作[26-29]。目前的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)間都會(huì)通過雙脈沖寬度調(diào)制(PWM)變換器連接，直流電容位于兩個(gè)變換器之間。傳統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變換器控制直流電壓保持恒定，而為了平滑輸出功率，可通過改變直流電壓的給定參考值。電機(jī)側(cè)變流器輸出功率Po與經(jīng)濾波器后的功率Ps之間的功率差表示為ΔPdc=Ps-Po，再假設(shè)流經(jīng)直流電容的電流為idc，那么與此功率波動(dòng)所對(duì)應(yīng)的直流電容電壓變化量為ΔVdc=ΔPdc/Idc，然后將該反映功率波動(dòng)的量與直流電容給定額定電壓相加得到直流電容電壓參考值，最后通過相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)功率波動(dòng)。當(dāng)前研究所采用的控制策略大多基于該原理，如圖9所示。

圖9 直流母線電壓控制原理圖Fig.9 Schematic diagram of DC-link voltage control

一種考慮風(fēng)電場(chǎng)尾流效應(yīng)的永磁發(fā)電機(jī)綜合功率平滑方案在文獻(xiàn)[26]中提出，通過直流母線電壓控制系統(tǒng)平滑高頻范圍內(nèi)的功率波動(dòng)。文獻(xiàn)[27]提出基于PMSG的直流母線電壓和槳距角的協(xié)調(diào)控制策略，此外在直流環(huán)節(jié)加入斬波控制電路使得在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障期間仍然實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的輸出功率穩(wěn)定。文獻(xiàn)[28]中控制算法采用直流電壓變步長(zhǎng)代替轉(zhuǎn)速定步長(zhǎng)，設(shè)定直流電容電壓偏差量為功率變化量平方的比例值，在風(fēng)速變化導(dǎo)致輸出功率變化時(shí)以上述方法得到新的直流電壓參考值，經(jīng)過仿真驗(yàn)證了有效性。

不同于將直流母線電壓變化作為參考量，將保持直流電壓恒定，同時(shí)保持正弦電網(wǎng)電流作為電網(wǎng)側(cè)PWM轉(zhuǎn)換器的控制目標(biāo)同樣可以有效地進(jìn)行有功功率平滑[29]，控制框圖如圖10所示。其中Eref和Ef分別為直流母線電壓的參考值和反饋值；id,ref和iq,ref分別為直軸和交軸電流的參考值；id,f和iq,f分別為直軸和交軸電流的反饋值；θ為電網(wǎng)電壓的相位角；Pgen為發(fā)電機(jī)的有功功率；C為常量?？刂破鞲淖?nèi)秶兞髌鞯闹绷髂妇€電壓來平滑由于風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)切變和塔陰影效應(yīng)導(dǎo)致的三相有功波動(dòng)。同時(shí)為避免控制器干擾風(fēng)力渦輪機(jī)的速度控制，發(fā)電機(jī)的有功功率信號(hào)在輸入前需要用帶通濾波器(BP)進(jìn)行濾波。

圖10 網(wǎng)側(cè)PWM轉(zhuǎn)換器控制框圖Fig.10 Control diagram of grid-side PWM converter

由于直流母線電壓在功率平滑時(shí)其電壓幅值越限時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最大風(fēng)能跟蹤能力會(huì)下降，所以須在控制中加入電壓幅值限制模塊，同時(shí)這也將限制直流電壓平滑輸出功率的能力。另外考慮到直流電容與其他器件之間存在耦合影響，所以參數(shù)設(shè)置時(shí)也都需留有裕度。

2.3 基于槳距角控制的功率平滑

變槳距是通過控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)整槳葉的槳距角，即調(diào)整葉尖弦線與風(fēng)輪平面的夾角，從而改變槳葉的升力和阻力；而變槳距控制技術(shù)是指根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)整葉片槳距角，從而調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。傳統(tǒng)的變槳距控制都是當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角控制不工作；當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，切入槳距角控制，基于PI控制器對(duì)槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)從而使輸出功率始終保持在額定功率，故額定風(fēng)速以上時(shí)已實(shí)現(xiàn)功率平滑控制。

而基于槳距角的功率平滑方法是要在額定風(fēng)速以下時(shí)也引入槳距角控制，實(shí)現(xiàn)全風(fēng)速的輸出功率平滑。文獻(xiàn)[30]通過槳距角控制對(duì)工作區(qū)域所有風(fēng)電機(jī)組輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，采用了基于平均風(fēng)速以及風(fēng)速和槳距角標(biāo)準(zhǔn)偏差的控制策略。首先俯仰角G(β)的控制量由式(5)給出,即

(5)

式中：β為槳距角；A1和A2分別為與槳距角相關(guān)的二次函數(shù)；ΔP和Δβ分別為實(shí)際輸出功率Pg和β的小信號(hào)狀態(tài)變量，式(5)的值取決于風(fēng)速VW；α12，α13，α14,α22，α23，α24為常數(shù)。

圖11為槳距角指令βCMD的槳距角控制系統(tǒng)，e為輸出功率指令Pgo與實(shí)際輸出功率Pg間的差值，由比例—微分控制器的輸出功率信號(hào)ΔP以及G(β)的乘積決定槳距角變化量Δβ，其值與β相加最后得到槳距角指令βCMD,Table 2D表示對(duì)應(yīng)輸入VW和β的輸出G(β)數(shù)據(jù)列表。

圖11 槳距角功率平滑控制系統(tǒng)框圖Fig.11 Block diagram of power smoothing control system of pitch angel

由于在槳距角為2°時(shí),風(fēng)電機(jī)組捕獲能量最大，此時(shí)將輸出功率指令Pgo替換為固定槳距角為2°，為了能夠平滑輸出功率指令，新的輸出功率命令Pgo為：

(6)

由于Pgo隨著瞬時(shí)風(fēng)速變化而波動(dòng)，而Vσ是風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差，它表征的是瞬時(shí)風(fēng)速與平均風(fēng)速間的差值，通過式(6)的計(jì)算能更好地避免采用瞬時(shí)風(fēng)速所帶來的輸出功率指令波動(dòng)較大的問題，從而平抑輸出功率波動(dòng)。

近年來對(duì)槳距角控制的改進(jìn)主要體現(xiàn)在控制器的算法優(yōu)化。文獻(xiàn)[31]運(yùn)用模糊邏輯控制理論進(jìn)行變槳距，在保證更好的功率平滑性能的同時(shí)盡可能提高風(fēng)能利用率。該控制器由兩個(gè)相互排斥的模糊邏輯控制系統(tǒng)組合控制，即模糊邏輯系統(tǒng)A和模糊邏輯系統(tǒng)B。模糊邏輯系統(tǒng)A的設(shè)計(jì)策略是在風(fēng)速高于額定值時(shí)，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過限速值。而在風(fēng)速低于額定值時(shí)，模糊邏輯系統(tǒng)B進(jìn)行工作，此時(shí)為了平滑風(fēng)電波動(dòng)，提出了一種通過產(chǎn)生槳距角指令來并入模糊邏輯系統(tǒng)B的策略。該策略是根據(jù)風(fēng)力波動(dòng)和功率限制動(dòng)態(tài)選擇輸出功率目標(biāo)值。經(jīng)驗(yàn)證上述兩部分控制器的結(jié)合可有效平滑輸出功率波動(dòng)。

文獻(xiàn)[32]提出了基于增強(qiáng)型Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(EENN)的槳距角控制器，其采用漸變下降算法進(jìn)行在線訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)使用特定粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行。在MATLAB中對(duì)提出的控制器性能進(jìn)行了良好的性能驗(yàn)證。一種使用指數(shù)加權(quán)平均濾波方法(EWMA)的新的槳距角控制系統(tǒng)在文獻(xiàn)[33]中提出，該方法對(duì)應(yīng)于俯仰角控制器命令信號(hào)的風(fēng)電機(jī)組輸出參考值由在線功率的指數(shù)加權(quán)平均值EWMA確定。在使用EWMA的情況下，由于使用最新的數(shù)據(jù)時(shí)附有較高的加權(quán)因子，故可以從平滑的風(fēng)電機(jī)組輸出參考值中獲取更好的信號(hào)。

縱觀當(dāng)前變槳距控制實(shí)際中大多以傳統(tǒng)控制為主，若將某段時(shí)間整定的參數(shù)應(yīng)用于全風(fēng)速發(fā)電過程中則會(huì)導(dǎo)致控制效果差。而且由于風(fēng)電機(jī)組的慣性和延遲，且槳距角變化速度有限，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和較大的超調(diào)量，使機(jī)組輸出功率波動(dòng)頻繁對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊。所以應(yīng)該結(jié)合智能新型算法，利用其自適應(yīng)、優(yōu)化性能強(qiáng)等特點(diǎn)提高槳距角控制器的魯棒性。且單單依靠槳距角控制平抑輸出功率波動(dòng)效果仍有限，須尋求與其他功率平滑控制策略協(xié)調(diào)合作的方法以達(dá)到理想的功率平滑效果。

3 各類功率平滑方法總結(jié)

每種功率平滑控制方法都有其特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際問題中選擇功率平滑方法時(shí)應(yīng)結(jié)合目標(biāo)風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)及當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際情況。

基于存儲(chǔ)裝置的間接功率控制方法雖然可以提供有效的功率平滑，但是需要增加系統(tǒng)的額外成本。表2總結(jié)了各類儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)。超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能反應(yīng)迅速，可循環(huán)次數(shù)較多，放電時(shí)間很短所以適用于瞬時(shí)平滑功率，但其成本較高。燃料電池儲(chǔ)能在充放電過程中響應(yīng)速度很快，特別適用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，但由于燃料電池系統(tǒng)使用壽命較短，設(shè)備損耗較大，并且配置容量受到限制，導(dǎo)致其不能廣泛運(yùn)用。BESS能量轉(zhuǎn)換效率較高、能量密度高、功率吞吐能力大但是其容量受限并且使用壽命較短限制了該儲(chǔ)能方法的發(fā)展。FESS儲(chǔ)能密度大、充放電速度快、占用體積小且對(duì)環(huán)境無污染的特點(diǎn)使其有較好的發(fā)展前景，但由于飛輪的轉(zhuǎn)速限制導(dǎo)致其儲(chǔ)能容量受限，且成本較高。

表2 各類儲(chǔ)能系統(tǒng)特點(diǎn)比較Table 2 Feature comparison of various energy storage systems

無儲(chǔ)能裝置的功率平滑方法無須附加額外成本，文獻(xiàn)[34]總結(jié)對(duì)比三種方法的功率輸出性能和平滑性能，如圖12所示。槳距角控制方法和直流母線電壓控制方法雖然都可以實(shí)現(xiàn)功率的平滑輸出，但相比傳統(tǒng)的最大功率跟蹤法，這些方法會(huì)降低輸出功率，這種功率平滑效果無法滿足要求。而轉(zhuǎn)子慣性動(dòng)能控制方法在擁有良好的功率平滑性能的基礎(chǔ)之上同時(shí)能保證其輸出功率不會(huì)降低。另外，由于槳距角控制工作于所有風(fēng)速區(qū)域，因此會(huì)顯著增加風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片應(yīng)力，加重磨損。直流母線電壓控制會(huì)對(duì)直流母線電容產(chǎn)生壓力，可能會(huì)縮短電容器的使用壽命。上述影響因素使得這兩種方法的適用性較低，綜合平抑效果低于轉(zhuǎn)子動(dòng)能控制方法。

圖12 不同平滑方法的最大能量和功率平滑函數(shù)Fig.12 Maximum energy and power smoothing functions of different smoothing methods

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)傳統(tǒng)和新型的兩大類功率平滑方法做了詳細(xì)的分析，對(duì)各類方法所采用的控制策略進(jìn)行了深入的研究和總結(jié)歸納，對(duì)存在的問題提出優(yōu)化建議，為風(fēng)電場(chǎng)選取適當(dāng)?shù)墓β势交椒ㄌ峁┝思夹g(shù)參考。儲(chǔ)能裝置中由于蓄電池系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)體積大，超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)成本過高等因素限制了其發(fā)展。而隨著新型材料電池的研發(fā)，這一困境有望在未來得到解決。FESS由于其良好的特性受到了國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的研究，隨著其技術(shù)的成熟，也有望大規(guī)模應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)。在無儲(chǔ)能的功率平滑控制方法中，基于槳距角控制和直流母線電壓控制會(huì)降低風(fēng)電場(chǎng)輸出功率，所以從風(fēng)電場(chǎng)輸出功率效率來看,基于轉(zhuǎn)子慣性動(dòng)能的控制要優(yōu)于上述兩種方法。但是此類功率平滑方法均針對(duì)單一風(fēng)力機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)于由很多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組成的大型風(fēng)電場(chǎng)而言，平滑控制效果較弱。

綜上，主流的兩類風(fēng)電場(chǎng)功率平滑技術(shù)均有其優(yōu)缺點(diǎn)，且目前尚無法克服這些缺點(diǎn)。因此，學(xué)者們也開始從風(fēng)電場(chǎng)各風(fēng)力機(jī)調(diào)度控制的角度去研究功率平滑控制，既無需儲(chǔ)能裝置，也可以從風(fēng)電場(chǎng)整體輸出功率為出發(fā)點(diǎn)改善平滑控制效果。隨著傳統(tǒng)功率平滑控制技術(shù)的逐漸成熟以及新型技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，各類功率平滑方法將有望大規(guī)模用于改善風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性，從而實(shí)現(xiàn)替代傳統(tǒng)化石能源的目標(biāo)。