儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

蘭天

華能新能源股份有限公司遼寧分公司 遼寧沈陽 110000

我國近些年來在輸電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及普及方面加大了投入力度，進(jìn)一步推動我國能源戰(zhàn)略的發(fā)展。但是由于現(xiàn)階段我國關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能控制系統(tǒng)的研究較為落后，導(dǎo)致電能利用率低、電能質(zhì)量差、輸電效率差等問題依舊普遍存在，因此針對發(fā)電機(jī)儲能控制系統(tǒng)的研究有待進(jìn)一步深入。因此本文以風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能控制系統(tǒng)作為研究對象，具有十分重要的積極意義，開展儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，進(jìn)而促使我國的電力產(chǎn)業(yè)獲得更加廣闊的發(fā)展空間和更加光明的發(fā)展前景[1]。

1 儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

由于風(fēng)電的發(fā)電形式和風(fēng)能的不穩(wěn)定性決定了風(fēng)電不能像水電火電那樣穩(wěn)定應(yīng)用，這時候人們就想把大風(fēng)時候發(fā)的電存儲起來，留到風(fēng)小的時候使用。風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2．74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。很早就被人們利用——主要是通過風(fēng)車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在，人們感興趣的是如何利用風(fēng)來發(fā)電，開展儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，主要可以將研究內(nèi)容總結(jié)歸納如下：

1.1 風(fēng)力電機(jī)的結(jié)構(gòu)介紹

風(fēng)力電機(jī)主要包括定子、轉(zhuǎn)子等組件，定子由定子鐵芯和定子繞組構(gòu)成，轉(zhuǎn)子由鐵芯、儲能繞組、集電環(huán)、轉(zhuǎn)軸等幾部分構(gòu)成，發(fā)電機(jī)即是指風(fēng)力電機(jī)處于發(fā)電運行狀態(tài)，其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

風(fēng)力電機(jī)運行的過程中，儲能繞組通入直流電流，其內(nèi)部就會產(chǎn)生磁場，由原動機(jī)會拖動風(fēng)力電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子的磁場也會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。再這樣的情況下，定子電樞繞組就會切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)交流電動勢，其頻率和轉(zhuǎn)速以及極對數(shù)相關(guān)[2]。

風(fēng)力電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備，在電網(wǎng)中占據(jù)著十分重要的地位，其運行狀態(tài)直接影響著電力系統(tǒng)的動態(tài)性能，除了能夠提供電力能源外，風(fēng)力電機(jī)在無功功率分配方面也發(fā)揮著一定的作用。

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能控制的基本原理分析

儲能系統(tǒng)是由發(fā)電機(jī)儲能電源和其他相關(guān)附屬設(shè)備構(gòu)成的一個復(fù)雜體系，其大致可以分為主電路和儲能調(diào)節(jié)控制器兩個部分，具體如圖2所示，其中儲能功率單元為電源部分，主要作用是提供直流儲能電流。儲能調(diào)節(jié)控制器則負(fù)責(zé)管理儲能功率單元的輸出。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能控制系統(tǒng)的作用主要有三點：其一，對電壓進(jìn)行控制。在電力網(wǎng)絡(luò)運行的過程中，負(fù)荷是出于不斷變動中的，而負(fù)荷的波動則會引起發(fā)電機(jī)端電壓的變化，而儲能控制系統(tǒng)就負(fù)責(zé)對這種現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)解，盡可能的維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓，具體是通過增減儲能電流的方式達(dá)到效果。其二，對無功功率的分配進(jìn)行控制[3]。當(dāng)發(fā)電機(jī)和無窮大的電網(wǎng)并聯(lián)運行時，發(fā)電機(jī)端電壓基本上可以看作一個恒定值，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和頻率相關(guān)，和儲能電壓以及儲能電流無關(guān)，換而言之，儲能的變化不會對發(fā)電機(jī)輸出的有功功率產(chǎn)生影響。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)的儲能電流發(fā)生變化時，只會改變無功功率和功率角的大小。其三，提高并聯(lián)運行的風(fēng)力發(fā)單機(jī)的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)運行于一個時刻存在各類個干擾的環(huán)境中，如果發(fā)電機(jī)能夠在受到擾動之后迅速恢復(fù)到原來的運行狀態(tài)或是過渡到一個新的運行狀態(tài)，即靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定，則可以判斷其具有良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

為了使上述作用得到充分的發(fā)揮，儲能控制系統(tǒng)需要滿足三個方面的要求：其一，具備最優(yōu)化的電機(jī)功率因數(shù)。其二，擁有較強(qiáng)的抗電網(wǎng)電壓突變能力。其三，儲能系統(tǒng)應(yīng)能夠快速滅磁。

1.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)儲能控制系統(tǒng)模型

如圖3所示，典型的發(fā)電機(jī)儲能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運行主要可以分為電壓測量比較、綜合方法、功率單元、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等環(huán)節(jié)。

結(jié)合圖3來看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的儲能控制系統(tǒng)主要包括三個單元，分別是測量比較單元、綜合放大單元以及整流單元。測量比較單元是采用比閉環(huán)設(shè)計的儲能系統(tǒng)不可缺少的一部分，其主要作用是對發(fā)電機(jī)運行過程中的機(jī)端電壓進(jìn)行實時測量和獲取，并將實測的電壓值和基準(zhǔn)值進(jìn)行比對，獲得電壓偏差信號，最終送入到綜合放大單元。忽略比較電路的延時，可以使用以下傳遞函數(shù)對測量比較單元進(jìn)行描述：

其中KR表示的是比例系數(shù)，TR表示的是測量單元時間常數(shù)。

很多情況下，測量比較單元輸出的信號功率偏小，無法達(dá)到直接驅(qū)動功率放大單元的效果，此時為了獲得滿足功率要求的控制信號，就必須對信號進(jìn)行綜合放大處理，這就是綜合放大單元的作用。為了進(jìn)一步強(qiáng)化儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能，通常會將各類控制算法引入該單元中，如增加響應(yīng)速度、減少超調(diào)量等。綜合放大單元的傳遞函數(shù)如下：

其中KA為電壓放大系數(shù)，TA代表的是放大器的時間常數(shù)。

整流單元通常選用晶閘管，其在電路中的整流是不連續(xù)的，這使得整流輸出的電壓Ud和觸發(fā)脈沖控制信號Usm不風(fēng)力，造成一定的延時，延時的長短取決于整流電路的整體結(jié)構(gòu)，一般可以用電角度對其最大可能滯后時間進(jìn)行描述。晶閘管最大可能的時滯時間可以表達(dá)為：

其中m代表的是控制相數(shù)，f代表的是電源頻率，在考慮時間滯后因素影響的情況下，整流電路的輸出電壓可以表達(dá)為：

ud=KZusm（t-TZ）

其中KZ代表的是觸發(fā)脈沖和輸出電壓間的放大系數(shù)，之后對上式進(jìn)行拉氏變換可得：

Ud（s）=Kze-TZsuSM（s）

之后即可獲得整流單元的傳遞函數(shù)：

經(jīng)泰勒展開并保留展開式中第一項等程序簡化后可得傳遞函數(shù)：

2 儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法分析

把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁秋L(fēng)能利用中最基本的一種方式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般有風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)（包括裝置）、調(diào)向器（尾翼）、塔架、限速安全機(jī)構(gòu)和儲能裝置等構(gòu)件組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理比較簡單，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，它把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機(jī)械能[4]。發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的帶動下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。風(fēng)輪是集風(fēng)裝置，它的作用是把流動空氣具有的動能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪由2個或3個葉片構(gòu)成。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，已采用的發(fā)電機(jī)有3種，即直流發(fā)電機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和異步交流發(fā)電機(jī)。以提供給發(fā)電機(jī)儲能電源的差異性作為依據(jù)，可以將發(fā)電機(jī)儲能系統(tǒng)分為直流儲能機(jī)系統(tǒng)、交流儲能機(jī)系統(tǒng)以及自勵式靜態(tài)儲能系三種類型。其中直流儲能機(jī)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生獨立的儲能電流，具有較強(qiáng)的可靠性，其核心設(shè)備為專用的直流儲能機(jī)，采用和發(fā)電機(jī)同軸安裝的方式，通過滑環(huán)和固定的電刷，發(fā)電機(jī)的儲能繞組可以獲得直流電流。該系統(tǒng)的不足在于調(diào)節(jié)速度較為緩慢，且維護(hù)不方便，因此在大型發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用較少。交流儲能機(jī)系統(tǒng)通常安裝在發(fā)電機(jī)軸上，由于輸出的是交流電流，因此必須增設(shè)整流環(huán)節(jié)。相較于直流儲能機(jī)系統(tǒng)，交流儲能機(jī)系統(tǒng)不具有電刷和滑環(huán)等部件，因此制造更加簡單，且運行可靠性更高，不足之處在于交流電勢的諧波分量過大且在運行的過程中會產(chǎn)生較大的噪聲。自勵式靜止儲能系統(tǒng)和上述兩種儲能系統(tǒng)存在本質(zhì)的區(qū)別，其省略了儲能機(jī)，而是從發(fā)電機(jī)本身獲取儲能電源。自勵式靜止儲能主要包括自并勵和自復(fù)勵兩種形式，二者的區(qū)別在于儲能來源的種類不同，前者為一種，二者為兩種。在后一種形式下，發(fā)電機(jī)如果在運行過程中出現(xiàn)短路故障，大功率電流互感器會為發(fā)電機(jī)提供較大的儲能電流[5]。

儲能控制方式的發(fā)展和研究現(xiàn)狀。截止到目前為止，儲能控制方式的發(fā)展主要經(jīng)歷了六個階段：首先，早期的古典儲能方式。最初的儲能控制是對單變量的儲能調(diào)節(jié)，具體是通過電機(jī)機(jī)端電壓的偏差信號，對其進(jìn)行單一的比例P調(diào)節(jié)。這種方式在控制精度和穩(wěn)定性等方面都存在著較大的缺陷，對此，人們提出了對電壓偏差值加上積分I和微分D解以解決問題，使得控制效果出現(xiàn)了一定幅度的提升，但仍舊無法同時滿足控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定的需求。之后，人們提出了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS，用于克服調(diào)節(jié)精度和穩(wěn)定性之間的矛盾，但使用條件卻存在較大的限制，不僅需要預(yù)先整定好參數(shù)，而且要進(jìn)行大量的實驗。

線性最優(yōu)儲能控制方式。這是最優(yōu)控制概念引入儲能控制領(lǐng)域誕生出的一種控制方式，相較于古典儲能方式，其能夠有效的解決系統(tǒng)不定性和時變性的問題，因此應(yīng)用范圍更加廣泛。這種控制方式雖然能夠提供良好的控制效果，但必須在理想狀態(tài)下才能達(dá)成，原因在于其設(shè)計方面的局限性，且在抗干擾方面也稍顯不足[6]。

非線性儲能控制方式，為了解決現(xiàn)行控制器無法有效適應(yīng)非理想系統(tǒng)的問題，人們提出了非線性的儲能控制器，這種空駛方式對于非線性和參數(shù)或是看狀態(tài)變化的系統(tǒng)具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，因為其原理是一種數(shù)學(xué)幾何結(jié)構(gòu)的微分。但由于微分結(jié)合原理存在明顯的針對性，因此非線性儲能控制器只在參數(shù)明確的系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢，無法普遍適用于所有系統(tǒng)，在實用性上存在不足。此外，控制理論發(fā)展的局限性使得非線性儲能控制器在運用其他控制理論時嚴(yán)重受阻。

再次，自適應(yīng)儲能控制方式。系統(tǒng)參數(shù)和運行方式在實際工作中會經(jīng)常發(fā)生變動，人們針對這一特征提出了自適應(yīng)儲能控制方式，即根據(jù)被控對象的實際情況對自身參數(shù)和控制規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，這使得控制效果得到了大幅度的提升。由于這種控制器的參數(shù)需要對系統(tǒng)變化進(jìn)行動態(tài)跟蹤，因此在一些特殊情況下，如控制對象處于短暫的電磁暫態(tài)過程時，需要進(jìn)行大量的計算。

智能化儲能控制方式，這是一種信息時代提出的儲能控制類型，具體包括遺傳算法控制、專家控制、Fuzzy模糊控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法，其原理是根據(jù)事先編寫的智能概念，結(jié)合人類的推理經(jīng)驗和直覺，達(dá)到自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自整定以及可處理非線性等方面的效果，其優(yōu)勢在于對精確數(shù)學(xué)模型的依賴性較小。但就現(xiàn)階段研究情況來看，其只在一些簡單系統(tǒng)中進(jìn)行了實踐應(yīng)用，大部分猜想都處于試驗和仿真階段[7]。

混合控制方式。上述提到的各種儲能控制方式均有其適用的領(lǐng)域，可以解決不同的問題，但是在儲能控制過程中通常會遇到一些比較復(fù)雜的問題，且難以通過單一的控制方式解決，這時就需要將多種磁力控制方式綜合應(yīng)用，通過優(yōu)勢互補(bǔ)，解決實際難題，這就誕生了混合控制方式。目前，在電力系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域，混合控制方法已經(jīng)取得了一些階段性的成果，如對直流線路故障測距采用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法相混合的方法、對電網(wǎng)負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化采用的單純算法和粒子群算法相混合的方法等?；旌峡刂品绞降膽?yīng)用使得電網(wǎng)性能得到了更進(jìn)一步的優(yōu)化[8]。

3 結(jié)語

進(jìn)行儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用分析，實現(xiàn)儲能技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，可以實現(xiàn)我國風(fēng)力發(fā)電整體水平的有效提升，進(jìn)而為我國電力工程的整體發(fā)展奠定穩(wěn)定的基礎(chǔ)。