風(fēng)力發(fā)電無儲(chǔ)能型微電網(wǎng)能量管理方法研究

張 東，劉甲琛，夏藝歌，曹志威

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.國網(wǎng)陜西省電力公司西安市長安區(qū)供電分公司，陜西 西安 710100；3.陜西送變電工程有限公司，陜西 西安 710014；4.上能電氣股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

為了滿足社會(huì)綠色環(huán)保的要求，越來越多清潔能源發(fā)電采用分布式電源的形式并入到現(xiàn)代電力系統(tǒng)中[1]。近年來，隨著我國風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長，并入電網(wǎng)及遠(yuǎn)距離輸電等方面的問題越來越突出。由于考慮到主體電網(wǎng)電能穩(wěn)定等因素，部分已并網(wǎng)的風(fēng)電場被限制發(fā)電的情況時(shí)有發(fā)生，部分風(fēng)電場的電能損失高達(dá)30%，嚴(yán)重影響風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展[2]。

隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)的提出，將分布式風(fēng)力發(fā)電并入微電網(wǎng)進(jìn)行能量管理控制以解決上述問題的方法受到許多學(xué)者和機(jī)構(gòu)的關(guān)注。能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)主要以降低能源消耗、提高系統(tǒng)效率、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性、預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、優(yōu)化能量利用及削減費(fèi)用為主要目標(biāo)[3]。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了適用于海島微電網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其電能優(yōu)化調(diào)度策略，文章解決了功率在微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)高損耗等問題，但是其優(yōu)化調(diào)度策略只適用于孤島模式下；文獻(xiàn)[5]提出了一種智能能量管理系統(tǒng)，對含混合能源的微電網(wǎng)進(jìn)行能量管理控制，該控制系統(tǒng)主要是基于儲(chǔ)能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電及光伏發(fā)電功率的調(diào)度；文獻(xiàn)[6]提出了專家能量管理系統(tǒng)調(diào)度含風(fēng)力發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)電能，文章主要通過風(fēng)力的預(yù)測、多目標(biāo)優(yōu)化及儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行能量調(diào)度控制；文獻(xiàn)[7]同樣是對含風(fēng)/光/儲(chǔ)的微電網(wǎng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的能量調(diào)度控制。

以上文獻(xiàn)都有效地解決了微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電輸出功率波動(dòng)大或產(chǎn)能過剩的問題，但皆設(shè)置了儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助解決上述問題，而目前在我國儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展尚未完善，存在儲(chǔ)能電池轉(zhuǎn)化效率低、容量小及經(jīng)濟(jì)效益低等問題[8]，實(shí)際工程中無法配置滿足要求的儲(chǔ)能系統(tǒng)。為此，本文設(shè)計(jì)一種含交直流兩段母線的無儲(chǔ)能并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)提出分層能量調(diào)度控制方法，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電功率波動(dòng)的平抑控制并解決電能過剩的問題。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。微電網(wǎng)系統(tǒng)以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為電源，單個(gè)風(fēng)機(jī)通過整流器并入直流母線，直流母線與交流母線之間通過逆變器組連接。交流母線設(shè)計(jì)為單母分段式，直流母線與Ⅰ段交流母線通過逆變器組連接，Ⅱ段交流母線與直流母線之間只通過單個(gè)逆變器連接，主要負(fù)責(zé)給系統(tǒng)本地負(fù)荷供電，同時(shí)也作為備用段母線。Ⅰ段、Ⅱ段交流母線之間通過母聯(lián)斷路器連接，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)斷路器處于斷開狀態(tài)，只有當(dāng)Ⅰ段或Ⅱ段交流母線上逆變器故障或檢修時(shí)斷路器變?yōu)楹祥l狀態(tài)。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 能量管理方法設(shè)計(jì)

2.1 分層控制算法設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)四層結(jié)構(gòu)的分層控制算法，結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。圖2 中，中央控制器的功能主要是收集各層數(shù)據(jù)參數(shù)并反饋不同的控制指令，為了保證中央控制器與各層之間數(shù)據(jù)的可靠交互，系統(tǒng)采用“一用一備”的通訊結(jié)構(gòu)，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖2 分層控制算法結(jié)構(gòu)圖

集中式分層控制算法各層的功能如下：

1)第一層：該層主要接受電網(wǎng)調(diào)度指令并匯集數(shù)據(jù)傳給中央控制器，中央控制器經(jīng)過整合處理所有數(shù)據(jù)后通過該層將可入網(wǎng)電量回饋電網(wǎng)調(diào)度；

2)第二層：該層根據(jù)風(fēng)電機(jī)組預(yù)測和實(shí)時(shí)發(fā)電量及本地負(fù)荷用電情況計(jì)算可入網(wǎng)電量，并將信息傳給中央控制器；

3)第三層：該層主要控制逆變器組穩(wěn)定運(yùn)行并維持交流母線電壓穩(wěn)定；

4)第四層：該層主要是控制各風(fēng)電機(jī)的輸出功率并通過整流器穩(wěn)定直流母線電壓，采集風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量傳給中央控制器。

2.2 入網(wǎng)電能控制算法設(shè)計(jì)

入網(wǎng)電能的控制具體可以根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及電網(wǎng)調(diào)度指令劃分為兩種模式。

第一種模式：當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)目前處于孤島運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)調(diào)度要求系統(tǒng)并網(wǎng)提供電能PG。此時(shí)第一層控制器接受到并網(wǎng)需求指令，將信息傳送給中央控制器，同時(shí)第二層將實(shí)時(shí)記錄的負(fù)荷功率PL與風(fēng)電機(jī)組預(yù)測功率Py進(jìn)行整合計(jì)算得出可入網(wǎng)功率并將數(shù)據(jù)通過第一層上傳電網(wǎng)調(diào)度。為了減少機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)帶來的沖擊，控制系統(tǒng)采用逐一啟動(dòng)風(fēng)機(jī)及逆變器組的方法，該方法通過第三層和第四層實(shí)現(xiàn)。逐一啟動(dòng)機(jī)組的同時(shí)需實(shí)時(shí)對比預(yù)測功率Py曲線和實(shí)際發(fā)電功率Ps曲線，若啟動(dòng)過程中?(Ps-Py)或?(Ps-PG)的值大于0，則按計(jì)劃入網(wǎng)發(fā)電，否則及時(shí)更新數(shù)據(jù)提醒電網(wǎng)調(diào)度更改計(jì)劃。其中，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率預(yù)測算法采用文獻(xiàn)[9]所提方法，該方法能有效地對風(fēng)機(jī)短期出力進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，符合控制系統(tǒng)的要求。

第二種模式：當(dāng)微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度要求系統(tǒng)增加或者降低入網(wǎng)電量。假設(shè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的入網(wǎng)功率為Ps，電網(wǎng)調(diào)度指令需增加或降低功率?PG。指令為增加功率時(shí)，第二層首先向中央控制器傳輸預(yù)測的發(fā)電功率Py曲線和本地負(fù)荷功率PL曲線，通過計(jì)算得出預(yù)測可增加的功率?Py，若滿足(?Py-?PG)>0，則第四層控制風(fēng)電機(jī)組增加輸出功率，此時(shí)實(shí)時(shí)增加的功率值為?Pwts，并且呈上升狀態(tài)，如果?(?Pwts-?PG)的值大于0，則入網(wǎng)計(jì)劃不變，否則需根據(jù)實(shí)際功率調(diào)整入網(wǎng)計(jì)劃。指令為降低功率時(shí)，第二層記錄實(shí)時(shí)發(fā)電量和負(fù)荷用電量，中央控制器根據(jù)第二層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向第四層發(fā)送指令，在滿足入網(wǎng)電量和負(fù)荷用電的條件下，第四層降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率或者停止部分風(fēng)機(jī)發(fā)電。

控制算法邏輯步驟如圖3 所示。該控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于電網(wǎng)調(diào)度可以根據(jù)控制系統(tǒng)上傳的可并網(wǎng)電能數(shù)據(jù)調(diào)整整體的調(diào)度計(jì)劃，并且電網(wǎng)調(diào)度通過數(shù)據(jù)評估可以決定微電網(wǎng)系統(tǒng)入網(wǎng)電量的多少，多余電能則由微電網(wǎng)系統(tǒng)自行調(diào)度控制，既保證了電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性，又減少了產(chǎn)能過剩導(dǎo)致的能量浪費(fèi)。

圖3 入網(wǎng)電能控制算法步驟圖

2.3 風(fēng)電機(jī)組俯仰角控制算法設(shè)計(jì)

自然風(fēng)速與風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率呈現(xiàn)非線性關(guān)系，如圖4 所示。兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表示為[9]：

圖4 風(fēng)力發(fā)電輸出功率與風(fēng)速關(guān)系曲線圖

式(1) ～(3) 中：ρ為 空 氣 密 度，kg/m3；Ro為風(fēng)機(jī)渦輪半徑，cm；Vs為實(shí)時(shí)風(fēng)速，m/s；λ=RoωWT/Vs為尖端速度比；ωWT為風(fēng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速，r/s；β為俯仰角度，°；Cp為功率系數(shù)。

在風(fēng)速一定時(shí)，俯仰角度會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率，因此，可以通過控制俯仰角度調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。根據(jù)風(fēng)速與風(fēng)機(jī)發(fā)電功率的關(guān)系，俯仰角控制方法為：①當(dāng)0

當(dāng)Vr

圖5 俯仰角控制框圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

本文采用Matlab/Simulink 仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行能量調(diào)度控制算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 ～圖8 所示。根據(jù)圖7 中的電網(wǎng)調(diào)度PG曲線可得，微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)歷了孤島運(yùn)行、孤島/ 并網(wǎng)切換運(yùn)行、增加入網(wǎng)功率與降低入網(wǎng)功率這四種狀態(tài)。

1)孤島運(yùn)行。微電網(wǎng)系統(tǒng)在8 點(diǎn)之前運(yùn)行于孤島狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)只對本地負(fù)荷供電。其中Pwt為不采用俯仰角控制的風(fēng)電機(jī)組輸出功率，其功率曲線與預(yù)測功率Py曲線基本一致，因此，Py可以作為能量調(diào)度控制系統(tǒng)的有效參考量。綜合圖6、圖7 可知，預(yù)測功率Py曲線顯示0 點(diǎn)至8 點(diǎn)風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)較大，而且負(fù)荷功率PL較低，極不利于微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此，控制系統(tǒng)停止1 號、5 號風(fēng)機(jī)運(yùn)行，并根據(jù)負(fù)荷實(shí)時(shí)功率和2 號、3 號、4 號風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)風(fēng)速通過控制俯仰角度分配風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率并有效地降低了輸出功率的波動(dòng)。

圖6 各風(fēng)機(jī)輸出功率及俯仰角度曲線圖

圖7 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖

圖8 俯仰角控制前后風(fēng)機(jī)輸出功率曲線圖

2)孤島/并網(wǎng)切換運(yùn)行。微電網(wǎng)系統(tǒng)接收到并網(wǎng)指令時(shí)間為8 點(diǎn)，此時(shí)，電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)上傳的可入網(wǎng)電量調(diào)整微電網(wǎng)入網(wǎng)功率指令值PG，可以看到PG在8:00 ～8:30處于上升階段，控制系統(tǒng)同時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)算Pwts與PL的差值，此時(shí)Pwts與PL的差值始終大于0，因此，8:30 之后PG不變。同時(shí)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)啟動(dòng)1 號風(fēng)機(jī)發(fā)電，并通過俯仰角控制增加2 號、3 號、4 號風(fēng)機(jī)的輸出功率，此時(shí)控制器降低1 ～4 號風(fēng)機(jī)的俯仰角度，提升發(fā)電機(jī)的輸出功率。

3)增加入網(wǎng)功率。14:00 時(shí)電網(wǎng)調(diào)度要求微電網(wǎng)系統(tǒng)增加入網(wǎng)功率，根據(jù)Py、PL及PG曲線可知，此時(shí)(?Py-?PG)>0，控制系統(tǒng)增加1 ～5 號風(fēng)機(jī)輸出功率。在16:00 時(shí)，假設(shè)4 號風(fēng)機(jī)的風(fēng)速下降，系統(tǒng)控制降低4 號風(fēng)機(jī)輸出功率同時(shí)增加5 號風(fēng)機(jī)功率以保持入網(wǎng)功率的穩(wěn)定。相應(yīng)地，如圖6(b)所示，4 號風(fēng)機(jī)俯仰角度增加，5 號風(fēng)機(jī)俯仰角度則有所下降。因此，證明俯仰角控制對改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的有效性及可靠性。

4)降低入網(wǎng)功率。控制系統(tǒng)接收到降低入網(wǎng)功率指令后，增加1 號、2 號風(fēng)機(jī)俯仰角度從而降低輸出功率，停止輸出較低的4 號風(fēng)機(jī)并保持3 號風(fēng)機(jī)輸出功率不變。

為了進(jìn)一步分析控制系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組輸出功率的平滑控制及產(chǎn)能過剩問題的有效解決，對Pwt和Pwts單獨(dú)分析，其曲線如圖8 所示。

分析微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下控制器的有效性：①孤島運(yùn)行。微電網(wǎng)孤島運(yùn)行時(shí)只對本地負(fù)荷供電，其用電量較小，因此，所需發(fā)電量較小。由圖8 可知，這段時(shí)間的風(fēng)速較大且間歇性比較嚴(yán)重，因此，不采用俯仰角控制時(shí)風(fēng)機(jī)輸出功率Pwt較大且波動(dòng)較大，而這將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)嚴(yán)重產(chǎn)能過剩并降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)采用俯仰角控制后，可以看出風(fēng)機(jī)輸出功率Pwts明顯減少且輸出功率曲線較平緩，既滿足了負(fù)荷用電的需求又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。②并網(wǎng)運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)不僅向本地負(fù)荷供電，同時(shí)向電網(wǎng)側(cè)供電。圖8 中，不采用俯仰角控制時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率Pwt同樣存在產(chǎn)能過剩和波動(dòng)過大的問題，而采用俯仰角控制后，風(fēng)機(jī)輸出Pwts在滿足了上網(wǎng)電量和本地負(fù)荷電量的需求同時(shí)，明顯地降低了輸出功率的波動(dòng)，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種無儲(chǔ)能型微電網(wǎng)系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)提出了一種集中式分層控制方法。該方法采用俯仰角控制算法對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行平滑控制，最后通過多層控制器實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能調(diào)度，解決了風(fēng)力發(fā)電電能間歇性對電網(wǎng)沖擊較大的問題。最后通過采用Matlab/Simulink 仿真軟件對所提方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)算法的有效性。