基于功率補償的波浪能多發(fā)電機組平均功率送出方法

摘 要：針對自治控制模式下液壓蓄能式波能裝置多液壓發(fā)電機組在啟動或停止時輸出功率脈動問題，提出一種基于有功功率補償的波浪能平均功率送出方法。根據波浪能轉換發(fā)電系統(tǒng)特點及工作原理，在并網逆變器交流側掛一臺有功功率補償裝置，能同時平抑多臺液壓發(fā)電機組的功率脈動，并以平均功率送出。為驗證該方法的有效性，建立多液壓發(fā)電機組并網功率脈動平抑仿真模型。仿真結果表明，經功率補償后波能裝置并網功率平緩變化，多發(fā)液壓發(fā)電機組的啟動或停止時的功率脈動能被完全吸收，平均功率送出方法可提高大功率波能裝置在海島微電網等場合的適應性。

關鍵詞：波浪能轉換；功率控制；發(fā)電機；有功功率補償；平均功率

中圖分類號：TM6 """""""" """""""文獻標志碼：A

0 引 言

波浪能轉換方式種類繁多，包括直驅式和液壓式，其中液壓蓄能轉換方式能量輸出更穩(wěn)定、控制更簡單［1］，因此液壓波能裝置得到廣泛應用。波能裝置因波浪往復運動和來波功率波動導致發(fā)電機輸出功率波動，而在波能裝置的能量轉化環(huán)節(jié)中插入蓄能環(huán)節(jié)可平滑功率的波動，提高液壓發(fā)電機組輸出性能。液壓裝置功率輸出具有可調性，經過不可控整流電路變換后并入直流母線中，可提高系統(tǒng)魯棒性［2］。為進一步提高系統(tǒng)可靠性，液壓馬達常采用定量馬達，馬達啟動控制采用液壓自治控制模式［3］。當蓄能器壓力上升到啟動壓力時，通過液壓閥件自動啟動液壓發(fā)電機組；當蓄能器壓力下降到停止壓力時，自動停止液壓發(fā)電機組。因此，液壓發(fā)電機組啟動和停止時會引起輸出功率脈沖式波動。

目前針對波浪能發(fā)電功率波動平抑的研究相對較少，文獻［4-5］在液壓裝置側添加了功率調節(jié)裝置，降低了輸出功率的波動，但只針對單臺裝置；文獻［6］針對直驅式能量轉換系統(tǒng)的輸出功率波動問題，采用基于濾波器的功率平抑策略，使裝置輸出功率波動符合規(guī)范；文獻［7-8］利用動態(tài)功率共享的混合儲能系統(tǒng)減小功率波動，但這些都只針對直驅式波能裝置。文獻［9］討論了有無儲能系統(tǒng)和不同類型的儲能系統(tǒng)的影響，分析波能裝置并網的功率波動和電壓閃爍；潘一夫等［10］基于功率預測的算法控制儲能系統(tǒng)充放電，并以平均功率輸出電能，但該方法的平滑效果很大程度上取決于波浪預測的準確性，可行性有待進一步探討；文獻［11］為離網運行的波能裝置陣列設計了在直流母線上的儲能環(huán)節(jié)，平穩(wěn)地為島上住宅負荷供電；吳峰等［12］采用并聯(lián)電容作為儲能介質對發(fā)電系統(tǒng)輸出功率進行平滑，并在獲取波浪能發(fā)電的平均功率條件下設計了兩種拓撲結構，通過控制儲能電池吸收瞬時功率，但這些方案因成本限制難于在大功率波能裝置中應用。文獻［13］針對自治控制模式下液壓蓄能式波能裝置，采用多液壓發(fā)電機組技術，可降低波能裝置輸出功率脈動的幅值，但并不能實現無極平滑過渡。

為平抑波能裝置的輸出功率脈動，使并網功率更加平滑，本文提出一種基于有功功率補償的多機組平均功率送出方法，在波能裝置輸出逆變器交流側下僅需掛一臺有功功率補償裝置就能實現多臺液壓發(fā)電機組啟動和停止時輸出功率脈動的平抑，從而提高大功率波能裝置在海島微電網等場合的適應性。

1 多發(fā)電機組輸出特性

1.1 液壓能量轉換系統(tǒng)

液壓蓄能式波能裝置能量俘獲和轉換系統(tǒng)由液壓蓄能系統(tǒng)、液壓發(fā)電系統(tǒng)和電力變換系統(tǒng)組成，如圖1所示。當波浪作用在浮子時，浮子推動液壓桿，油液經過單向閥輸入到蓄能器中，將波浪能轉換為液壓能。經過液壓自治系統(tǒng)的控制［14］，釋放蓄能器液壓油，驅動液壓馬達和永磁同步發(fā)電機，實現液壓能到電能的轉換。經過整流器和逆變器的電能變換后送出到海島微電網。

對于電力變換系統(tǒng)而言，液壓發(fā)電系統(tǒng)具有電流源性質，多液壓發(fā)電機組可等效為數個電流源，經整流后連接到同一直流母線上，組成一個小型的直流納電網。由逆變器支撐直流母線電壓可實現多液壓發(fā)電機組可靠高效地接入海島微電網，無需大容量蓄電池［13］。

1.2 波浪發(fā)電系統(tǒng)功率輸出特性

波浪能具有間歇低頻輸出特性［15］，其功率脈動比風能和太陽能功率波動更大。而海島微電網的容量小，無法承受大功率脈動，因此波能裝置接入到海島微電網時必須考慮脈動式功率沖擊帶來的影響。

功率波動的大小與波浪條件、蓄能器大小、液壓自治控制、發(fā)電機裝機功率和機組數量等影響有關。在多機組波能裝置中，蓄能器容積并非無限大，無法完全解除液壓蓄能系統(tǒng)和液壓發(fā)電系統(tǒng)的耦合關系。高海況時，浮子俘獲的能量大，蓄能器壓力維持在高位，所有機組長時間連續(xù)發(fā)電；中海況時，部分機組能長時間持續(xù)發(fā)電，部分機組斷續(xù)發(fā)電，在發(fā)電和停機之間來回切換；低海況時，蓄能器壓力上升時間長，停機時間遠大于發(fā)電時間，發(fā)電機組的工作模式為斷續(xù)發(fā)電。每臺發(fā)電機組的接入或切出都會帶來一個正向或負向的功率脈動，波能裝置送出微電網的功率存在脈動現象，因此發(fā)電機組工作模式的頻繁切換會使裝置發(fā)電功率具有脈動性。

“先導一號”波能裝置裝機200 kW，由2臺50 kW、2臺30 kW和2臺20 kW發(fā)電機組成，圖2為2018年8月13日的該裝置實海況運行并網功率曲線，約16：24時發(fā)生兩次功率陡降，16：25時功率陡升，均引起較劇烈的輸出功率脈動現象。文獻［13］開展了多液壓發(fā)電機組并網研究，實現了多機組無蓄電池支撐可靠并網送出，但未消除多液壓機組啟動和停止帶來的功率脈動，結果如圖3所示。

由圖3可知，來波能量逐漸升高和降低的過程中，發(fā)電機組依次啟動和停止。5臺發(fā)電機組分別在2.5、5.0、7.5、10.0和12.5 s啟動，并網功率均發(fā)生正向脈動，并網功率波形呈階梯式上升；在16.5 s后發(fā)電機組依次停止，并網功率發(fā)生負向脈動，并網功率波形又呈階梯式下降，這就是典型的多液壓發(fā)電機組功率脈動輸出特性。

2 波能裝置平均功率送出方法

2.1 有功功率補償裝置結構

為增加波浪發(fā)電裝置并網功率的平穩(wěn)性，往往在裝置與微電網之間添加儲能裝置，常見蓄能裝置有蓄電池、超級電容、飛輪儲能和壓縮空氣儲能等［16-18］，還可以為每一臺發(fā)電機額外配置高頻整流器來控制發(fā)電機的轉速，實現平穩(wěn)送出［19］，但這些方案也會導致裝置效率下降、維護困難和成本加大。為兼顧功率平穩(wěn)效果與儲能成本，提出一種具有普適性的新型解決方案，即在波浪裝置與微電網之間添加一臺有功功率補償裝置，用以吸收或補償并網功率脈動，如圖4所示。功率補償裝置結構拓撲如圖5所示。

當液壓發(fā)電機組啟動或停止時，裝置側功率會出現驟升或驟降的功率脈動，系統(tǒng)檢測到脈動功率。有功功率補償裝置將自動吸收或補償脈動的功率，微網側并網功率變得平穩(wěn)。此外，功率補償裝置僅在功率脈動期間短暫輸出最大功率，所以無需配備大容量蓄電池。多液壓發(fā)電機組在液壓自治控制下一般不會同時啟停［20］，因此只需一臺功率補償裝置即可補償多臺發(fā)電機組啟停時引起的脈動功率，其裝機容量能補償波能裝置中最大單機液壓發(fā)電機組即可。

2.2 平均功率控制策略

多液壓發(fā)電機組的輸出脈動功率具有隨機性。為平抑隨機產生的裝置側功率脈動，功率補償裝置采用功率外環(huán)控制與電流內環(huán)控制，如圖6所示。通過電壓電流傳感器實時監(jiān)測裝置側電壓和電流等信息，計算功率補償裝置功率控制外環(huán)指令，電流控制內環(huán)根據外環(huán)指令、鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）信息、微電網電壓相位等信息，計算輸出脈沖寬度調制（pulse-width modulation，PWM）信號控制三相全橋逆變器，實現裝置側脈動功率補償。功率補償裝置的功率控制外環(huán)是關鍵。為了讓裝置能平穩(wěn)并網送出，功率外環(huán)控制策略采用平均功率法。監(jiān)測裝置側實時功率，計算出平均功率作為微網側送出功率期望值，裝置側實時功率和微網側送出功率期望值的差值作為功率補償裝置的功率外環(huán)控制目標及微網側送出功率期望值，可分別表示為：

[PB=PI-PG] （1）

[PG=1t2-t1t1t2PIdt] （2）

式中：[PB]——功率補償裝置的功率外環(huán)控制目標，kW；[PI]——裝置側實時功率，kW；[PG]——微網側送出功率期望值，kW；[t1]、[t2]——平均功率選取的計算時間，s。

3 補償裝置建模、仿真與分析

3.1 仿真建模

為驗證波能裝置輸出脈動功率平抑的可靠性，搭建一個500 kW的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5臺液壓發(fā)電機組組成，機組容量均為100 kW，整流后連接到直流母線，通過逆變器連接到微電網，逆變器后掛功率補償裝置。仿真模型如圖7所示，系統(tǒng)參數如表1所示。

3.2 仿真試驗結果與分析

為了更好地分析試驗結果，分別開展單機組、三機組和五機組仿真試驗，單機組仿真結果如圖8所示。從圖8a可看出，在2.5 s處發(fā)電機組啟動，裝置側功率發(fā)電功率發(fā)生脈動，而微網側平網功率在2.5 s時并未發(fā)生功率脈動，而是以平緩上升的形式逐漸上升至與發(fā)電功率重合，此時由圖8b可發(fā)現此時補償裝置停止補償。在11.5 s時機組停止工作，產生負向脈動功率，功率補償裝置補償功率，平滑并網功率。由圖8c所示標幺化后電流的變化可知，在發(fā)電功率突變時，電流也隨之突變，然后逐漸減小為零。圖8d顯示了功率補償裝置在吸收脈動功率時的標幺化后的電壓電流，此時電壓電流同相位，呈正電阻特性，吸收功率。圖8e顯示了功率補償裝置在補償脈動功率時的電壓電流，此時相位差為180°，呈負電阻特性，釋放功率。

三機組仿真結果圖9所示。雖然發(fā)電機組數量增加到3臺，但功率補償裝置仍為1臺，每次機組啟動停止功率波形仍是階梯式變化，其并網功率仍能連續(xù)平緩地變化。由圖9b可看到，功率補償裝置能在每臺發(fā)電機組啟動或停止時迅速充放電，用以吸收或補償發(fā)電機組的功率脈動。此外，功率補償裝置每次充放電時間都較短，這也意味著功率補償裝置只需小容量電池就能實現波能裝置多機組平均功率并網送出。

五機組仿真結果圖10所示。比較圖10和圖3可知，增加功率補償裝置后，波能裝置輸出功率更加平緩，消除了每臺機組啟動和停止過程產生的并網功率脈動。從圖10b可看出，對于5臺發(fā)電機組的波能裝置，僅掛1臺功率補償裝置也能完成多機組脈動功率平抑。

仿真結果表明波能裝置并網時，多臺發(fā)電機組啟動或停止引起發(fā)電功率頻繁脈動而功率補償裝置能快速響應功率突變，完全吸收或補償脈動功率，實現波能裝置并網功率以平均功率送出，大大降低了波能裝置對微電網的功率沖擊。

多液壓發(fā)電機組并網時，僅需1臺功率補償裝置即可完全吸收或補償多液壓發(fā)電機組的脈動功率。仿真試驗結果驗證了基于功率補償的波浪能多發(fā)電機組平均功率送出方法的可行性。

4 結 論

1）波能裝置多液壓發(fā)電機組運行模式頻繁切換會引起送出功率脈動，而海島微電網容量小，脈動功率會影響微電網穩(wěn)定性。針對該問題，提出一種基于功率補償的波浪能多發(fā)電機組平均功率送出方法，由功率補償裝置吸收或補償波能裝置側功率脈動，使得波能裝置微網側功率平穩(wěn)變化。建立了波能裝置液壓發(fā)電系統(tǒng)功率補償仿真模型，結果表明基于功率補償裝置的平均功率送出方法可同時平抑多液壓發(fā)電機組的脈動功率，實現并網功率平穩(wěn)送出。

2）功率補償波能裝置送出脈功的方法可實現單一補償裝置同時吸收或補償多發(fā)電機組功率脈動，無需為每臺發(fā)電機組配置功率補償裝置。此外，功率補償裝置僅吸收脈動功率而不是全部發(fā)電功率，減小功率補償裝置蓄電池容量。

3）功率補償裝置應用在波能裝置并網環(huán)節(jié)，通過電力電子技術限制并網功率突變，也可應用到其他可再生能源并網送出，有助于加速推廣可再生能源在海島中的使用。

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AVERAGE POWER OUTPUT METHOD OF MULTI-GENERATOR SETS IN WEC BASED ON POWER COMPENSATION

Zou Guohui"Wu Hongyuan"Pei Xingyu"Liao Yanqun"Gao Dongzhao"3，Wang Kunlin"3

（1. Zhuhai Power Supply of Guangdong Power Grid Co.， Ltd.， Zhuhai 519000， China；

2. Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；

3. School of Energy Science and Engineering， University of Science and Technology of China， Guangzhou 510640， China）

Abstract：In order to solve the problem of output power pulsation of multiple hydraulic generators in hydraulic storage wave energy converter under autonomous control mode， a method of average power for transferring wave energy based on an active power compensation is proposed. According to the characteristics and working principle of the power generation system of the wave energy converter， an active power compensation device is attached to the AC side of the grid-connected inverter， which can simultaneously suppress the power pulsation of multiple hydraulic generator sets and transfer the average power to the grid. A simulation model for power pulsation suppression of grid-connected hydraulic generator sets is established to verify the effectiveness of this method. The simulation results show that the grid-connected power of the wave energy converter changes gently attached the power compensation， and the power pulsation caused during the starting or stopping of multiple hydraulic generator sets can be completely absorbed. The method of average power transferring can improve the adaptability of the high-power wave energy converter in the island micro-grid and other situations.

Keywords：wave energy conversion； power control； electric generators； active power compensation； average power