风电功率平滑控制策略研究

风电功率平滑控制策略研究

0储能系统容量约束对功率平滑控制策略的影响随着中国风力装置的快速发展，风电站的风回风问题变得越来越严重。一些风电站的回风率为10%，超过20%，风电率显著下降。弃风问题的本质是风电电能特性引起的风电消纳问题,对风电场有功功率进行平滑控制,可显著提高风电的可调度性,减少风电场弃风电量,有效解决风电的并网消纳问题。目前,风电有功功率平滑控制策略已经成为业界的一个研究热点。文献利用发电机的转速控制来调节风电输出功率,该功率控制策略将导致发电机转速波动很大;文献采用模糊变桨距控制来限制发电机的转速运行范围,利用发电机转矩动态滑模控制来平滑发电机的输出功率,但功率平滑不是利用储能系统,而是采用降额发电原理,所以其风能资源利用率较低;文献在变流器的直流侧接入飞轮储能系统,采用飞轮储能来平滑永磁直驱风电机组的输出功率,但由于飞轮系统储能容量很有限,只能平抑风电功率中的高频分量;文献在风电场出口处配置钒电池储能系统,利用一阶巴特沃斯高通滤波器来消除0.01Hz以上的功率波动成分,但其功率平滑是依据频率信息而不是幅值参数,因此其平滑效果比较有限。上述文献中所提出的功率平滑控制策略都没有考虑功率平滑目标参数要求问题,而在实际工程中,对功率平滑目标效果是有具体指标限制的。此外,储能设备是风电功率平滑控制系统的核心单元,它的主要任务是对风电功率进行削峰填谷式平滑处理。储能系统容量的选择十分重要,从经济成本和效益角度考虑,应尽量减小储能系统容量配置,但如果储能系统容量太小,又会严重影响功率平滑效果。如何准确估算风电场功率平滑所需配置的储能系统容量的大小,已有文献在讨论。文献提出一种利用风电场输出功率的数学期望和启动风速以下的风电场持续输出期望小时数来估算储能系统容量的方法;文献通过仿真分析指出储能系统和风电场规模应保持在1∶4的功率比例;文献分析影响储能容量合理取值的各种因素,并在此基础上提出一种利用储能容量成本和风电场输出功率平滑效果辅助判据来估算风电场储能容量合理取值范围的方法。但是,对于储能系统容量约束对功率平滑控制策略的影响问题,却鲜有文献讨论。鉴于上述情况,本文分别以电网对风电场功率平滑效果的目标要求和储能系统的容量限制为出发点,提出了3种风电功率平滑控制策略:(1)基于目标参数要求的功率平滑控制策略;(2)基于储能系统容量约束的功率平滑控制策略;(3)兼顾目标参数要求和储能系统容量约束的功率平滑控制策略。其中,基于目标参数的功率平滑控制策略是在假设储能系统容量足够的前提下提出来的,是一种理想情况;基于储能系统容量的功率平滑控制策略是一种以储能系统相对存电量为基准的跟踪控制算法,储能系统资源利用率较高;而兼顾目标参数要求和储能系统容量约束的功率平滑控制策略针对的是既有功率平滑目标要求,又有储能系统容量限制的实际工程问题,并提出可采取部分弃风和风电场短时解列离网等措施。本文还为上述控制策略设计了相应的控制算法,并进行了仿真分析。1功率平滑控制带储能系统的风电场有功功率平滑控制系统如图1所示。风电场的输出功率分为两部分,一部分直接输入电网,另一部分输送给储能系统。储能系统的主要任务是对风电场的有功出力进行平滑处理。当风电场输出的有功功率超过允许的并网功率上限时,富余的电能将蓄存于储能系统中,若此时储能系统的电能已满,则多余的风电功率将被弃用;当风电场输出的有功功率低于允许的并网功率下限时,由储能系统放电补充。为简便起见,假设储能系统的能量蓄存速度和能量释放速度足够快。将风电场的输出功率按时间作离散化处理:假设在时段Δt内,输出功率不变,即可以用Δt时段内的平均出力作为该时段风电场的输出功率。Δt取值越小越接近实际真实输出功率。在实际工程中,Δt就是风电场风速数据采样时间间隔。风电场的有功功率平滑控制目标可以用单位时间内允许的最大功率波动幅度来描述。设风电场有功平滑时间窗口的长度为T,为简化问题,一般取T=nΔt,n为正整数。ΔP为平滑处理后允许的功率波动上限值,即在时间范围T内允许风电储能系统并网总功率的最大波动幅度。平滑时间窗口长度T和功率波动限值ΔP是有功平滑控制的重要目标参数,它们共同描述了功率平滑的效果。图2为这2个参数的示意,第i时段的起止时刻分别为ti-1和ti。在时间范围t∈[ti-n-1,ti-1]内共有n个时段,它们共同构成一个平滑时间窗口T,在该时间窗口内允许的最大功率波动范围为ΔP。同理,时间范围t∈[ti-n,ti]内的n个时段也构成一个功率平滑时间窗口T。根据时间窗口T的长短不同,可以将功率平滑技术划分为3类:超短期平滑、短期平滑和中长期平滑。超短期平滑的时间窗口长度为秒级;短期平滑的时间窗口长度为分钟和小时级;中长期平滑的时间窗口长度为日、月、年级。超短期功率平滑主要平抑高频段的风电波动,对储能系统的动态响应速度要求很高,储能系统要频繁地充电放电,因此一般采用飞轮或超级电容储能系统。由于T≥Δt,此时要求风速的采样时间间隔Δt应很小。短期功率平滑主要平抑中频段的风电波动,对储能系统的动态响应速度和储能容量都有一定要求,其储能系统一般选用蓄电池。中长期功率平滑主要平抑低频段的风电波动,要进行时间跨度较大的能量调度,要求储能系统具有很大的储能容量,因此一般选用抽水储能电站来储能。风电场的功率平衡方程为式中:Pw(i)为i时段风电场输出功率;Pwg(i)为i时段风电场直接输入电网的功率;Pws(i)·为i时段风电场输入储能系统的功率;Pwd(i)为i时段风电场弃用功率。并网功率平衡方程为式中:Pg(i)为i时段整个功率平滑控制系统注入电网的总功率;Psg(i)为i时段储能系统输入电网的功率。储能系统的能量平衡方程为式中:Mess(i)为i时段储能系统的存电量;j为i之前的第j时刻;Mess(0)为储能系统的初始存电量。为了评价功率平滑控制的效果,在此,采用文献定义的功率平滑度性能指标Plevel:式中:PR为风电场的有效装机容量。Plevel值越小说明并网功率Pg越平滑。将上式离散化处理得储能系统的储能工况可以表示为储能系统的释放电能工况可以表示为储能系统的状况可用其存电量过程曲线描述,曲线的最大值与最小值之差即为功率平滑控制系统所需配置的储能系统总容量Cmax。2功率平滑控制策略2.1基于目标参数的功率平滑控制策略假设储能系统容量和初始存电量足够,风电场无弃用风能,则定义平均功率波动限值ΔPav为为保证在任意平滑时间窗口(即t∈[ti-n,ti])范围内,功率平滑控制系统的并网总功率Pg的最大波动幅度不超过允许值ΔP,只需将每个Δt时段内Pg的变化幅度限制在ΔPav范围内即可。这样,即使在最极端的情况下(Pg连续增加或连续减小),n个时段内Pg的变化总量也不会超过ΔP。这种基于任务分解思想的功率波动限值均匀化分布处理方法,既能保证功率平滑目标的实现,又能大大降低平滑时间窗口内的功率变化速率,平抑掉风电功率中的高频分量,避免并网功率小幅度剧烈波动。基于目标参数的功率平滑控制策略算法有4个步骤。第1步:计算第i时段风电场输出功率Pw(i)。第2步:确定第i时段功率平滑控制系统的并网功率Pg(i),如果Pw(i)>[Pg(i-1)+ΔPav],则Pg(i)=Pg(i-1)+ΔPav;如果[Pg(i-1)-ΔPav]≤Pw(i)≤[Pg(i-1)+ΔPav],则Pg(i)=Pw(i);如果Pw(i)<[Pg(i-1)-ΔPav],则Pg(i)=Pg(i-1)-ΔPav。第3步:计算第i时段储能系统蓄存或释放的电量,如果Pw(i)>Pg(i),则i时段风电场直接输入电网的功率取为Pwg(i)=Pg(i),风电场输入储能系统的功率取为Pws(i)=Pw(i)-Pwg(i),储能系统蓄存的电量为Pws(i)Δt;如果Pw(i)=Pg(i),则i时段风电场直接输入电网的功率取为Pwg(i)=Pw(i),储能系统不工作(既不储能,也不释放电能);如果Pw(i)<Pg(i),则i时段风电场直接输入电网的功率取为Pwg(i)=Pw(i),储能系统输入电网的功率取为Psg(i)=Pg(i)-Pwg(i),储能系统释放的电量为Psg(i)Δt。第4步:时间转到下一时段,并转回第1步。上述功率平滑控制策略的前提是假设储能系统容量足够大,即要满足功率平滑目标,必须配置充足的储能系统容量。但是,储能系统容量的需求量又与风速时间分布曲线密切相关,面对千变万化的风速曲线,很难找到一个完全满足要求的储能系统容量值。加之储能系统价格昂贵,在实际工程中几乎不可避免地会出现储能系统容量不足的问题。因此,该控制策略的应用受到限制。对于储能系统容量受限的风电场,其有功功率平滑可以采用下述功率平滑控制策略。2.2储能系统存电量约束时功率平滑控制设风电场的储能系统总容量为Cmax,第i时段储能系统的存电量为Mess(i),储能系统的相对存电量定义为存电量与储能系统总容量之比,即该比值可以很好地描述储能系统当前的储能状态。当E(i)的值比较大时,储能系统的存电量较多,储能系统用于储能的空余容量较少,此时应该减少能量蓄存,增大并网功率Pg,让更多的风电功率直接输入电网;当E(i)的值较小时,储能系统的存电量较少,储能系统用于储能的空余容量较大,此时应该增加能量蓄存,减小并网功率Pg,让更多的风电蓄存于储能系统,以便在风电出力不足时,储能系统有足够的蓄存能量来补足风电缺额。因此,可以采用E(i)作为功率平滑的参考变量。功率平滑控制的关键参数Pg可按下式确定当E(i-1)=0时,Pg(i)=0,此时风电场的输出功率全部用于储能系统储能;当E(i-1)=1时,Pg(i)=PR,风电场的输出功率全部直接输入电网。由此可见,即使在储能系统存电量为零的情况下储能系统也不会出现缺电现象;即使在储能系统蓄满能量的情况下风电场也不会出现弃风现象。具体的功率平滑控制算法也有4个步骤。第1步:计算第i时段风电场输出功率Pw(i)。第2步:确定第i时段功率平滑控制系统的并网功率Pg(i)。第3步:确定第i时段储能系统的工况,若Pw(i)>Pg(i),储能系统工作于储能状态,Pwg(i)=Pg(i),Pws(i)=Pw(i)-Pwg(i),Psg(i)=0;当Pw(i)=Pg(i)时,储能系统不工作,Pwg(i)=Pw(i),Pws(i)=0,Psg(i)=0;当Pw(i)<Pg(i)时,储能系统工作于释放电能状态,Pwg(i)=Pw(i),Pws(i)=0,Psg(i)=Pg(i)-Pwg(i)。第4步:时间转到下一时段,并转回第1步。该算法高效充分地利用了储能系统的储能潜力。由于以储能系统的存电量作为功率平滑控制的决策参数,因此该算法不会出现储能系统的储能容量和存电量不够问题,风电场无弃用风能。然而,基于储能系统容量约束的功率平滑控制算法没有考虑功率平滑目标参数要求,而在实际工程中往往对平滑效果有指标要求。为此,提出下文将要介绍的同时兼顾目标参数要求和储能系统容量限制2个因素的功率平滑混合控制算法。2.3储能系统并网功率的确定方案将上述2种功率平滑控制策略相结合的混合控制算法的基本思想是:在储能系统存电量已满的情况下,如果风电功率增量超限,则将弃用一部分风能;在储能系统存电量为零的情况下,如果风电功率减量超限,则让风电场暂时解列脱离电网,此时风电场出力全部用于储能系统储能,直到储能系统存电量达到一定要求,且风电场输出功率大于零时,才重新并网。该混合控制算法同样有4个步骤。第1步:计算第i时段风电场输出功率Pw(i)。第2步:确定第i时段功率平滑控制系统的并网功率Pg(i),根据储能系统的储能状态计算并网功率Pg(i),即Pg(i)=PRE(i-1),并对Pg(i)进行修正,使并网功率的波动幅度满足目标参数要求,如果Pg(i)>[Pg(i-1)+ΔP/n],则Pg(i)=Pg(i-1)+ΔP/n;如果Pg(i)<[Pg(i-1)-ΔP/n],则Pg(i)=Pg(i-1)-ΔP/n。第3步:确定第i时段功率平滑控制系统的工况,(1)当Pw(i)>Pg(i)时,风电场承担全部并网功率,风电场的剩余功率用于储能系统储能,如果储能系统储能已满,则弃用剩余风能;(2)当Pw(i)=Pg(i)时,风电场输出功率全部直接输入电网,储能系统不工作;(3)当Pw(i)<Pg(i)时,如果储能系统的存电量够用(即Mess(i-1)≥[Pg(i)-Pw(i)]Δt,则由风电场和储能系统共同承担并网功率,风电场输出功率全部直接输入电网,并网功率的缺额部分由储能系统补足;否则,让风电功率平滑控制系统从电网解列,风电场的输出功率全部用于储能系统储能,直到Mess(i-1)≥Cmax/2且Pw(i)>0才让其重新并列。第4步:时间转到下一时段,并转回第1步。该算法采用弃用一部分风能和暂时解列离网2种方案来解决储能系统容量不足的问题,该思路比较符合工程实际。3风电场风速采样下面以风电场的短期功率平滑控制为例,分析上述3种功率平滑控制策略的平滑效果。某风电场的有效装机容量为100MW,风电场的切入风速为3.5m/s,额定风速为13.5m/s,切出风速为25m/s。风电场的风速采样时间间隔Δt为1min,风速样本如图3所示。该风速样本的平均风速为6.307m/s,对应的风电场平均输出功率为28.685MW。3.1不同平滑参数下功率平滑仿真当平滑时间窗口长度T=10Δt=10min,功率波动限值ΔP=10%PR=10MW,储能系统的初始存电量为15MW·h时,功率平滑效果及对应的储能系统存电量过程曲线如图4所示(Plevel为平滑指标)。由图4可见,储能系统存电量过程曲线的最大值为24.9167MW·h,最小值为12.35MW·h,因此,此时功率平滑控制系统应配置的储能容量为12.5667MW·h。平滑后的Plevel值显著小于平滑前,说明平滑效果较好。为比较不同参数下的功率平滑效果,改变平滑时间窗口长度T和功率波动限值ΔP,重新进行仿真,仿真结果表明,在平滑时间窗口长度T一定时,ΔP取值越小,并网功率Pg波动越小,功率曲线越平滑;在功率波动限值ΔP一定时,T取值越大,并网功率越平稳,Pg曲线越平滑。功率平滑所需储能容量Cmax随功率平滑目标参数(即窗口长度)T和ΔP的变化情况如图5所示。图5中平滑时间窗口长度T采用t=T/Δt(即窗口数);功率波动限值ΔP采用标么值Δpp.u.表示,Δpp.u.=ΔP/PR。3.2储能系统总容量对功率平滑效果影响仿真结果将上述风速样本数据用基于储能系统容量约束的控制算法来进行功率平滑处理,储能系统总容量取为Cmax=20MW·h,储能系统的初始存电量取为Mess(0)=10MW·h,其他参数均不变,计算结果如图6所示。由仿真结果可以看出,平滑效果较好,平滑后的Plevel值比平滑前小很多。比较图4和图6可以发现,基于目标参数的功率平滑控制策略的起始并网功率取决于风电场的初始出力,而基于储能系统容量的功率平滑控制策略的起始并网功率取决于储能系统的初始存电量,2种控制策略的平滑效果差异较小。改变储能系统总容量Cmax和储能系统的初始存电量Mess(0),重新仿真,可以对比不同参数下的功率平滑效果。仿真结果表明,储能系统总容量Cmax越大,功率平滑效果越好。初始存电量只对开始一段时间的并网功率有影响。3.3功率平滑仿真结果仍然采用前述风电场数据,储能系统总容量取为Cmax=20MW·h,储能系统的初始存电量取为Mess(0)=10MW·h,其他参数均不变,用上述同时兼顾目标