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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0.01 Hz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