應用于平抑風功率的燃氫燃氣輪機儲能系統控制策略研究

王陽墚旭，高 進，吳 柯，馬榕谷，李 瑾

（1. 新疆工程學院 能源工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；2. 國網烏魯木齊供電公司 ，新疆 烏魯木齊 830000）

隨著風力發電的輸出電能在電力系統中所占比重的增加，其輸出功率的波動性給電網運行帶來的不利影響日趨嚴重。為了提高風電場并網運行能力，越來越多的研究人員采用儲能技術對風機機組輸出功率進行調控，使風電場效益最大化。綜合儲能系統容量、壽命、成本等因素，儲能系統應具備存儲密度高、使用壽命長的特點。

目前關于儲能系統用于平抑風功率的研究重心主要在：儲能系統的選擇、儲能功率和容量配置、平抑波動控制算法和能量管理方法。儲能系統有平抑短時波動和平抑長時波動兩種常用分類，常用的平抑短時波動的儲能系統有超級電容，平抑長時波動的儲能系統有電池儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能等。基于儲能系統需要能量密度大、充放電次數多、使用壽命長、環境限制較少等特點，本文提出一種微型燃氣輪機儲能系統，其運行穩定，在風電領域中常用作聯合發電。國內外有學者在研究氫儲能消納多余風能時多采用氫燃料電池等。基于氫的熱值高、無污染等優勢，近年來，不少學者選擇氫作為燃氣輪機工質。

在滿足儲能系統容量等目標時，除了需要考慮除儲能系統自身的影響外，還要考慮風功率波動時用以平抑波動所用控制策略的影響。常用的平抑波動控制策略有一階濾波控制算法、卡爾曼濾波和模型預測控制等，以及從基礎控制算法、濾波算法中衍生出的聯合控制算法，如滑動濾波和模糊控制、預測模型和模糊控制等。考慮到儲能系統的不確定性和并網風功率的限制條件，本文選擇低通濾波器結合模糊控制的平抑控制策略。

2 儲能系統結構

燃氫燃氣輪機儲能系統主要由電解槽、儲氫罐、燃氣輪機、控制系統組成。

風電輸出功率會受到并網功率的限制，高于或低于限制值的風電輸出功率均無法直接并入電網。高于限制值的風電輸出功率可通過電解槽儲存在儲氫罐中；當風電輸出功率低于限制值時，儲氫罐釋放氫能，燃氫燃氣輪機開始工作，輸出的電能接入電網。通過此途徑實現“削峰填谷”。

在風電輸出功率后加入判斷策略，以確定輸出功率是否在并網所要求的功率限制范圍內；“削峰填谷”時需用到平抑控制策略，平抑控制策略采用低通波器結合模糊控制；儲氫罐容量未確定時，以設定值作為暫定值，結合控制策略結果和風功率變化情況求得儲氫罐容量的確定值。

圖1為系統結構圖。

圖1 系統結構圖Fig. 1 System structure

3 仿真系統建模

3.1 數學模型和控制策略

燃氫燃氣輪機輸出功率為

式中：為輸出功率；為燃氫燃氣輪機系統效率，燃氫燃氣輪機系統包括燃氣輪機壓氣機、燃燒室、燃氣輪機；為生產每kW·h 電所需要的氫氣量；為輸入燃氫燃氣輪機的氫氣量。

仿真計算時風功率采用歷史風功率數據。對電解槽、儲氫罐及燃氣輪機進行數學建模。

電解槽產生的氫氣量為

式中：為輸入電解槽的功率；為電解槽效率；為每kW·h 電能夠制取的氫氣量。

儲氫罐存儲的氫氣能可表示為

式中：為儲氫罐存儲效率；為時間； Δ為時間間隔。

在風電不足時燃氫燃氣輪機消耗儲氫罐中的氫氣來輸出功率以彌補所缺少的功率。

本文中燃氫燃氣輪機儲能系統主要由電解槽、儲氫罐、燃氫燃氣輪機系統三部分組成。電解槽效率、儲氫罐存儲效率、燃氣輪機系統效率的計算方法已在上述公式中分別表述，儲能系統效率則為這三部分效率的乘積。

3.2 仿真參數

為了驗證低通濾波結合模糊控制的控制策略用于平抑風功率的效果，首先在simulink 軟件中搭建主要由燃燒工質是氫氣的燃氣輪機所構成的儲能系統整體模型，然后采用歷史風功率數據作為輸入數據進行仿真。其中，所用的仿真數據為某風電場15 臺1.5 MW 風機的歷史風功率數據。

在24 h 內按分鐘級處理數據，選取共計1 440個數據點。選取風功率的中間值，并將該值波動10%作為平抑后的目標功率。基于確定的目標功率對濾波器的通過頻率和截止頻率進行定義，經低通濾波器得到平抑后的風功率、儲氫罐容量和燃氣輪機輸出功率曲線。

已知條件是歷史風功率，根據本文的平抑要求，得到平抑后可直接并入電網的風功率以及冗余風功率，冗余風功率被電解槽、儲氫罐、燃氣輪機系統存儲作為備用電能使用。通過低通濾波器結合模糊控制對風功率進行平抑，在獲得理想平抑后風功率時得到儲氫罐應設置的容量、電解槽輸入電能（即冗余風功率）、電解槽輸出氫氣量（即儲氫罐輸入氫氣量，以儲氫罐容量表示）、燃氣輪機參數。

仿真的限制條件：①取風電場一天中每min風功率中間值波動10%作為平滑效果的平抑指標；②儲能系統在滿足儲能時燃氣輪機不工作，耗能時燃氣輪機工作，在滿足控制要求的同時，提高儲能系統自身利用率，即提高系統穩定性。

求解流程如圖2 所示。

圖2 求解流程Fig. 2 Flow chart of solution

3.3 仿真分析

分別在僅采用低通濾波器、采用低通濾波器結合模糊控制的兩種不同控制策略下，對風電場輸出功率作平抑，其仿真結果對比如圖3 所示。

圖3 在僅采用低通濾波器、采用低通濾波器結合模糊控制的控制策略下平抑風功率對比Fig. 3 Comparison of wind power smoothing between low-pass filter and combined fuzzy control and low-pass filter

對比兩種控制策略的平抑結果可知：在僅采用低通濾波器平抑風功率時會出現時延現象，當加入模糊控制協同低通濾波器平抑風功率時能夠取得較好的平抑效果，可滿足仿真限制條件。

根據所得到的整體系統特點，設定模糊控制下的控制器輸入及輸出值，即輸入及輸出的隸屬度函數。按照本文中的要求，經過分析得到平抑后風功率的功率狀態值的模糊論域為{-2, -1, 0,1, 2}，其對應的模糊語言變量P 為{PB, PS, ZO,NS, NB}。僅在模糊控制下的低通濾波這一個模型時，將風功率作為輸入量，調整平抑后風功率的功率狀態值的模糊規則表如表1 所示。

表1 調整平抑后風功率的功率狀態值的模糊規則表Tab. 1 Fuzzy rule of state of power after smoothing wind power

原始風功率與平抑后風功率相減得到的仿真結果如圖4 所示。

圖4 原始風功率減去平抑后風功率Fig. 4 Difference between original and smoothed wind power

本文中儲氫罐參數未確定，燃氣輪機的類型未選定。在仿真中暫時將儲氫罐定義為壓力確定，容量未定；將燃氣輪機暫定為微型燃氣輪機，且輸入氫氣量暫定為0.017 m（通過微型燃氣輪機輸出功率范圍大致確定微型燃氣輪機的輸入氫氣量）。在儲能系統中加入對儲氫罐容量的模糊自適應控制，儲氫罐初始容量通過模糊控制后，容量參數作自適應調整，以保證獲得穩定的儲氫罐容量范圍，從而確定儲氫罐容量

其中儲能系統的輸入功率狀態值的模糊論域為{-1, 0, 1}，其對應的模糊語言變量 ΔP為{PS,ZO, NS}。同樣，僅采用低通濾波器控制策略時，將風功率作為輸入，調整儲能系統輸入功率的模糊規則表，如表2 所示。

表2 調整儲能系統輸入功率的模糊規則表Tab. 2 Fuzzy rule for adjusting input power of energy storage system

此時，經過仿真，儲氫罐容量對比如圖5 所示。

圖5 儲氫罐容量對比Fig. 5 Comparison of hydrogen storage tank capacity

在前文已經提到，燃氣輪機的輸出功率暫定為0.1 MW，即所需要的燃氣輪機的氫氣量暫定為0.017 m。為了保持燃氣輪機輸出功率的穩定，需要在原始風功率與平抑風功率差值為負時，儲氫罐恒定輸出0.017 m的氫氣量以供燃氣輪機運行。圖6 為儲氫罐在存儲及供給燃氣輪機恒定氫氣量后的仿真結果。

圖6 儲氫罐在存儲及供給燃氣輪機后的容量變化Fig. 6 Capacity fluctuation between hydrogen storage and supply to gas turbine

當原始風功率與平抑風功率差值為負值，且儲氫罐容量≤0.017 m時，燃氣輪機將停止工作，不再產生輸出功率。

4 結論與展望

本文中將低通濾波器與模糊控制相結合用于實現預期風功率的目標功率具有較大的實用價值。加入模糊控制后，低通濾波器出現的時延現象在仿真結果中未出現，低通濾波器結合模糊控制下的目標功率滿足仿真限制條件一，且效果較好；將燃氣輪機的類型初步定為微型燃氣輪機，當輸出功率為0.1 MW 時，加入模糊控制后儲能系統輸入功率所得到的儲氫罐容量較原始儲氫罐容量高，儲氫罐容量超過0.017 m有更大空間，且整體仿真結果表明（即將儲氫罐在整個時間過程內儲存氫氣及供以氫氣后的容量變化）儲氫罐容量可以在一定范圍內得到確定，這進一步體現了該方法對燃氫燃氣輪機儲能系統平抑風功率的準確性，也為對燃氣輪機儲能系統用以平抑風功率的實現提供了理論支持。

上述兩種情況均未考慮燃氣輪機的啟停時間以及儲氫罐容量的預估值變化對燃氣輪機運行的影響。在進一步實現風功率平抑利用時，可將風功率預測與儲氫罐容量變化預測相結合，并加入對燃氣輪機啟停時間的預判，提高建模的準確性，進而提高仿真結果的準確性和實用價值。