新能源大基地風(fēng)光火儲控制系統(tǒng)研究

朱 潔 劉孝鑫 于 佼 常雪劍 張海英

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司）

0 引言

新能源基地混合能源控制系統(tǒng)是一種集成多種能源形式的系統(tǒng)，通過智能控制和優(yōu)化算法，實現(xiàn)對不同能源的調(diào)度和協(xié)調(diào)管理，以提高能源的利用效率和系統(tǒng)的可靠性。混合能源控制系統(tǒng)是未來能源系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢，可以充分利用不同能源的特點，實現(xiàn)能源的高效利用和低碳排放。混合能源控制系統(tǒng)的研究旨在通過智能化控制和優(yōu)化算法，實現(xiàn)多種能源的協(xié)調(diào)管理和高效利用，以促進(jìn)能源系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展和能源利用的優(yōu)化。未來，隨著科技的發(fā)展和能源領(lǐng)域的進(jìn)步，混合能源控制系統(tǒng)將會發(fā)揮越來越重要的作用，為能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和能源利用的改善提供技術(shù)支持和創(chuàng)新方案［1-3］。

本文設(shè)計了一個風(fēng)光火儲控制系統(tǒng)，解決新能源大基地多能源協(xié)調(diào)控制問題，提出基本算法、建立仿真平臺，實現(xiàn)控制功能。主要研究了混合可再生電力系統(tǒng)（HRPS）系統(tǒng)包含風(fēng)能（WT）、火力發(fā)電（MT）、光伏（PV），電池儲能（ESS），以及傾卸負(fù)荷的并網(wǎng)和離網(wǎng)，WT/MT/電池的混合發(fā)電可以提供最合適的選擇，所提出的HRPS在切換控制和能量管理算法下運(yùn)行。它根據(jù)不同的風(fēng)速和負(fù)載條件使用所有的能源和存儲系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)來自WT以及MT的多余電力可以用于給電池充電，也可以發(fā)送到本地電網(wǎng)或卸載負(fù)載，與此同時，電池反應(yīng)非常快，也證實了在風(fēng)速突然變化的瞬態(tài)期間電網(wǎng)具有更好的穩(wěn)定性。

1 混合能源系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由兩條總線組成；直流母線和交流母線。風(fēng)力發(fā)電機(jī)（WT）、光伏發(fā)電（PV）、火力蒸汽輪機(jī)（ST）、電池儲能系統(tǒng)（ESS）和卸載負(fù)載連接到直流母線，而公用電網(wǎng)連接到交流母線。風(fēng)能被視為主要來源。為了調(diào)節(jié)WT和ST的輸出電壓，使用了兩個非隔離的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器（用作電壓調(diào)節(jié)器），而電池的雙向功率流是通過降壓-升壓轉(zhuǎn)換器完成的。轉(zhuǎn)儲負(fù)載是與DC連接的電阻負(fù)載，以消耗系統(tǒng)中可能存在的任何剩余功率。卸載負(fù)載可以是任何電動車輛蓄電池或用于冷卻系統(tǒng)的空氣冷卻器。永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）用于WT和ST。由于其自激特性，PMSG具有較高的功率因數(shù)和效率。理想情況下，直流母線上的凈功率應(yīng)為零；因此，連接電池以利用系統(tǒng)提供的任何多余電力。直流母線的輸出通過三相變換器與交流母線同步。所有能源之間的電力傳輸和共享由開關(guān)控制和能量管理算法（SCEMA）管理。所提出的算法的動態(tài)性能和穩(wěn)定性需要在一段時間內(nèi)對混合系統(tǒng)進(jìn)行仿真。因此，對每個不同部件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真模型。

2 系統(tǒng)組件的控制

2.1 風(fēng)力發(fā)電控制

最佳扭矩控制用于通過改變渦輪機(jī)速度來獲取可變風(fēng)速下的最大風(fēng)力，而最佳葉尖速比λoрt不受影響。根據(jù)扭矩［4-5］，風(fēng)力渦輪機(jī)的機(jī)械功率PM為：

TM是渦輪機(jī)的機(jī)械扭矩，給出為：

根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)中提取最大功率的最佳扭矩控制原理。其中，ωM是用于計算參考扭矩的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。使用發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)來計算最佳扭矩的Tr。在穩(wěn)定狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩TM等于其參考轉(zhuǎn)矩Tr，并且達(dá)到最大功率點。

2.2 光伏發(fā)電控制

光伏發(fā)電最大功率點跟蹤器是一種電子DC-DC轉(zhuǎn)換器，它優(yōu)化光伏電池板與電池存儲或傳統(tǒng)電網(wǎng)之間的匹配，以最大化輸出功率。太陽輻射和溫度對光伏系統(tǒng)的輸出功率特性有影響，其中輻照度和溫度曲線的目的是非線性的。此外，在白天，太陽輻射量會有出乎意料的變化。對于這些情況，當(dāng)光伏的最大功率點連續(xù)移動時，光伏系統(tǒng)的工作點需要移動以最大化所產(chǎn)生的能量。因此，為了將光伏陣列的工作點保持在其最大功率點，使用了最大功率點跟蹤技術(shù)（MPPT）。

恒壓方法是MPP算法的穩(wěn)定電壓，它在不可預(yù)測的環(huán)境條件下自發(fā)地調(diào)節(jié)參考電壓。隨著天氣條件的不同，一個簡單的模擬前饋脈寬調(diào)制控制器正在創(chuàng)建，以跟蹤太陽能電池陣列的最大功率點。由于其他恒壓MPPT方法的環(huán)境是由太陽能陣列電源配置的，因此在不破壞負(fù)載的整個電源的情況下測試開路電壓。基于對增量電導(dǎo)法在MPPT中使用公式的觀察

式中，IPV和VPV分別是PV陣列的電流和電壓。當(dāng)P-V平面中的理想操作點位于MPP的右側(cè)時，我們具有(dIPVdVPV)+(IPVVPV)<0，而理想操作將位于最大功率點的左側(cè)，具有(dIPVdVPV)+(IPVVPV)>0。最大功率點之后是區(qū)分直接電導(dǎo)(IPVVPV)和增量電導(dǎo)(dIPVdVPV)。因此，數(shù)量標(biāo)記(dIPVdVPV)+(IPVVPV)顯示了引起MPPT的擾動的適當(dāng)方向。除非在達(dá)到最大功率點時注意到dIPV的變化，否則光伏陣列的運(yùn)行保持在這一點并且擾動結(jié)束。在這種情況下，算法減少或增加Vr跟蹤新的最大功率點。

當(dāng)MPPT達(dá)到時，理論上可以發(fā)現(xiàn)增量算法何時可以停止擾動。增量算法在快速變化的大氣條件下具有很好的性能。增量電導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)點是效率高，約為98%，可靠性高。而對于缺點，設(shè)計的復(fù)雜性是比較困難的。與其他技術(shù)相比，這種設(shè)計的成本更高，也更復(fù)雜。

2.3 火力發(fā)電控制

通常火力發(fā)電控制主要通過蒸汽輪機(jī)控制實現(xiàn)，ST通過調(diào)節(jié)兩個量來控制，即實際輸出功率和轉(zhuǎn)子速度。使用比例積分（PⅠ）控制器進(jìn)行控制。在控制器之后，輸出受到渦輪機(jī)中的低值門的控制。渦輪機(jī)的輸出是機(jī)械功率需求，該機(jī)械功率需求被饋送到PMSG。

2.4 電池儲能系統(tǒng)的控制

DC/DC降壓-升壓轉(zhuǎn)換器將儲能系統(tǒng)ESS連接到DC總線。降壓模式用于給電池充電，而升壓模式用于對電池放電。比例-積分-微分（PⅠD）控制器用于控制電池的DC/DC降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。誤差信號是轉(zhuǎn)換器的輸出電流和參考電流之間的差，被饋送到PⅠD控制器。控制信號被提供給PWM發(fā)生器。DC/DC轉(zhuǎn)換器基于PWM發(fā)生器給出占空比產(chǎn)生輸出電流。

圖1 蓄電池儲能控制系統(tǒng)

3 SCEMA系統(tǒng)分析

切換控制與能量管理算法（SCEMA）通過WT、PV、ST、ESS、卸載負(fù)載和并網(wǎng)負(fù)載的協(xié)調(diào)，確認(rèn)HRPS的連續(xù)工作。SCEMA操作分為兩層。在第一層中，SCEMA預(yù)測特定時間段的風(fēng)速和負(fù)荷分布。在第二層中，根據(jù)風(fēng)速和負(fù)荷分布以及能量備份狀態(tài)，決定每個子系統(tǒng)的運(yùn)行條件。基于該要求，SCEMA為HRPS中所附的能源和/或功率轉(zhuǎn)換器提供控制信號。SCEMA采用操作方案如下：

WT被用作滿足負(fù)載需求的主要來源。如果WT未能滿足負(fù)載需求，則剩余負(fù)載被施加到ST。類似地，如果MT不能滿足電力需求，則剩余負(fù)載被施加PV以及電池系統(tǒng)上。最后，如果整個系統(tǒng)無法承受負(fù)荷需求，那么剩下的唯一選擇就是從當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)電站進(jìn)口電力類似地，如果WT最初滿足負(fù)載并產(chǎn)生大于負(fù)載需求的輸出，則多余的功率用于電池儲能系統(tǒng)充電。如果電池已經(jīng)充滿電或充電緩慢，而系統(tǒng)中存在一些電力，則剩余電力將輸送到負(fù)載電網(wǎng)，然后再輸送到卸載負(fù)載。

4 實例分析

在設(shè)計的HPS中，使用了68kW的風(fēng)力渦輪機(jī)，其切斷速度為12m/s，蒸汽輪機(jī)30kW，2×300Ah的電池儲能組，PV 20kW，100kW的主變流器和30kW的電阻卸載。對SCEMA在可變風(fēng)速和動態(tài)載荷條件下的性能進(jìn)行了評估。風(fēng)力發(fā)電的最大功率是通過最佳扭矩控制獲得的，但SCEMA代表負(fù)載功率要求生成ST、ESS、PV卸載負(fù)載的參考。SCEMA中使用的控制策略確保了對負(fù)載的持續(xù)可靠供電。為了提供SCEMA所有運(yùn)行模式的結(jié)果，考慮了一天的模擬。

圖2顯示了風(fēng)力渦輪機(jī)每小時的可變風(fēng)速和捕獲功率。從圖2中可以清楚地看出，當(dāng)速度高時，會產(chǎn)生更大的功率，反之亦然。

圖2 風(fēng)速剖面圖和WT輸出功率

為了更好地理解，取一天中的兩個時段的模擬結(jié)果被劃分為2個時隙，每個時隙6h。

本研究中為突出主要控制效果，搭建模型仿真時未考慮諧波影響，并濾除非必要的影響因素。

根據(jù)ⅠEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)載均方根電壓、頻率和 THD的最大允許偏差分別為±6%、±0.8%和5%。負(fù)載均方根電壓和頻率分別為±0.05р.u和±0.008р.u。從圖3可以清楚地看出，所有的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性參數(shù)都在可接受的范圍內(nèi)，這說明使用HRPS系是穩(wěn)定的。

圖3 負(fù)載電壓方面的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性參數(shù)（a）電壓（p.u） （b）頻率（p.u） （c）THD%

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了新能源基地風(fēng)能，光伏，火力發(fā)電，儲能系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的結(jié)合，該混合能源系統(tǒng)為負(fù)荷提供24h的高可靠性輔助電力。所有系統(tǒng)組件都由各自的本地控制器控制，而之間的整體協(xié)調(diào)和能量管理則由開發(fā)的SCEMA實現(xiàn)。SCEMA的明顯優(yōu)點是它可以保證24h的供電，并具有更好的電能質(zhì)量。在風(fēng)速和載荷變化的真實世界記錄下測試了所提出的HRPS的動態(tài)行為。通過仿真驗證了該系統(tǒng)的有效性。