基于新型重力儲能的風儲一體化系統設計

摘要：風力發電的輸出存在隨機性、間歇性等缺陷，給電網的安全穩定運行帶來極大壓力。重力儲能由于自身的工作機理，具備全生命周期成本低、往返效率高、充/放電持續時間靈活、安全、無退化等優勢。現考慮選擇新型重力儲能技術來改善風力發電的出力，對直驅式風電機組并網模型和新型重力儲能系統模型分別進行研究，在此基礎上設計了一種基于新型重力儲能的風儲一體化系統。通過仿真分析，驗證了所設計的風儲一體化系統能夠有效改善風力發電出力的缺陷，提升高風電滲透率下電網的穩定性。

關鍵詞：重力儲能;風力發電;功率平衡;風儲一體化

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）18-0026-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.007

0 引言

風力發電作為可再生能源的重要組成部分，在電力系統的能源轉型升級中發揮著重要的作用。隨著風電機組并網規模的不斷擴大，風力發電自身存在的隨機性、間歇性等缺陷會影響到電網的安全穩定運行。采用儲能技術可以有效改善風力發電出力的不確定性，平抑功率波動，保證電力輸出的穩定性和連續性，實現風電的友好并網[1]。

重力儲能通過重物的提升和下放來實現充/放電，相較于其他儲能技術，具備全生命周期成本低、往返效率高、充/放電持續時間靈活、安全、無退化等優勢。

目前的技術方案包括活塞式重力儲能技術、依托山體的重力儲能技術、基于廢棄礦井的重力儲能技術、依托架空索道的重力儲能技術、采用儲能塔結構的塔吊式儲能技術等[2]。相較于這些或對建設場地有特殊需求、或對重物的堆疊方式和高度有嚴格穩定性要求的技術方案，采用基于電梯和框架式構筑物的新型重力儲能技術能克服以上缺陷，具備選址靈活、適應性廣泛的優點。

本文首先分析了直驅式風電機組并網模型和新型重力儲能系統模型，采用新型重力儲能來改善風力發電系統的輸出，提出了基于新型重力儲能的風儲一體化系統，并對該系統進行了仿真分析。仿真結果表明，所設計的風儲一體化系統能夠有效平滑風電出力的波動，提升電網的安全穩定性能。

1 直驅式風電機組并網模型

直驅式風電機組并網的模型主要由風輪、永磁同步發電機、機側變流器、直流電容、網側變流器組成，永磁同步發電機采用“AC-DC-AC”背靠背變流器結構進行并網[3]。

風輪能夠轉化的風能功率（輸出機械功率）Pw為：

Pw=ρACp（λ，β）vw3 （1）

式中：ρ為空氣密度;A為風電機組葉片掃過的面積;Cp為風能利用系數，是風力機將風能轉化成機械能的效率;vw為風速;λ為葉尖速比，是風輪葉片尖端線速度與風速之比;β為槳距角，指風機葉片與風輪平面的夾角。

其中風能利用系數Cp的計算公式為：

Cp（λ，β）=0.517 6

-0.4β-5e

+0.006 8λ，

=

-

，

λ=

（2）

式中：λi為求解風能利用系數Cp的中間變量;ωm為風電機組的機械角速度;R為葉片掃過面積對應的半徑;vm為風電機組的葉尖線速度。

在風力發電系統中，為保證最大限度對風能的利用，通常采用最佳葉尖速比法來實現風能的最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。由風能利用系數的公式可知，Cp與葉尖速比和槳距角β相關，當槳距角β恒定不變時，風能利用系數存在最大值Cpmax，此時對應的葉尖速比為最佳葉尖速比λopt。β=0時，計算得到Cpmax和λopt分別為0.48和8.1。由式（2）可得風力發電的最大功率為：

P

=koptωm3，

kopt=

ρACpmax

3 （3）

式中：kopt為最大功率跟蹤系數。

2 新型重力儲能系統模型

如圖1所示，新型重力儲能系統由儲能重物、儲能重物的支撐框架結構、儲能電機、鋼絲繩卷筒、鋼絲繩、傳動機構、電梯等構成[4]。其中，儲能電機通過傳動機構與鋼絲繩卷筒相連，鋼絲繩一端纏繞在鋼絲繩卷筒上，另一端懸掛著電梯轎廂。

新型重力儲能充電時，儲能電機作為電動機，消耗電能驅動電機旋轉，帶動鋼絲繩牽引重物上行，電能轉化成重物的重力勢能存儲起來;放電時，儲能電機工作在發電機狀態，重物下行，牽引鋼絲繩拖動電機旋轉發出電能，重物的重力勢能轉化成電能并入電網。

作為系統中重力勢能與電能之間機電能量轉換的核心，儲能電機需要工作在發電機/電動機兩種不同工況下，選擇能夠雙向旋轉的發電電動機作為儲能電機。永磁同步電機（PMSM）具備結構簡單、體積小、功率因數和效率高，可以在較寬的負載范圍內保持優良性能等優勢，因此選擇PMSM作為新型重力儲能的儲能電機[5]。

2.1 儲能的充/放電過程

新型重力儲能系統在工作時，由于其自身的結構特點，儲能的單次充/放電過程對應著電梯及重物的單次上行/下行運動行程。理想情況下，單個行程的充/放電過程可大致劃分為：初始加速階段、勻速工作階段和減速停運階段[6]。

在充/放電過程的初始階段，重物的上行/下行速度在鋼絲繩牽引力和重物及電梯重力的作用下從零開始加速，加速到儲能電機額定轉速對應的上行/下行速度后，進入勻速工作階段;在勻速工作階段，儲能電機以額定轉速旋轉，輸出額定的充/放電功率，該階段是新型重力儲能的主要出力階段;當儲能的充/放電功率指令減小到零或電梯即將到達框架式構筑物的頂層/底層時，進入減速停運階段，使重物和電梯平穩停在建筑的目標層，結束單次充/放電過程。

在此過程中，新型重力儲能的充/放電功率為：

PGB（t）=FGB（t）·v（t） （4）

式中：FGB（t）為t時刻鋼絲繩對承載重物的電梯所施加的牽引力;v（t）為電梯在t時刻的上行/下行運動速度，規定上行方向為v（t）的正方向，v（t）>0時，電梯上行，v（t）<0時，電梯下行。

鋼絲繩施加的牽引力FGB（t）與重物和電梯所受的重力共同作用產生重物和電梯的加速度a（t），若不考慮重物重力勢能與動能之間能量轉化的損耗，a（t）的表達式為：

a（t）=-g （5）

式中：m、melev分別為重物、電梯的質量。

a（t）>0時，重物速度增大，對應加速階段;

a（t）<0時，重物速度減小，對應減速階段。

在勻速工作階段，重物的加速度為零，此時新型重力儲能的充/放電功率為：

PGB（t）=（m+melev）gv（t） （6）

由式（6）可知，新型重力儲能的充/放電功率與重物和電梯的質量、重物運動速度均成正比。

2.2 儲能的工作特性

對重力儲能系統功率和效率的影響因素研究表明，儲能功率與重物質量、重物上/下運動速度均成正比;儲能效率與重物上/下運動速度成反比，受重物質量的變化影響極小[7]。因此，為了保障系統的功率和效率，新型重力儲能需要工作在低速、高載重的場合，對應的儲能電機選用低速大扭矩PMSM實現重載拖動。

PMSM的負載轉矩是由承載重物的電梯對鋼絲繩所施加的拉力產生，當新型重力儲能的充/放電功率保持基本不變時，該拉力近似可看作重物及電梯自身的重力，其大小和方向均保持不變。相應地，無論PMSM處在發電機或電動機狀態，無論重物上行或下行，PMSM的負載轉矩始終保持恒定[8]。

設上行為重物運動的正方向，對應電機的正轉，轉速為正，電機工作在電動機狀態下，負載轉矩阻礙電動機的轉動，為正;重物下行時，對應電機反轉，轉速為負，電機工作在發電機狀態下，負載轉矩拖動發電機轉動，其方向不變，仍為正。考慮系統中傳動部分、電機等在運行中因摩擦而產生的阻尼轉矩，阻尼轉矩總是阻礙電機的轉動，電機正轉時，阻尼轉矩阻礙電動機的轉動，為正，與負載轉矩作用疊加;電機反轉時，阻尼轉矩阻礙發電機的轉動，為負，與負載轉矩作用相抵消。PMSM的負載轉矩特性曲線如圖2所示，PMSM工作在第一象限（正轉、正載）和第四象限（反轉、正載）。

2.3 儲能并網結構

新型重力儲能并網的結構與直驅式風電機組并網類似，如圖3所示。其中儲能電機同樣采用“AC-DC-AC”背靠背變流器結構進行并網。儲能側變流器通常采用額定轉速指令控制，給定的轉速指令為儲能電機的額定轉速，以確保新型重力儲能輸出額定的充/放電功率;網側變流器采用定直流母線電壓控制，保證直流母線電壓的穩定[9]。

3 基于新型重力儲能的風儲一體化系統設計

3.1 風儲一體化系統設計

風力發電自身出力的特點會導致風電機組輸送到電網的功率存在隨機和間歇的缺陷，無法滿足電網的有功功率需求，對電網的安全穩定運行不利。考慮采用新型重力儲能技術與風力發電相結合的方式構成風儲一體化系統，來改善風力發電輸出功率的缺陷，使風儲一體化系統輸送到電網的功率滿足電網的有功功率需求，進而提高電網的安全穩定性。

直驅式風力發電與新型重力儲能均采用背靠背的“AC-DC-AC”變流器結構進行并網。因此，本文提出一種基于新型重力儲能的風儲一體化系統設計。其中，風電機組和新型重力儲能共用一個直流母線，風電機組經機側變流器與新型重力儲能經儲能變流器并聯在同一個直流母線上，構成基于新型重力儲能的風儲一體化系統，風儲一體化系統經網側變流器進行并網。

基于新型重力儲能的風儲一體化系統結構如圖4所示。

其中，新型重力儲能系統經雙向儲能變流器接在風力發電系統的直流母線上，在直流母線處構成一個三端口網絡。在風儲一體化系統中，新型重力儲能、風力發電和電網之間通過三端口網絡實現系統內部的功率流動。當風機側變流器采用最大功率跟蹤控制時，風電機組能捕獲并輸出最大風功率;電網側變流器采用功率指令控制;新型重力儲能的輸出用于配合風電機組的出力來滿足電網的有功功率需求，故采用定直流母線電壓控制來代替給定轉速控制，通過穩定直流母線電壓來彌補網側功率與風機功率的差值，實現輸送到電網的功率穩定。

3.2 仿真分析

對所設計的基于新型重力儲能的風儲一體化系統進行仿真，仿真參數如表1所示。

設風電機組發出的有功功率、新型重力儲能輸出的有功功率、電網吸收的有功功率分別為Pw、PGESS、Pg。在系統內部功率平衡時，滿足如下公式：

Pw+PGESS=Pg （7）

1）t=0～1 s：風速vw為8 m/s，網側有功功率指令大小設為vw=8 m/s對應的最大風能PMPPT維持不變，此時機側變流器采用最大功率跟蹤控制，Pw=Pg，PGESS=0，新型重力儲能期望輸出為零，不參與動作。

2）t=1～3 s：1 s時風速突增至9 m/s，Pw>Pg，PGESS<0，新型重力儲能充電。

3）t=3～5 s：3 s時風速突降至8.7 m/s，仍滿足Pw>Pg，PGESS<0，新型重力儲能充電，風速減小導致風電機組發出的有功功率Pw減小，進而導致PGESS減小，新型重力儲能的充電功率減小。

4）t=5～7 s：5 s時風速突降至7 m/s，Pw<Pg，PGESS>0，新型重力儲能放電，完成充/放電狀態的轉換。

5）t=7～8 s：7 s時風速恢復至最初的8 m/s，新型重力儲能恢復至不工作狀態。

仿真結果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，對于所設計的基于新型重力儲能的風儲一體化系統，新型重力儲能的輸出功率能夠彌補風力發電輸出的不足，改善風力發電出力的波動性，實現風儲一體化系統輸出到電網的功率穩定可靠。其中，根據風力發電輸出功率對應的儲能充/放電功率需求，新型重力儲能可以實時調整出力，改變儲能電機的轉速大小和方向，儲能電機可以在發電機和電動機兩種狀態下工作。由圖6可知，直流母線電壓能夠穩定在750 V附近。風機出力和網側功率需求的不平衡會導致直流母線電壓偏離參考值，從而引起新型重力儲能動作，以維持直流母線電壓的穩定。

4 總結

本文考慮采用新型重力儲能來改善風力發電出力的波動性和間歇性，提高大規模風力發電并網的安全穩定。通過對直驅式風電機組并網模型和新型重力儲能的充/放電過程、工作特性、并網結構的研究分析，設計了一種基于新型重力儲能的風儲一體化系統，其中，新型重力儲能經變流器并聯在風電機組的直流側。通過仿真分析可知，在所提出的風儲一體化系統中，新型重力儲能的輸出功率能夠彌補風力發電的輸出功率與輸送到電網的目標功率之間的差額，改善風力發電出力的缺陷，維持直流母線電nD0H5VG6ZWHJ9/4dTOokEwTiQBWtiUpGe2OmuAjO3HI=壓的穩定，從而提高電力系統的整體穩定性。

本文所設計的風儲一體化系統未考慮到新型重力儲能輸出存在的間歇對系統內部功率平衡的影響。另外，考慮到單純重力儲能系統在響應特性方面的不足，可考慮將新型重力儲能與其他快速響應的儲能技術相結合，充分發揮多種儲能的優勢。

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收稿日期：2024-05-20

作者簡介：艾比布拉·阿不拉（1965—），男，新疆和靜人，實驗師，研究方向：電機及電氣工程。

努爾買買提·阿布都拉（1970—），男，新疆伊犁人，高級實驗師，研究方向：電氣檢測。