吳 峰，鞠 平，秦 川，李 龍，陶愛峰，孫黎霞

(1.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京 210098;2.可再生能源發(fā)電技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

海洋覆蓋著地球70%的表面，蘊(yùn)涵著巨大能量，據(jù)估算其能量總和大大超過(guò)了目前全球能源的需求。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，可利用的海洋能主要分布在近海。近海能源是清潔的可再生能源，科學(xué)地開發(fā)和利用對(duì)緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，具有重要意義。我國(guó)東部海岸線漫長(zhǎng)，近海可再生能源資源豐富，而恰好我國(guó)東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電力負(fù)荷密集、電網(wǎng)強(qiáng)大，這些都為大規(guī)模的開發(fā)和利用近?？稍偕茉磩?chuàng)造了有利條件和動(dòng)力。與此同時(shí)，我國(guó)正在實(shí)施海洋資源和可再生能源開發(fā)的發(fā)展戰(zhàn)略，近?？稍偕茉醋鳛橐环N重要的海洋資源和清潔能源，其開發(fā)和利用是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的必然要求。由此可見，近?？稍偕茉磳⒊蔀橹袊?guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。

近?？稍偕茉粗饕薪ｏL(fēng)能、波浪能、潮流能、溫差能、鹽差能等。其中，相對(duì)于其他近海能源而言，近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟，已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段［1-19］;波浪能和潮流能發(fā)電技術(shù)近年來(lái)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步［20-39］，各國(guó)科技工作者開發(fā)了多種發(fā)電裝置，部分已經(jīng)建成了試驗(yàn)電站，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，波浪能和潮流能發(fā)電系統(tǒng)將成為繼風(fēng)電之后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的可再生能源;溫差能和鹽差能由于受技術(shù)條件限制，距離實(shí)際開發(fā)利用還有相當(dāng)距離。因此，目前可利用的近?？稍偕茉粗饕ńｏL(fēng)能、波浪能和潮流能。

需要指出的是，波浪能和潮流能發(fā)電系統(tǒng)雖然取得了可喜的進(jìn)展，但波浪能和潮流能裝置的可靠性差是制約其不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的主要因素之一。此外，當(dāng)風(fēng)暴潮來(lái)臨，漂浮的波浪能和潮流能發(fā)電裝置很容易被損壞，這樣不僅由于裝置損毀造成經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還對(duì)過(guò)往船只、海上建筑物和海堤的安全產(chǎn)生巨大威脅。因此不管是從提高波浪能和潮流能發(fā)電裝置可靠性還是從海域和海岸的安全性出發(fā)，都必須有可靠的固定和承載波浪能和潮流能發(fā)電裝置。與此同時(shí)，值得注意的是，近海風(fēng)力發(fā)電裝置的基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)成熟［4］，如果能夠利用近海風(fēng)電的基礎(chǔ)平臺(tái)，融合近海風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電，構(gòu)建近海可再生能源綜合發(fā)電平臺(tái)，不僅能夠大大提高近?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)的可靠性，還為近?？稍偕茉吹纳虡I(yè)化運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

1 研究綜述

近年來(lái)，世界各國(guó)在近?？稍偕茉窗l(fā)電方面開展了廣泛研究，主要研究包括4個(gè)方面的內(nèi)容，即風(fēng)力發(fā)電，波浪能發(fā)電，潮流能發(fā)電，近海可再生能源綜合發(fā)電。

1.1 風(fēng)力發(fā)電

近海風(fēng)能資源豐富，海上風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)發(fā)展迅速，截至2011年底，世界海上風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)4 GW。世界各國(guó)相繼建成了大型的海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。我國(guó)自2004年開始在廣東、上海、浙江、江蘇、山東等沿海地區(qū)規(guī)劃建設(shè)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，并于2010年在上海東海大橋建成了亞洲首座大型近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。

目前對(duì)于近海風(fēng)力發(fā)電的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:(a)近海風(fēng)能資源的評(píng)估及近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的選址［1-5］。一般來(lái)說(shuō)，海上風(fēng)資源的評(píng)估應(yīng)基于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和建模技術(shù)，而海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的選址除了需要考慮風(fēng)能資源、水深和海底地質(zhì)條件以外，在總體規(guī)劃時(shí)對(duì)海上建筑物、輪船航道、漁業(yè)生產(chǎn)和海生動(dòng)物的生態(tài)環(huán)境等的影響也應(yīng)考慮。(b)近海風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究［2-4］。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有重力式結(jié)構(gòu)、單樁結(jié)構(gòu)、三腳架結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和浮式結(jié)構(gòu)，分別對(duì)應(yīng)不同的水深和海床條件。其中單樁結(jié)構(gòu)是目前海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)，其次是重力式結(jié)構(gòu)。(c)近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究［2-3，7-9］。目前海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量主要集中在2 MW至5 MW。采用的發(fā)電形式主要有間接驅(qū)動(dòng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)以及混合式發(fā)電系統(tǒng)?，F(xiàn)在正在開發(fā)的近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量將達(dá)6 MW至10 MW。(d)近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)接入方式［10-12］。一般情況下，近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組按照一定的規(guī)律排列分布，經(jīng)內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)與海上升壓變電站相連接，然后采用交流或者直流方式并網(wǎng)。(e)近海風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行［13-19］。由于風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，會(huì)引起電網(wǎng)子系統(tǒng)之間的功率交換的快速變化，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了重要的影響。并網(wǎng)運(yùn)行方向研究工作開展較多，成果也多，主要包括:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其元件的建模、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的等效建模、含風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析和控制以及電能質(zhì)量問(wèn)題等。

1.2 波浪能發(fā)電

波浪能方面的研究主要集中于波浪能發(fā)電裝置及其控制器的開發(fā)。波浪能發(fā)電裝置多種多樣，按照能量轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行分類，大致分為振蕩水柱式、擺式、筏式、收縮波道、點(diǎn)吸收、鴨式等［20-27］。近年來(lái)建成的振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置主要有英國(guó)的LIMPET(land installed marine powered rnergy transformer)、中國(guó)廣東汕尾100 kW固定式電站。采用筏式波浪能利用技術(shù)的有英國(guó)McCabe波浪泵波力裝置和海蛇(Pelamis)波能裝置［23-24］。收縮波道電站有挪威的350 kW的固定式收縮波道裝置以及丹麥的WaveDragon。點(diǎn)吸收式裝置有英國(guó)的AquaBuOY裝置、阿基米德浮子、PowerBuoy以及波浪騎士裝置等。目前，由3臺(tái)750 kW的海蛇波浪能發(fā)電裝置構(gòu)成的波浪能發(fā)電場(chǎng)已經(jīng)在葡萄牙建成，并已進(jìn)入商業(yè)化試運(yùn)營(yíng)。在波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制和并網(wǎng)技術(shù)方面，采用解耦控制技術(shù)跟蹤波浪能最大功率，設(shè)計(jì)全功率的“背靠背”變換器及其控制策略，以滿足波浪能發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)運(yùn)行的要求［28-32］。

1.3 潮流能發(fā)電

潮流能發(fā)電裝置主要可以分成水平軸式和垂直軸式2種結(jié)構(gòu)［20，33］。目前已研制成功的垂直軸式潮流發(fā)電裝置［34］主要有:加拿大Blue Energy公司研制的試驗(yàn)樣機(jī)，最大功率等級(jí)達(dá)到100 kW;意大利Ponte di Archimede International Sp A公司和Naples大學(xué)合作研發(fā)的130 kW垂直軸水輪機(jī)模型樣機(jī)。此外，美國(guó)GCK Technology公司對(duì)一種具有螺旋形葉片的垂直軸水輪機(jī)(GHT)進(jìn)行了研究。日本大學(xué)對(duì)垂直軸式Darrieus型水輪機(jī)進(jìn)行了一系列的設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)研究［35］。在中國(guó)，哈爾濱工程大學(xué)較早地開展了垂直軸潮流能發(fā)電裝置的研究，研制了40 kW的樣機(jī)并進(jìn)行了海上試驗(yàn)，同時(shí)在垂直軸水輪機(jī)的水動(dòng)力學(xué)方面也開展了大量的理論研究［36］。中國(guó)海洋大學(xué)設(shè)計(jì)了基于柔性葉片的垂直軸潮流能發(fā)電裝置［37］，并對(duì)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

與垂直軸式結(jié)構(gòu)相比，水平軸式潮流能發(fā)電裝置具有效率高、自啟動(dòng)性能好的特點(diǎn)，若在系統(tǒng)中增加變槳或?qū)α鳈C(jī)構(gòu)則可使機(jī)組適應(yīng)雙向的潮流環(huán)境［38］。英國(guó)Marine Current Turbine公司設(shè)計(jì)了世界上第1臺(tái)大型水平軸式潮流能發(fā)電裝置——300 kW的“Seaflow”，并于2003年成功進(jìn)行了海上試驗(yàn)。該公司第2階段商業(yè)規(guī)模的1.2 MW 雙葉輪結(jié)構(gòu)的“Seagen”樣機(jī)也于2008年成功進(jìn)行了試運(yùn)行［33］。在中國(guó)，2005年浙江大學(xué)開始了潮流能發(fā)電裝置的研究，2009年研制成功了25 kW的半直驅(qū)式潮流能發(fā)電機(jī)組，并進(jìn)行了海上試驗(yàn)。2010年開發(fā)了20kW液壓傳動(dòng)式潮流能發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)的功率輸出和變槳距運(yùn)行［39］。另外東北師范大學(xué)也開發(fā)了用于海洋探測(cè)儀器的2 kW低流速潮流能發(fā)電裝置，并對(duì)其中密封、防腐等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1.4 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電

目前在近海可再生能源綜合發(fā)電系統(tǒng)方面的研究還很少。Rahman等［40］提出了基于海上風(fēng)能和潮流能的混合發(fā)電系統(tǒng)，構(gòu)建了仿真系統(tǒng)，通過(guò)仿真模型分析了潮流與海上風(fēng)能之間的相關(guān)性，驗(yàn)證了混合發(fā)電系統(tǒng)的可行性。Da等［41］設(shè)計(jì)了風(fēng)能和潮流能混合發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了兩種發(fā)電裝置的最大功率跟蹤控制。在此基礎(chǔ)上，Rahman等［42］研究利用潮流能發(fā)電機(jī)可在發(fā)電機(jī)狀態(tài)和電動(dòng)機(jī)狀態(tài)靈活切換的特點(diǎn)，平滑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，使得風(fēng)能和潮流能混合發(fā)電系統(tǒng)輸出平穩(wěn)的功率。

2 研究展望

2.1 研究思路

綜上所述，近年來(lái)在近?？稍偕茉窗l(fā)電方面已經(jīng)開展了大量的研究工作，成果主要集中在近海風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)的設(shè)計(jì)和安裝，近海風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、控制和并網(wǎng)運(yùn)行，以及波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和控制等方面。但這些工作都是以單一的近?？稍偕茉窗l(fā)電為研究對(duì)象，利用率低而且可靠性差。在近?？稍偕茉淳C合發(fā)電方面有一些初步的研究，但只涉及風(fēng)能和潮流能，而且只是概念和初步仿真。

為此，筆者提出研究近海可再生能源綜合發(fā)電，融合近海風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電，發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì)，提高發(fā)電的利用率和可靠性。該系統(tǒng)具有以下特性:(a)分別捕獲位于海面以上幾十米的風(fēng)能、海平面上的波浪能和海平面以下的潮流能，垂直分布高度差達(dá)近百米;(b)發(fā)電裝置具有不同的輸出特性，風(fēng)力發(fā)電的隨機(jī)性較強(qiáng)，波浪能發(fā)電周期性變化，且具有一定的隨機(jī)性，潮流能發(fā)電相對(duì)平穩(wěn)，并可以精確預(yù)測(cè);(c)近?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)遠(yuǎn)離岸邊，最遠(yuǎn)可達(dá)幾十千米。這一系列特性對(duì)近海可再生能源綜合發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析、控制以及并網(wǎng)運(yùn)行，提出了必須研究的一系列內(nèi)容。

2.2 研究?jī)?nèi)容

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電研究框架如圖1所示，主要包括3個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容。

a.近?？稍偕茉淳C合發(fā)電單元的構(gòu)建。近?？稍偕茉淳C合發(fā)電單元是由風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電、潮流能發(fā)電裝置組成的有機(jī)結(jié)合體，因此首先需要研究的內(nèi)容是3種發(fā)電裝置的融合，選擇合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)電裝置進(jìn)行優(yōu)化組合及合理的空間布置，是提高綜合發(fā)電能量轉(zhuǎn)換效率，確保各發(fā)電裝置安全運(yùn)行的前提條件;研究綜合發(fā)電單元內(nèi)部各發(fā)電裝置之間的電氣連接方式和與之相適應(yīng)的電力電子變換器，從而保證發(fā)電的可靠性。

此外，還需研究合理的近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)內(nèi)各綜合發(fā)電單元的排列分布方式、電氣連接方式和發(fā)電場(chǎng)接入電網(wǎng)方式，從而保證其并網(wǎng)運(yùn)行。

b.近?？稍偕茉淳C合發(fā)電的建模。近海可再生能源綜合發(fā)電的建模包含2個(gè)方面:(a)針對(duì)單個(gè)綜合發(fā)電單元的建模，模型主要用于綜合發(fā)電單元中各發(fā)電裝置之間的交互性影響分析、協(xié)調(diào)控制和能量管理。在建模過(guò)程中，要考慮各種發(fā)電裝置的詳細(xì)模型以及綜合發(fā)電單元內(nèi)部的詳細(xì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(b)多個(gè)綜合發(fā)電單元構(gòu)成的近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)的等效建模，模型主要用于發(fā)電場(chǎng)接入電網(wǎng)之后，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響分析，以及含有近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的網(wǎng)源協(xié)調(diào)控制。在等效建模過(guò)程中，一方面要關(guān)注發(fā)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的整體輸出特性;另一方面，模型要相對(duì)簡(jiǎn)潔、低階。

c.近海可再生能源綜合發(fā)電的控制。大規(guī)模的近?？稍偕茉唇尤腚娋W(wǎng)，必然對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定產(chǎn)生重要影響。由于各發(fā)電裝置的輸出功率特性不同，首先應(yīng)在不同的時(shí)間框架上，研究發(fā)電場(chǎng)的整體功率輸出特性，然后特別針對(duì)發(fā)電場(chǎng)輸出功率的隨機(jī)性，分析其與電網(wǎng)之間的交互作用，研究發(fā)電場(chǎng)接入后對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定和平穩(wěn)運(yùn)行的影響，特別是對(duì)電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定、頻率特性、電壓特性以及小擾動(dòng)穩(wěn)定特性的影響，為進(jìn)一步研究和實(shí)現(xiàn)含近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)之上，綜合應(yīng)用功率預(yù)測(cè)技術(shù)、廣域測(cè)量技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù)，以電網(wǎng)安全穩(wěn)定和平穩(wěn)運(yùn)行為目標(biāo)，研究控制策略和控制方法，以達(dá)到含近海可再生能源電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。

2.3 研究方案

2.3.1 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電的系統(tǒng)構(gòu)建，主要包括構(gòu)成設(shè)計(jì)和電氣連接方式兩個(gè)方面。在構(gòu)成設(shè)計(jì)方面主要是研究合適的近?？稍偕茉窗l(fā)電轉(zhuǎn)換方式，并對(duì)其進(jìn)行合理布置，構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定可靠的發(fā)電平臺(tái)。在電氣連接方面，主要是設(shè)計(jì)高效的電氣連接和電力電子變換器界面，實(shí)現(xiàn)各種可再生能源發(fā)電裝置的相互兼容以及與電網(wǎng)的可靠連接。

圖1 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)研究框架Fig.1 Research framework of hybrid offshore renewable energy generation system

2.3.1.1 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)一種可能的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要研究各種近海可再生能源發(fā)電裝置與基礎(chǔ)平臺(tái)相結(jié)合的方式。對(duì)于近海風(fēng)力發(fā)電而言，主要是水平軸風(fēng)機(jī)，與基礎(chǔ)平臺(tái)相結(jié)合的技術(shù)相對(duì)成熟。波浪能發(fā)電裝置多種多樣，不同的發(fā)電裝置與基礎(chǔ)平臺(tái)相結(jié)合的方式不同。潮流能主要有兩種發(fā)電形式，水平軸式發(fā)電裝置效率高，自啟動(dòng)性能好;垂直軸式發(fā)電裝置能夠方便地適應(yīng)潮流的雙向發(fā)電，兩種發(fā)電裝置與基礎(chǔ)平臺(tái)上的結(jié)合方式不盡相同。另外，可用于綜合發(fā)電的基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)也多種多樣。因此，在系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)過(guò)程中，優(yōu)化組合各種不同形式的發(fā)電裝置和基礎(chǔ)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，使能量總體轉(zhuǎn)換效率、基礎(chǔ)平臺(tái)和發(fā)電裝置的兼容性以及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性等方面綜合最優(yōu)。

2.3.1.2 近海可再生能源綜合發(fā)電系統(tǒng)的連接

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)中各發(fā)電裝置，通常采用不同的驅(qū)動(dòng)方式和發(fā)電機(jī)類型，從而并網(wǎng)連接方式也相應(yīng)不同。目前采用的驅(qū)動(dòng)方式和發(fā)電機(jī)類型主要有間接驅(qū)動(dòng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)。前一種方式，發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)運(yùn)行，而后一種方式是通過(guò)全功率的“背靠背”電力電子變換器并網(wǎng)運(yùn)行。在這種情況下，可能有以下2種不同的并網(wǎng)連接方案。

第1種為交流并網(wǎng)方式:直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)出口“背靠背”電力電子變換器的交流側(cè)和間接驅(qū)動(dòng)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的出口分別連接升壓變后并連，然后通過(guò)交流輸電線路與岸上電網(wǎng)相連。

圖2 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hybrid offshore renewable energy generation system

第2種為直流并網(wǎng)方式:所有的發(fā)電裝置均采用“背靠背”電力電子變換器并網(wǎng)運(yùn)行，在這種情況下，各發(fā)電裝置在“背靠背”的直流側(cè)并聯(lián)，然后通過(guò)海底電纜與岸上的換流站連接，最后并入電網(wǎng)運(yùn)行。

對(duì)以上兩種方案從技術(shù)可行性、運(yùn)行可靠性和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行分析比較，進(jìn)而確定最優(yōu)的近?？稍偕茉淳C合發(fā)電并網(wǎng)方案。

2.3.2 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的建模

2.3.2.1 近海可再生能源綜合發(fā)電單元的機(jī)理建模

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電的機(jī)理建模是以單個(gè)近海可再生能源綜合發(fā)電為對(duì)象，詳細(xì)模擬組成綜合發(fā)電單元的各發(fā)電裝置以及相互之間連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立其數(shù)學(xué)模型。建模過(guò)程中，首先根據(jù)風(fēng)、波浪和潮流各自的特點(diǎn)，建立三者的動(dòng)力學(xué)模型。然后詳細(xì)模擬發(fā)電裝置的各個(gè)組成部分，建立各類發(fā)電裝置詳細(xì)模型。最后，根據(jù)綜合發(fā)電單元中各發(fā)電裝置間的電氣連接方式，建立機(jī)理模型。

2.3.2.2 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的等效建模

近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)的等效建模通?？梢苑譃榈刃Ｐ徒⒑湍Ｐ蛥?shù)獲取兩個(gè)部分。由于近海可再生能源綜合發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，大量采用電力電子變換器，解耦了電網(wǎng)與發(fā)電場(chǎng)之間的機(jī)電聯(lián)系。因此采用非機(jī)理的建模方法，對(duì)發(fā)電場(chǎng)進(jìn)行整體等效建模。首先利用綜合發(fā)電單元的機(jī)理模型，對(duì)發(fā)電場(chǎng)在各種電網(wǎng)故障情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，根據(jù)其動(dòng)態(tài)曲線的特點(diǎn)，建立非機(jī)理模型結(jié)構(gòu)和方程。然后以準(zhǔn)確描述近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)的整體動(dòng)態(tài)特性為目標(biāo)，通過(guò)辯識(shí)來(lái)獲得模型參數(shù)。

2.3.3 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)的控制

2.3.3.1 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的功率預(yù)測(cè)

一種可能的方案是，分開預(yù)測(cè)再求和，其示意圖如圖3(a)所示。在風(fēng)功率預(yù)測(cè)方面的研究成果較多，且海上風(fēng)速相對(duì)平穩(wěn)，近海風(fēng)功率預(yù)測(cè)可借鑒已有的風(fēng)功率預(yù)測(cè)方法。對(duì)于波浪能發(fā)電功率的預(yù)測(cè)可以采用與風(fēng)功率預(yù)測(cè)相類似的方法。潮流能相對(duì)比較穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性，因此可以采用潮流的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，基于潮流能發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)理模型，建立潮流和輸出功率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而對(duì)其輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖3 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電系統(tǒng)功率預(yù)測(cè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of power prediction in hybrid offshore renewable energy generation system

另一種可能的方案是，綜合建立模型再預(yù)測(cè)，其示意圖如圖3(b)所示。由于波浪是由風(fēng)把能量傳遞給海洋而產(chǎn)生的，所以兩者之間具有一定的相關(guān)性，因此可以建立其綜合預(yù)測(cè)模型。潮流能可以單獨(dú)建模，也可以綜合在其中。

2.3.3.2 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的影響分析

搭建含近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的仿真系統(tǒng)，在各種故障下進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，研究發(fā)電場(chǎng)接入后對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定和平穩(wěn)運(yùn)行的影響。通過(guò)計(jì)算含有發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的故障極限切除時(shí)間，分析其對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響;在隨機(jī)輸入條件下，分析可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)頻率特性的影響;在不同的無(wú)功電壓控制和無(wú)功補(bǔ)償策略情況下，分析發(fā)電場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)電壓特性的影響;對(duì)發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)進(jìn)行小擾動(dòng)穩(wěn)定分析，研究其對(duì)電網(wǎng)阻尼影響。在分析過(guò)程中，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)接納近?？稍偕茉吹哪芰M(jìn)行評(píng)估，并識(shí)別制約近海可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的關(guān)鍵因素。

2.3.3.3 含近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的平穩(wěn)控制

由于近海可再生能源發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的隨機(jī)性，接入電網(wǎng)運(yùn)行后，對(duì)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)輸出功率特性可分為短期特性和中長(zhǎng)期特性，相應(yīng)的含綜合發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制框架如圖4所示，協(xié)調(diào)控制體系分為3層:(a)底層控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電場(chǎng)內(nèi)部多電源的相互協(xié)調(diào);(b)中間層控制用于發(fā)電場(chǎng)與儲(chǔ)能設(shè)備之間的相互協(xié)調(diào);(c)上層控制實(shí)現(xiàn)發(fā)電場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)中其他常規(guī)電源之間的協(xié)調(diào)。

對(duì)于短期功率的快速變化，可通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行功率曲線平滑。在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行約束的前提下，根據(jù)功率波動(dòng)特性和所接入電網(wǎng)的運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)、儲(chǔ)能設(shè)備和電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)實(shí)時(shí)的平穩(wěn)運(yùn)行。

對(duì)中長(zhǎng)期的功率變化，應(yīng)采用預(yù)防性的平穩(wěn)控制策略，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。根據(jù)發(fā)電場(chǎng)輸出功率中長(zhǎng)期的預(yù)測(cè)結(jié)果，分析發(fā)電場(chǎng)的輸出功率的變化趨勢(shì)，研究電網(wǎng)是否能夠運(yùn)行在安全穩(wěn)定范圍內(nèi)，并具有一定的裕度。如果電網(wǎng)的運(yùn)行點(diǎn)超出了安全穩(wěn)定的范圍，或者穩(wěn)定裕度過(guò)小，則必須對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行預(yù)防性平穩(wěn)控制。預(yù)防性平穩(wěn)控制以電網(wǎng)保持穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，協(xié)調(diào)近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)和電網(wǎng)中其他各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式，保持電網(wǎng)長(zhǎng)期平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 含綜合發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制框架Fig.4 Schematic diagram of coordinate control framework

3 結(jié) 語(yǔ)

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外近?？稍偕茉窗l(fā)電研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出研究融合近海風(fēng)力發(fā)電、波浪能發(fā)電和潮流能發(fā)電的近?？稍偕茉淳C合發(fā)電。從近?？稍偕茉淳C合發(fā)電的構(gòu)建、建模和控制三方面進(jìn)行論述。在近?？稍偕茉淳C合發(fā)電單元的構(gòu)建方面，由于近海風(fēng)能、波浪能和潮流能的發(fā)電裝置空間位置和動(dòng)力學(xué)特性的不同，選擇合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和綜合發(fā)電單元內(nèi)部各發(fā)電裝置之間的連接方式，對(duì)發(fā)電裝置進(jìn)行優(yōu)化組合及合理的空間布置，是提高綜合發(fā)電單元能量轉(zhuǎn)換效率，確保各發(fā)電裝置安全可靠發(fā)電的前提條件。在綜合發(fā)電的建模方面，首先建立綜合發(fā)電單元的詳細(xì)機(jī)理模型，主要用于發(fā)電單元中各發(fā)電裝置之間的交互性影響分析、協(xié)調(diào)控制和能量管理。在此基礎(chǔ)上，對(duì)由多個(gè)綜合發(fā)電單元構(gòu)成的綜合發(fā)電場(chǎng)進(jìn)行等效建模，模型主要用于近海可再生能源發(fā)電場(chǎng)接入電網(wǎng)之后，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的影響分析。在綜合發(fā)電的控制方面，提出利用近海可再生能源的功率預(yù)測(cè)技術(shù)、廣域測(cè)量技術(shù)和電力儲(chǔ)能等新技術(shù)，建立含綜合發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的分層次控制策略體系，提高含近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)的整體運(yùn)行性能。

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