張 東，劉甲琛，夏藝歌，曹志威

(1.中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.國網(wǎng)陜西省電力公司西安市長安區(qū)供電分公司，陜西 西安 710100；3.陜西送變電工程有限公司，陜西 西安 710014；4.上能電氣股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

為了滿足社會綠色環(huán)保的要求，越來越多清潔能源發(fā)電采用分布式電源的形式并入到現(xiàn)代電力系統(tǒng)中[1]。近年來，隨著我國風電裝機容量的快速增長，并入電網(wǎng)及遠距離輸電等方面的問題越來越突出。由于考慮到主體電網(wǎng)電能穩(wěn)定等因素，部分已并網(wǎng)的風電場被限制發(fā)電的情況時有發(fā)生，部分風電場的電能損失高達30%，嚴重影響風電行業(yè)的發(fā)展[2]。

隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)的提出，將分布式風力發(fā)電并入微電網(wǎng)進行能量管理控制以解決上述問題的方法受到許多學者和機構的關注。能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)主要以降低能源消耗、提高系統(tǒng)效率、增強系統(tǒng)可靠性、預測系統(tǒng)運行狀態(tài)、優(yōu)化能量利用及削減費用為主要目標[3]。文獻[4]設計了適用于海島微電網(wǎng)的風力發(fā)電系統(tǒng)及其電能優(yōu)化調(diào)度策略，文章解決了功率在微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)高損耗等問題，但是其優(yōu)化調(diào)度策略只適用于孤島模式下；文獻[5]提出了一種智能能量管理系統(tǒng)，對含混合能源的微電網(wǎng)進行能量管理控制，該控制系統(tǒng)主要是基于儲能系統(tǒng)(energy storage system，ESS)進行風力發(fā)電及光伏發(fā)電功率的調(diào)度；文獻[6]提出了專家能量管理系統(tǒng)調(diào)度含風力發(fā)電微電網(wǎng)系統(tǒng)電能，文章主要通過風力的預測、多目標優(yōu)化及儲能系統(tǒng)進行能量調(diào)度控制；文獻[7]同樣是對含風/光/儲的微電網(wǎng)進行多目標優(yōu)化的能量調(diào)度控制。

以上文獻都有效地解決了微電網(wǎng)中風力發(fā)電輸出功率波動大或產(chǎn)能過剩的問題，但皆設置了儲能系統(tǒng)輔助解決上述問題，而目前在我國儲能技術發(fā)展尚未完善，存在儲能電池轉化效率低、容量小及經(jīng)濟效益低等問題[8]，實際工程中無法配置滿足要求的儲能系統(tǒng)。為此，本文設計一種含交直流兩段母線的無儲能并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)提出分層能量調(diào)度控制方法，實現(xiàn)對風力發(fā)電功率波動的平抑控制并解決電能過剩的問題。

1 微電網(wǎng)系統(tǒng)設計

本文所設計的微電網(wǎng)系統(tǒng)結構圖如圖1 所示。微電網(wǎng)系統(tǒng)以風力發(fā)電機組為電源，單個風機通過整流器并入直流母線，直流母線與交流母線之間通過逆變器組連接。交流母線設計為單母分段式，直流母線與Ⅰ段交流母線通過逆變器組連接，Ⅱ段交流母線與直流母線之間只通過單個逆變器連接，主要負責給系統(tǒng)本地負荷供電，同時也作為備用段母線。Ⅰ段、Ⅱ段交流母線之間通過母聯(lián)斷路器連接，系統(tǒng)正常運行時斷路器處于斷開狀態(tài)，只有當Ⅰ段或Ⅱ段交流母線上逆變器故障或檢修時斷路器變?yōu)楹祥l狀態(tài)。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)結構圖

2 能量管理方法設計

2.1 分層控制算法設計

本文設計四層結構的分層控制算法，結構圖如圖2 所示。圖2 中，中央控制器的功能主要是收集各層數(shù)據(jù)參數(shù)并反饋不同的控制指令，為了保證中央控制器與各層之間數(shù)據(jù)的可靠交互，系統(tǒng)采用“一用一備”的通訊結構，以保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

圖2 分層控制算法結構圖

集中式分層控制算法各層的功能如下：

1)第一層：該層主要接受電網(wǎng)調(diào)度指令并匯集數(shù)據(jù)傳給中央控制器，中央控制器經(jīng)過整合處理所有數(shù)據(jù)后通過該層將可入網(wǎng)電量回饋電網(wǎng)調(diào)度；

2)第二層：該層根據(jù)風電機組預測和實時發(fā)電量及本地負荷用電情況計算可入網(wǎng)電量，并將信息傳給中央控制器；

3)第三層：該層主要控制逆變器組穩(wěn)定運行并維持交流母線電壓穩(wěn)定；

4)第四層：該層主要是控制各風電機的輸出功率并通過整流器穩(wěn)定直流母線電壓，采集風電機組的發(fā)電量傳給中央控制器。

2.2 入網(wǎng)電能控制算法設計

入網(wǎng)電能的控制具體可以根據(jù)微電網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)及電網(wǎng)調(diào)度指令劃分為兩種模式。

第一種模式：當微電網(wǎng)系統(tǒng)目前處于孤島運行狀態(tài)，電網(wǎng)調(diào)度要求系統(tǒng)并網(wǎng)提供電能PG。此時第一層控制器接受到并網(wǎng)需求指令，將信息傳送給中央控制器，同時第二層將實時記錄的負荷功率PL與風電機組預測功率Py進行整合計算得出可入網(wǎng)功率并將數(shù)據(jù)通過第一層上傳電網(wǎng)調(diào)度。為了減少機組同時啟動帶來的沖擊，控制系統(tǒng)采用逐一啟動風機及逆變器組的方法，該方法通過第三層和第四層實現(xiàn)。逐一啟動機組的同時需實時對比預測功率Py曲線和實際發(fā)電功率Ps曲線，若啟動過程中?(Ps-Py)或?(Ps-PG)的值大于0，則按計劃入網(wǎng)發(fā)電，否則及時更新數(shù)據(jù)提醒電網(wǎng)調(diào)度更改計劃。其中，單臺風力發(fā)電機輸出功率預測算法采用文獻[9]所提方法，該方法能有效地對風機短期出力進行精準預測，符合控制系統(tǒng)的要求。

第二種模式：當微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，電網(wǎng)調(diào)度要求系統(tǒng)增加或者降低入網(wǎng)電量。假設系統(tǒng)實時的入網(wǎng)功率為Ps，電網(wǎng)調(diào)度指令需增加或降低功率?PG。指令為增加功率時，第二層首先向中央控制器傳輸預測的發(fā)電功率Py曲線和本地負荷功率PL曲線，通過計算得出預測可增加的功率?Py，若滿足(?Py-?PG)>0，則第四層控制風電機組增加輸出功率，此時實時增加的功率值為?Pwts，并且呈上升狀態(tài)，如果?(?Pwts-?PG)的值大于0，則入網(wǎng)計劃不變，否則需根據(jù)實際功率調(diào)整入網(wǎng)計劃。指令為降低功率時，第二層記錄實時發(fā)電量和負荷用電量，中央控制器根據(jù)第二層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)向第四層發(fā)送指令，在滿足入網(wǎng)電量和負荷用電的條件下，第四層降低風力發(fā)電機的輸出功率或者停止部分風機發(fā)電。

控制算法邏輯步驟如圖3 所示。該控制方法的優(yōu)點在于電網(wǎng)調(diào)度可以根據(jù)控制系統(tǒng)上傳的可并網(wǎng)電能數(shù)據(jù)調(diào)整整體的調(diào)度計劃，并且電網(wǎng)調(diào)度通過數(shù)據(jù)評估可以決定微電網(wǎng)系統(tǒng)入網(wǎng)電量的多少，多余電能則由微電網(wǎng)系統(tǒng)自行調(diào)度控制，既保證了電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性，又減少了產(chǎn)能過剩導致的能量浪費。

圖3 入網(wǎng)電能控制算法步驟圖

2.3 風電機組俯仰角控制算法設計

自然風速與風力發(fā)電機輸出功率呈現(xiàn)非線性關系，如圖4 所示。兩者之間的數(shù)學關系表示為[9]：

圖4 風力發(fā)電輸出功率與風速關系曲線圖

式(1) ～(3) 中：ρ為 空 氣 密 度，kg/m3；Ro為風機渦輪半徑，cm；Vs為實時風速，m/s；λ=RoωWT/Vs為尖端速度比；ωWT為風機渦輪轉速，r/s；β為俯仰角度，°；Cp為功率系數(shù)。

在風速一定時，俯仰角度會影響風力發(fā)電機的輸出功率，因此，可以通過控制俯仰角度調(diào)整風力發(fā)電機的輸出功率。根據(jù)風速與風機發(fā)電功率的關系，俯仰角控制方法為：①當0

當Vr

圖5 俯仰角控制框圖

3 仿真實驗及結果

本文采用Matlab/Simulink 仿真軟件對系統(tǒng)進行能量調(diào)度控制算法的實驗驗證，設計的微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)

仿真實驗結果如圖6 ～圖8 所示。根據(jù)圖7 中的電網(wǎng)調(diào)度PG曲線可得，微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)歷了孤島運行、孤島/ 并網(wǎng)切換運行、增加入網(wǎng)功率與降低入網(wǎng)功率這四種狀態(tài)。

1)孤島運行。微電網(wǎng)系統(tǒng)在8 點之前運行于孤島狀態(tài)，此時系統(tǒng)只對本地負荷供電。其中Pwt為不采用俯仰角控制的風電機組輸出功率，其功率曲線與預測功率Py曲線基本一致，因此，Py可以作為能量調(diào)度控制系統(tǒng)的有效參考量。綜合圖6、圖7 可知，預測功率Py曲線顯示0 點至8 點風機輸出功率波動較大，而且負荷功率PL較低，極不利于微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，因此，控制系統(tǒng)停止1 號、5 號風機運行，并根據(jù)負荷實時功率和2 號、3 號、4 號風機的實時風速通過控制俯仰角度分配風力發(fā)電機的輸出功率并有效地降低了輸出功率的波動。

圖6 各風機輸出功率及俯仰角度曲線圖

圖7 微電網(wǎng)實驗結果曲線圖

圖8 俯仰角控制前后風機輸出功率曲線圖

2)孤島/并網(wǎng)切換運行。微電網(wǎng)系統(tǒng)接收到并網(wǎng)指令時間為8 點，此時，電網(wǎng)調(diào)度根據(jù)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)上傳的可入網(wǎng)電量調(diào)整微電網(wǎng)入網(wǎng)功率指令值PG，可以看到PG在8:00 ～8:30處于上升階段，控制系統(tǒng)同時實時計算Pwts與PL的差值，此時Pwts與PL的差值始終大于0，因此，8:30 之后PG不變。同時微電網(wǎng)控制系統(tǒng)啟動1 號風機發(fā)電，并通過俯仰角控制增加2 號、3 號、4 號風機的輸出功率，此時控制器降低1 ～4 號風機的俯仰角度，提升發(fā)電機的輸出功率。

3)增加入網(wǎng)功率。14:00 時電網(wǎng)調(diào)度要求微電網(wǎng)系統(tǒng)增加入網(wǎng)功率，根據(jù)Py、PL及PG曲線可知，此時(?Py-?PG)>0，控制系統(tǒng)增加1 ～5 號風機輸出功率。在16:00 時，假設4 號風機的風速下降，系統(tǒng)控制降低4 號風機輸出功率同時增加5 號風機功率以保持入網(wǎng)功率的穩(wěn)定。相應地，如圖6(b)所示，4 號風機俯仰角度增加，5 號風機俯仰角度則有所下降。因此，證明俯仰角控制對改變風力發(fā)電機輸出功率的有效性及可靠性。

4)降低入網(wǎng)功率。控制系統(tǒng)接收到降低入網(wǎng)功率指令后，增加1 號、2 號風機俯仰角度從而降低輸出功率，停止輸出較低的4 號風機并保持3 號風機輸出功率不變。

為了進一步分析控制系統(tǒng)對風電機組輸出功率的平滑控制及產(chǎn)能過剩問題的有效解決，對Pwt和Pwts單獨分析，其曲線如圖8 所示。

分析微電網(wǎng)系統(tǒng)在孤島并網(wǎng)運行狀態(tài)下控制器的有效性：①孤島運行。微電網(wǎng)孤島運行時只對本地負荷供電，其用電量較小，因此，所需發(fā)電量較小。由圖8 可知，這段時間的風速較大且間歇性比較嚴重，因此，不采用俯仰角控制時風機輸出功率Pwt較大且波動較大，而這將導致風機嚴重產(chǎn)能過剩并降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。當采用俯仰角控制后，可以看出風機輸出功率Pwts明顯減少且輸出功率曲線較平緩，既滿足了負荷用電的需求又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。②并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)不僅向本地負荷供電，同時向電網(wǎng)側供電。圖8 中，不采用俯仰角控制時，風機輸出功率Pwt同樣存在產(chǎn)能過剩和波動過大的問題，而采用俯仰角控制后，風機輸出Pwts在滿足了上網(wǎng)電量和本地負荷電量的需求同時，明顯地降低了輸出功率的波動，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 結語

本文設計了一種無儲能型微電網(wǎng)系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)提出了一種集中式分層控制方法。該方法采用俯仰角控制算法對風力發(fā)電機輸出功率進行平滑控制，最后通過多層控制器實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電能調(diào)度，解決了風力發(fā)電電能間歇性對電網(wǎng)沖擊較大的問題。最后通過采用Matlab/Simulink 仿真軟件對所提方法進行實驗驗證，實驗結果證明了所設計算法的有效性。