摘要：風(fēng)力發(fā)電的輸出存在隨機性、間歇性等缺陷，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)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(xù)時間靈活、安全、無退化等優(yōu)勢?，F(xiàn)考慮選擇新型重力儲能技術(shù)來改善風(fēng)力發(fā)電的出力，對直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)模型和新型重力儲能系統(tǒng)模型分別進行研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)。通過仿真分析，驗證了所設(shè)計的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)能夠有效改善風(fēng)力發(fā)電出力的缺陷，提升高風(fēng)電滲透率下電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：重力儲能;風(fēng)力發(fā)電;功率平衡;風(fēng)儲一體化

中圖分類號：TM614 文獻標(biāo)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(fēng)力發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分，在電力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)型升級中發(fā)揮著重要的作用。隨著風(fēng)電機組并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，風(fēng)力發(fā)電自身存在的隨機性、間歇性等缺陷會影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。采用儲能技術(shù)可以有效改善風(fēng)力發(fā)電出力的不確定性，平抑功率波動，保證電力輸出的穩(wěn)定性和連續(xù)性，實現(xiàn)風(fēng)電的友好并網(wǎng)[1]。

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

目前的技術(shù)方案包括活塞式重力儲能技術(shù)、依托山體的重力儲能技術(shù)、基于廢棄礦井的重力儲能技術(shù)、依托架空索道的重力儲能技術(shù)、采用儲能塔結(jié)構(gòu)的塔吊式儲能技術(shù)等[2]。相較于這些或?qū)ㄔO(shè)場地有特殊需求、或?qū)χ匚锏亩询B方式和高度有嚴(yán)格穩(wěn)定性要求的技術(shù)方案，采用基于電梯和框架式構(gòu)筑物的新型重力儲能技術(shù)能克服以上缺陷，具備選址靈活、適應(yīng)性廣泛的優(yōu)點。

本文首先分析了直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)模型和新型重力儲能系統(tǒng)模型，采用新型重力儲能來改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出，提出了基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)能夠有效平滑風(fēng)電出力的波動，提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性能。

1 直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)模型

直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)的模型主要由風(fēng)輪、永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器、直流電容、網(wǎng)側(cè)變流器組成，永磁同步發(fā)電機采用“AC-DC-AC”背靠背變流器結(jié)構(gòu)進行并網(wǎng)[3]。

風(fēng)輪能夠轉(zhuǎn)化的風(fēng)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(fēng)電機組葉片掃過的面積;Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，是風(fēng)力機將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機械能的效率;vw為風(fēng)速;λ為葉尖速比，是風(fēng)輪葉片尖端線速度與風(fēng)速之比;β為槳距角，指風(fēng)機葉片與風(fēng)輪平面的夾角。

其中風(fēng)能利用系數(shù)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(fēng)能利用系數(shù)Cp的中間變量;ωm為風(fēng)電機組的機械角速度;R為葉片掃過面積對應(yīng)的半徑;vm為風(fēng)電機組的葉尖線速度。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，為保證最大限度對風(fēng)能的利用，通常采用最佳葉尖速比法來實現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。由風(fēng)能利用系數(shù)的公式可知，Cp與葉尖速比和槳距角β相關(guān)，當(dāng)槳距角β恒定不變時，風(fēng)能利用系數(shù)存在最大值Cpmax，此時對應(yīng)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(fēng)力發(fā)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(shù)。

2 新型重力儲能系統(tǒng)模型

如圖1所示，新型重力儲能系統(tǒng)由儲能重物、儲能重物的支撐框架結(jié)構(gòu)、儲能電機、鋼絲繩卷筒、鋼絲繩、傳動機構(gòu)、電梯等構(gòu)成[4]。其中，儲能電機通過傳動機構(gòu)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(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，帶動鋼絲繩牽引重物上行，電能轉(zhuǎn)化成重物的重力勢能存儲起來;放電時，儲能電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，重物下行，牽引鋼絲繩拖動電機旋轉(zhuǎn)發(fā)出電能，重物的重力勢能轉(zhuǎn)化成電能并入電網(wǎng)。

作為系統(tǒng)中重力勢能與電能之間機電能量轉(zhuǎn)換的核心，儲能電機需要工作在發(fā)電機/電動機兩種不同工況下，選擇能夠雙向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電電動機作為儲能電機。永磁同步電機（PMSM）具備結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率因數(shù)和效率高，可以在較寬的負載范圍內(nèi)保持優(yōu)良性能等優(yōu)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(tǒng)在工作時，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點，儲能的單次充/放電過程對應(yīng)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(zhuǎn)速對應(yīng)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(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，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(dāng)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(gòu)筑物的頂層/底層時，進入減速停運階段，使重物和電梯平穩(wěn)停在建筑的目標(biāo)層，結(jié)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(guī)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(chǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量。

a（t）>0時，重物速度增大，對應(yīng)加速階段;

a（t）<0時，重物速度減小，對應(yīng)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(zhì)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(tǒng)功率和效率的影響因素研究表明，儲能功率與重物質(zhì)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(zhì)量的變化影響極小[7]。因此，為了保障系統(tǒng)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(yīng)的儲能電機選用低速大扭矩PMSM實現(xiàn)重載拖動。

PMSM的負載轉(zhuǎn)矩是由承載重物的電梯對鋼絲繩所施加的拉力產(chǎn)生，當(dāng)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(yīng)地，無論PMSM處在發(fā)電機或電動機狀態(tài)，無論重物上行或下行，PMSM的負載轉(zhuǎn)矩始終保持恒定[8]。

設(shè)上行為重物運動的正方向，對應(yīng)電機的正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為正，電機工作在電動機狀態(tài)下，負載轉(zhuǎn)矩阻礙電動機的轉(zhuǎn)動，為正;重物下行時，對應(yīng)電機反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為負，電機工作在發(fā)電機狀態(tài)下，負載轉(zhuǎn)矩拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，其方向不變，仍為正?？紤]系統(tǒng)中傳動部分、電機等在運行中因摩擦而產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩，阻尼轉(zhuǎn)矩總是阻礙電機的轉(zhuǎn)動，電機正轉(zhuǎn)時，阻尼轉(zhuǎn)矩阻礙電動機的轉(zhuǎn)動，為正，與負載轉(zhuǎn)矩作用疊加;電機反轉(zhuǎn)時，阻尼轉(zhuǎn)矩阻礙發(fā)電機的轉(zhuǎn)動，為負，與負載轉(zhuǎn)矩作用相抵消。PMSM的負載轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖2所示，PMSM工作在第一象限（正轉(zhuǎn)、正載）和第四象限（反轉(zhuǎn)、正載）。

2.3 儲能并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

新型重力儲能并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)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(jié)構(gòu)進行并網(wǎng)。儲能側(cè)變流器通常采用額定轉(zhuǎn)速指令控制，給定的轉(zhuǎn)速指令為儲能電機的額定轉(zhuǎn)速，以確保新型重力儲能輸出額定的充/放電功率;網(wǎng)側(cè)變流器采用定直流母線電壓控制，保證直流母線電壓的穩(wěn)定[9]。

3 基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 風(fēng)儲一體化系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)力發(fā)電自身出力的特點會導(dǎo)致風(fēng)電機組輸送到電網(wǎng)的功率存在隨機和間歇的缺陷，無法滿足電網(wǎng)的有功功率需求，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行不利?？紤]采用新型重力儲能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的方式構(gòu)成風(fēng)儲一體化系統(tǒng)，來改善風(fēng)力發(fā)電輸出功率的缺陷，使風(fēng)儲一體化系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的功率滿足電網(wǎng)的有功功率需求，進而提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電與新型重力儲能均采用背靠背的“AC-DC-AC”變流器結(jié)構(gòu)進行并網(wǎng)。因此，本文提出一種基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)設(shè)計。其中，風(fēng)電機組和新型重力儲能共用一個直流母線，風(fēng)電機組經(jīng)機側(cè)變流器與新型重力儲能經(jīng)儲能變流器并聯(lián)在同一個直流母線上，構(gòu)成基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)，風(fēng)儲一體化系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器進行并網(wǎng)。

基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中，新型重力儲能系統(tǒng)經(jīng)雙向儲能變流器接在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流母線上，在直流母線處構(gòu)成一個三端口網(wǎng)絡(luò)。在風(fēng)儲一體化系統(tǒng)中，新型重力儲能、風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)之間通過三端口網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的功率流動。當(dāng)風(fēng)機側(cè)變流器采用最大功率跟蹤控制時，風(fēng)電機組能捕獲并輸出最大風(fēng)功率;電網(wǎng)側(cè)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(fēng)電機組的出力來滿足電網(wǎng)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(zhuǎn)速控制，通過穩(wěn)定直流母線電壓來彌補網(wǎng)側(cè)功率與風(fēng)機功率的差值，實現(xiàn)輸送到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定。

3.2 仿真分析

對所設(shè)計的基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)進行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。

設(shè)風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率、新型重力儲能輸出的有功功率、電網(wǎng)吸收的有功功率分別為Pw、PGESS、Pg。在系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡時，滿足如下公式：

Pw+PGESS=Pg （7）

1）t=0～1 s：風(fēng)速vw為8 m/s，網(wǎng)側(cè)有功功率指令大小設(shè)為vw=8 m/s對應(yīng)的最大風(fēng)能PMPPT維持不變，此時機側(cè)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(fēng)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(fēng)速突降至8.7 m/s，仍滿足Pw>Pg，PGESS<0，新型重力儲能充電，風(fēng)速減小導(dǎo)致風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率Pw減小，進而導(dǎo)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(fēng)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(tài)的轉(zhuǎn)換。

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

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，對于所設(shè)計的基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)，新型重力儲能的輸出功率能夠彌補風(fēng)力發(fā)電輸出的不足，改善風(fēng)力發(fā)電出力的波動性，實現(xiàn)風(fēng)儲一體化系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定可靠。其中，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電輸出功率對應(yīng)的儲能充/放電功率需求，新型重力儲能可以實時調(diào)整出力，改變儲能電機的轉(zhuǎn)速大小和方向，儲能電機可以在發(fā)電機和電動機兩種狀態(tài)下工作。由圖6可知，直流母線電壓能夠穩(wěn)定在750 V附近。風(fēng)機出力和網(wǎng)側(cè)功率需求的不平衡會導(dǎo)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(wěn)定。

4 總結(jié)

本文考慮采用新型重力儲能來改善風(fēng)力發(fā)電出力的波動性和間歇性，提高大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的安全穩(wěn)定。通過對直驅(qū)式風(fēng)電機組并網(wǎng)模型和新型重力儲能的充/放電過程、工作特性、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究分析，設(shè)計了一種基于新型重力儲能的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)，其中，新型重力儲能經(jīng)變流器并聯(lián)在風(fēng)電機組的直流側(cè)。通過仿真分析可知，在所提出的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)中，新型重力儲能的輸出功率能夠彌補風(fēng)力發(fā)電的輸出功率與輸送到電網(wǎng)的目標(biāo)功率之間的差額，改善風(fēng)力發(fā)電出力的缺陷，維持直流母線電nD0H5VG6ZWHJ9/4dTOokEwTiQBWtiUpGe2OmuAjO3HI=壓的穩(wěn)定，從而提高電力系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

本文所設(shè)計的風(fēng)儲一體化系統(tǒng)未考慮到新型重力儲能輸出存在的間歇對系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡的影響。另外，考慮到單純重力儲能系統(tǒng)在響應(yīng)特性方面的不足，可考慮將新型重力儲能與其他快速響應(yīng)的儲能技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮多種儲能的優(yōu)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。