趙昱杰，凌志斌，張敏吉

(1.上海交通大學電氣工程系，上海市 200240；2.中海油研究總院新能源研究中心，北京市 100015)

時滯對風儲平滑功率效果的影響分析

趙昱杰1，凌志斌1，張敏吉2

(1.上海交通大學電氣工程系，上海市 200240；2.中海油研究總院新能源研究中心，北京市 100015)

風儲配合是平抑風功率波動的有效途徑，時滯給風儲系統(tǒng)控制策略的運行效果帶來了不利的影響。分析了風儲系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的時滯對功率平滑策略產(chǎn)生的影響，并提出了增加系統(tǒng)指令更新周期的解決方法，在Matlab/Simulink平臺中對該方法進行仿真，分析了不同的系統(tǒng)指令更新周期對風儲系統(tǒng)風功率平抑控制策略運行效果的影響。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)指令更新周期為系統(tǒng)平均時延的2倍時，可以保證平抑風功率控制策略的有效實現(xiàn)。將該結(jié)論應用于實際風儲系統(tǒng)中進行論證，仿真結(jié)果和實際風儲系統(tǒng)運行情況均表明了該方法的有效性，可以為風儲系統(tǒng)平滑功率等相應策略的設(shè)計提供參考。

風儲系統(tǒng)；風功率波動；風功率平滑；時滯

0 引 言

隨著全球能源和環(huán)境問題的日益突出，風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。然而，隨著并網(wǎng)風電場規(guī)模的不斷擴大，風功率的波動性和間歇性對其接入電網(wǎng)帶來的不利影響也愈發(fā)顯著，使得大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的能力受到限制。儲能系統(tǒng)[1]可以適時吸收釋放功率，為平抑風電功率波動，提高風電接入電網(wǎng)的能力提供了有效的手段[2]。大容量儲能通過發(fā)出/吸收的有功功率和無功功率與風電機組的輸出配合，實現(xiàn)對風電平滑風電功率、削峰填谷、無功補償、無功調(diào)壓、有功調(diào)頻和計劃跟蹤的作用[3-4]。實現(xiàn)不同的作用，對儲能系統(tǒng)的響應能力提出的要求也不同。其中削峰填谷和計劃跟蹤對響應能力要求較低，數(shù)十s即可滿足需求；平滑功率、無功補償、無功調(diào)壓和有功調(diào)頻對響應能力要求稍高，響應時間不大于1 s[5]。

在風儲系統(tǒng)控制策略中，平滑功率控制策略可以有效降低風電場功率的波動性[6]，降低電網(wǎng)調(diào)頻壓力，提高電網(wǎng)接入風電的能力，已經(jīng)成為主要的應用方向之一。目前常用的波動平抑控制算法有一階濾波控制算法、卡爾曼濾波算法、小波濾波等。但是，上述算法主要是基于理論分析和仿真分析2種途徑[7]，而沒有考慮實際情況下風儲系統(tǒng)的時滯特性對控制算法的影響。

風儲系統(tǒng)各環(huán)節(jié)均不同程度地存在響應延遲，延遲響應使得整個系統(tǒng)具有顯著的時滯特性。時滯特性對系統(tǒng)控制策略的運行效果造成了巨大的影響[8-9]，系統(tǒng)的時滯特性使得系統(tǒng)的功率平滑等控制策略的運行性能嚴重下降，甚至無法實現(xiàn)其功能。理想情況下的控制策略需要根據(jù)實際情況進行重新設(shè)計和評估。

本文以一階濾波平滑功率控制算法在風儲協(xié)調(diào)系統(tǒng)中的應用為背景，分析時滯對控制算法運行效果的影響，并針對影響對算法在應用中進行改進。改進后的算法能夠應用于帶時滯的風儲系統(tǒng)，使之實現(xiàn)風功率平抑的功能。

1 風功率波動情況與要求

1.1 風功率實際波動情況

風功率具有隨機性和波動性。圖1為2013年5月29日內(nèi)蒙古某風場中一臺風機的日功率曲線。

圖1 2013年5月29日功率曲線Fig.1 Power curve on May 29, 2013

由圖1可以看出，風速具有的隨機性使得風電功率波動性很大，因此有必要通過與儲能系統(tǒng)配合，平抑風電功率波動，降低風電功率波動對電網(wǎng)的影響。

1.2 國標對風功率波動要求

風電出力的短時隨機波動會對電網(wǎng)調(diào)頻帶來不良影響，風電功率的大幅度波動可能使電網(wǎng)失去穩(wěn)定。各個國家對風電并網(wǎng)都提出了相關(guān)技術(shù)要求，但要求各異[10]。根據(jù)我國國家標準《GB/T 19963—2011風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》[11]，要求風電場具有有功功率調(diào)節(jié)能力，并能根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度部門指令控制其有功功率輸出，并對輸出功率的變化率進行了限制，標準中的風電場有功功率變化限值推薦如表1所示。

2 功率平滑控制改善方法

2.1 風功率平滑策略

風功率平滑策略有多種[12-15]，最常見的是采用一階低通濾波原理對風電功率高頻波動分量進行濾除[16]。

表1 風電場容量與輸出功率變化率限制值
Table 1 Wind farm capacity and limit of output power change rate

(1)

式中：τ為濾波時間常數(shù)，且τ=1/(2πfc)，fc為對應的低通濾波截止頻率；Pwind,t和Pout,t分別為t時刻風電功率濾波前和濾波后的功率；Δt為風電功率的采樣周期。由公式(1)可得經(jīng)濾波后風電功率為

(2)

由公式(2)可知，當τ= 0時，有Pout,t=Pwind,t，即此時對風電功率無濾波作用。當τ越大時，Pout,t越接近Pout,t-Δt，即輸出功率曲線越平滑，對風電的濾波作用越明顯。

2.2 風儲系統(tǒng)模型

風儲系統(tǒng)由風機、電池組、能量管理系統(tǒng)(energy manage system，EMS)、電池管理系統(tǒng)(battery manage system，BMS)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(power convert system，PCS)組成，如圖2所示。

圖2 風儲能系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of wind energy storage system

EMS通過對輸出電流、電壓值的采集計算出系統(tǒng)輸出總功率Pout，其中總功率為風機輸出功率和PCS輸出功率的總和。同時EMS通過通訊讀取PCS的功率值PPCS得出風機的輸出功率Pwind，其中Pwind=Pout-PPCS。

2.2.1 理想情況下風儲功率平滑模型

風儲系統(tǒng)的功率平滑理想模型如圖3所示。設(shè)在t時刻EMS獲得的系統(tǒng)數(shù)據(jù)有當前時刻風功率Pwind,t和前一時刻風儲系統(tǒng)實際輸出總功率Pout,t-Δt，根據(jù)公式(2)計算出當前時刻的理想輸出功率值Pout,t，將理想輸出功率值Pout,t與當前風功率Pwind,t相減即得出PCS功率指令，EMS將功率指令發(fā)送至PCS使其發(fā)出/吸收相應的功率PPCS,t。

圖3 風儲系統(tǒng)平滑功率理想模型Fig.3 Ideal model of smoothing power for wind storage system

2.2.2 實際情況下風儲功率平滑模型

風儲系統(tǒng)功率平滑控制策略的理想實現(xiàn)，是建立在t時刻EMS發(fā)出的功率指令P1t、PCS實際發(fā)出/吸收的功率值P2t、EMS讀取的PCS功率值P3t相等的條件之上，即P1t=P2t=P3t。

但在實際情況中，風儲系統(tǒng)多個環(huán)節(jié)均有延時，EMS將指令發(fā)送至PCS所需時間為T1，PCS收到EMS指令并開始執(zhí)行所需要的時間為T2，PCS將當前功率值發(fā)送給EMS所需的時間為T3，得到風儲系統(tǒng)的實際控制框圖如圖4所示。

圖4 風儲系統(tǒng)平滑功率實際控制框圖Fig.4 Actual control block diagram of smoothing power of wind power storage system

令τ1為從EMS發(fā)出功率指令給PCS，到PCS接收功率指令并開始執(zhí)行的延時時間，τ1=T1+T2。τ2為從EMS發(fā)出功率讀取指令到PCS，到EMS讀取到PCS當前功率值的延時時間，τ2=T1+T3。

由于系統(tǒng)的時滯性，設(shè)在任意時刻t，EMS發(fā)出的功率指令P1t=PPCS,t，PCS當前實際發(fā)出/吸收的功率值P2t=PPCS,t-τ1，EMS讀取PCS功率值P3t=PPCS,t-τ1-τ2是不相等的，即P1t≠P2t≠P3t。

由于計算得出的風功率值與實際的風功率不相等，因此對計算出的風功率值進行濾波計算而得出的PCS功率指令也與理想的功率指令不相等，導致PCS發(fā)出的功率與風功率疊加后與理想的輸出功率值不相等，系統(tǒng)的功率平滑控制策略就會失效。

2.2.3 帶時滯的風儲系統(tǒng)平滑控制效果仿真分析

在Matlab/Simulink平臺上對帶時滯的風儲系統(tǒng)進行仿真分析，分析所用數(shù)據(jù)來源為2013年5月17日內(nèi)蒙古某風電場其中一臺風機的實測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣周期為0.25s。在模型中EMS發(fā)出功率指令到PCS開始執(zhí)行的時延τ1=500ms，EMS發(fā)出讀取功率指令到接收PCS返回當前的功率值的時延τ2=450ms。PCS額定輸出功率為500kW，即功率限幅為±500kW，平滑策略采用的低通濾波時間常數(shù)為 10min。圖5和圖6分別表示了風功率曲線、不考慮時滯的風儲系統(tǒng)輸出曲線和考慮時滯的風儲系統(tǒng)輸出曲線。

圖5 風功率曲線和理想輸出功率曲線Fig.5 Wind power curve and ideal output power curve

圖5表明在理想狀態(tài)下，風儲系統(tǒng)的平滑功率策略能起到很好的效果，但是在存在時滯的系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出功率如圖6所示，時滯對系統(tǒng)平滑功率策略的運行造成了很大的影響，系統(tǒng)運行至第5 s的時候平滑功率策略已經(jīng)失效。

圖6 帶時滯的風儲系統(tǒng)輸出功率曲線Fig.6 Output power curve of wind power storage system with time delay

3 原因分析及改善措施

3.1 帶時滯的風儲系統(tǒng)功率平滑策略分析

根據(jù)以上的分析，在帶有時滯的風儲系統(tǒng)中，系統(tǒng)的平滑功率策略運行不穩(wěn)定的主要原因為EMS發(fā)出的功率指令P1、PCS實際執(zhí)行的功率值P2、EMS讀取的PCS功率值P3三者不相等導致控制運算出現(xiàn)誤差引起的，因此可以通過降低系統(tǒng)指令更新速度，即增加系統(tǒng)的指令更新周期來解決該問題。

設(shè)系統(tǒng)在kT時刻開始更新指令，其指令值為PPCS,kT，T為系統(tǒng)的指令周期，k=0,1,2…。此時EMS獲得的數(shù)據(jù)有當前時刻系統(tǒng)輸出總功率Pout,kT、上一系統(tǒng)指令周期中EMS發(fā)送給PCS的功率指令PPCS,(k-1)T、以及讀取到的當前PCS的功率值PPCS,kT-t1-t2，令T>t1+t2。對于任意的時刻t，在kT≤t≤(k+1)T的時間范圍內(nèi)，EMS發(fā)出的功率指令不變，因此其PCS的功率值也是恒定不變的。因此，在系統(tǒng)更新指令的時刻kT，有：

P1t=PPCS，(k-1)T

(3)

P2t=PPCS,kT-τ1

(4)

P3t=PPCS,kT-τ1-τ2

(5)

P1t=P2t=P3t

(6)

即實現(xiàn)了EMS發(fā)出的功率指令值、PCS執(zhí)行的功率指令值和EMS讀取的PCS功率值三者相等。

將上述系統(tǒng)進行離散化分析，增加系統(tǒng)指令更新時間可以等效為增加系統(tǒng)采樣周期，在S域中分析得出的輸入輸出表達式為

(7)

(8)

(9)

由公式(9)可得，不能從系統(tǒng)離散化公式中獲得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的表達式，可以從數(shù)字仿真的角度進行分析。

3.2 帶時滯的風儲系統(tǒng)指令更換周期仿真分析

圖7為系統(tǒng)指令更新周期為1 s的功率曲線圖。由圖7可以看出，仿真系統(tǒng)輸出功率曲線圍繞著理想輸出功率曲線波動，與風機輸出功率曲線相比，其波動性有很大的減少，風功率的波動得到了很大的平滑，風儲系統(tǒng)的平滑功率策略取得了效果。

圖7 系統(tǒng)指令更新周期為1 s的功率曲線圖Fig.7 Power curve with 1 s periodic updating system instruction

在實際情況下，系統(tǒng)的延遲時間也具有一定的時變性，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，應當使系統(tǒng)的指令更新周期時間足夠長，使得T≥max(τ1+τ2)。圖8為系統(tǒng)指令更新周期為2 s時得到的平滑功率曲線圖。對比圖7、8可以看出，隨著系統(tǒng)指令更新周期的增加，系統(tǒng)實際輸出功率曲線波動變大，風功率平抑效果變差，因此系統(tǒng)指令更新周期的選擇必須在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下盡可能小。

可以通過比較系統(tǒng)實際輸出功率與理想輸出的差異，來分析不同系統(tǒng)指令更新周期對風儲功率平滑策略的影響。設(shè)Pt為t時刻系統(tǒng)理想輸出功率曲線的功率值，PT,t為系統(tǒng)指令更換周期為T時t時刻系統(tǒng)實際輸出功率曲線的功率值。

圖8 系統(tǒng)指令更新周期為2 s的功率曲線圖Fig.8 Power curve with 2 s periodic updating system instruction

圖9 系統(tǒng)指令更新周期與系統(tǒng)輸出功率平均誤差關(guān)系圖Fig.9 Relationship between system instruction update cycle and system output power average error

從圖9中可以看出，可以將系統(tǒng)的指令更新周期設(shè)計為2 s，T≈2(τ1+τ2)，其輸出功率的平均誤差約為20 kW，為風機當天實際最大功率的1.39%，這樣既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，也保證了較好的風功率平抑效果。

3.3 帶時滯的風儲系統(tǒng)指令更新周期測試驗證

本文于2015年6月在內(nèi)蒙古某風電場的風儲系統(tǒng)進行了功能測試，為了使風儲系統(tǒng)平滑功率策略能夠穩(wěn)定實現(xiàn)，必須對系統(tǒng)的指令周期進行選擇，圖10和圖11分別為系統(tǒng)指令更新周期為 1 s和2 s的系統(tǒng)功率曲線。

圖10 系統(tǒng)指令更新周期為1 s時系統(tǒng)功率曲線Fig.10 System power curve with 1 s periodic updating system instructions

圖11 系統(tǒng)指令更新周期為2 s時系統(tǒng)功率曲線Fig.11 Power curve with 2 s periodic updating system instructions

在圖10中，紅色曲線為風機發(fā)出的功率曲線，白色曲線為經(jīng)過平滑策略后風儲系統(tǒng)發(fā)出的總功率曲線。由圖10可以看出，系統(tǒng)更新周期取1 s時，風功率的波動幅值雖然有所減少，但是風功率平抑效果并不明顯，這是由于系統(tǒng)時延的動態(tài)波動使得PCS功率指令執(zhí)行時間T

在圖11中，紅色曲線為風機輸出功率曲線，白色曲線為經(jīng)過平滑策略后風儲系統(tǒng)發(fā)出的總功率曲線。由圖10和圖11可以看出，當系統(tǒng)指令更新周期為 1 s時，由于系統(tǒng)時延最大值大于系統(tǒng)指令更新周期，因此風功率平抑效果不明顯。當指令更換周期為2 s時，系統(tǒng)平滑功率策略運行穩(wěn)定，因此，風儲系統(tǒng)指令更換周期確定為2 s，即T≈2(τ1+τ2)。這與3.2節(jié)仿真所得的結(jié)論是相吻合的。

4 結(jié) 論

通過理論分析、仿真和實際驗證可得出以下結(jié)論。

系統(tǒng)的時滯特性可能引起風儲系統(tǒng)平滑功率策略的失效。增加系統(tǒng)的指令更新周期，使其大于系統(tǒng)控制環(huán)路最大的整體延遲時間，可以保證系統(tǒng)平滑功率策略的有效運行。

繼續(xù)增加系統(tǒng)的指令更新時間，功率平滑策略的運行效果變差，一般可以取指令更新時間為系統(tǒng)控制環(huán)路總延遲時間的2倍，既可以保證系統(tǒng)功率平滑策略穩(wěn)定運行，也保證了良好的風功率平滑效果。

本文的分析主要考慮了1臺風機的情況，實際測試驗證也是在“一機一儲”的風儲結(jié)構(gòu)上進行的。對于分布式的“一機一儲”配置結(jié)構(gòu)，本文結(jié)論能夠很好應用于多臺風機同時運行的情況。對于集中式的“多機一儲”或“一場一儲”的風儲配置，只要控制系統(tǒng)數(shù)學模型與本文分布式“一機一儲”相同，本文結(jié)論同樣適用。本文結(jié)論可為相關(guān)系統(tǒng)的運行設(shè)計提供參考。

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(編輯 景賀峰)

Effect of Time Delay on Smoothing Power Efficiency of Wind Turbine-Energy Storage System

ZHAO Yujie1, LING Zhibin1, ZHANG Minji2

(1.Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. New Energy Research Center of CNOOC Research Institute, Beijing 100015, China)

Wind storage coordination is the effective way to stabilize wind power fluctuation,and time delay has a negative impact on the operation of the wind storage system’s control strategy. This paper analyzes the impact of the time delay of each section in the wind storage system on power smoothing strategies, and proposes the solution to increase the system instruction update cycle. We simulate the method on the Matlab/Simulink platform, and analyze the impacts of different system instruction update cycles on the running effect of wind power smoothing control strategy of wind storage system. The simulation results show that, when the instruction system update cycle is twice the average time delay of the system, it can guarantee the effective implementation of the wind power smoothing control strategy. We apply the conclusion into the practical wind storage system, and the simulation results and the operation condition of actual wind storage system both show the effectiveness of the method, which can be a reference for the design of the smoothing power and other corresponding strategies of the wind power storage system.

wind storage system; wind power fluctuation; wind power smoothing; time delay

TM 614

A

1000-7229(2016)08-0128-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.020

2016-03-12

趙昱杰(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向為風力發(fā)電和電池儲能；

凌志斌(1976)，男，博士，副教授，主要研究方向為風力發(fā)電技術(shù)和電池儲能技術(shù)；

張敏吉(1978)，男，碩士研究生，主要研究方向為太陽能電池、電池儲能技術(shù)等。