风力发电中的波动功率与调节控制技术分析
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摘 要：存在于自然界的风本身具有间歇性和波动性的特点，以此为动力的风电也附带有这样的特征，在大规模并网的背景下，可能会影响电网的电能质量，因此，需要做好风电波动功率的调节和控制，消除风电波动功率的负面影响。文章分析了风力发电中波动功率的特点，对相应的调节控制技术进行了研究和探讨。
关键词：风力发电；波动功率；调节控制技术
前言
可持续发展理念的提出和深化，使得人们加大了对于清洁可再生能源的研发力度，风电也因此得到了快速发展和广泛利用。不过在大规模风力发电时，风本身的间歇性和波动性所引发的波动功率对于电网而言是一个巨大的冲击，给电网的安全稳定运行以及电能质量控制等方面带来了很大的挑战，如何对波动功率进行有效控制，是需要电力技术人员深入研究的问题。
风力发电是一种将动能转化为机械能，然后再转化为电能的技术，可以对自然界中普遍存在的风能进行利用，不需要燃料的推动，也不会产生废弃物，与水电、核电、太阳能发电等都属于新型清洁能源，基本上不会对周边环境造成污染和破坏。
不过在实际应用中，受各种因素的影响，风本身的速度可以说是瞬息万变的，存在着非常明显的波动特性，在这种情况下，想要对风所能够产生的功率进行只能却预测，几乎是不可能的。而存在于风电输出有功功率预测值与实际风电功率值之间的误差，就是有功波动功率，这个功率数值在一个相对较大的范围内上下波动，也给电力系统的运行管理提出了很大的难题。通常来讲下，为了对自然界的风能进行最大限度的利用，在风力发电中都会采用最大功率捕获风能的模式，想要确保风电并网后电网的稳定运行，就必须采取有效措施，消除风电产生的波动功率[1]。
实施上，对于这个问题的研究由来已久，也得到了大量可供参考的解决方案，如强化风电预测的准确性，构建电能管理平台；调整常规发电机组有功出力，协调热备机组以降低风电本身间歇性和波动性带来的影响；同时，应该在尽量保持对风能最大限度的捕获的基础上，适当增加相应的辅助功率调节系统，针对风电所产生的冲击进行改善。依照《风电场接入电力系统技术规定》中的相关要求，风电场本身必须具备一定的功率调节能力，将波动功率的变化限制在允许范围内。以装机容量30MW-150MW的风电场为例，其波动功率最大值为10MW/min；装机容量在150MW以上时，波动功率变化的最大值不能超过15MW/min。
2 风力发电中的波动功率调节控制技术
文章结合上述技术规范，吸收了以往的研究经验，在最大风能捕获运行模式下，对风电的有功波动功率进行了分解，并且提出了一种针对风电波动功率进行调节和控制的方案，可以利用储能系统，提供足够承载限值外有功功率波动的容量，结合越发准确的风电预测，可以在降低储能装置配置容量的同时，减少成本的投入[2]。
2.1 风电波动功率分解
对风电场的风速进行区间划分，结合实践经验，在中速区间内，风电输出的有功功率波动较小，而且相对稳定，可以直接并入电网，而在高速区间和低速区间内，由于发生概率小，很容易出现预测误差，导致有功波动功率的剧烈波动，在这种情况下，就需要对风电波动功率进行分解。假定某风机日输出功率为P，预测日输出功率为P1，则可以得到风电有功波动功率。而依照《风电场接入电力系统技术规定》中对于风电场有功功率变化最大限值的相关要求，可以将波动功率分解为两个部分，一是存在于限值范围内的波动功率，二是存在于限值范围外的波动功率。这种分解方式可以对电网预留出的风电裕量进行最大限度的利用，从而节约储能装置的容量[3]。
2.2 风电波动功率调节控制策略
结合有功波动功率的调节控制规则，可以实现对风力发电预测功率与实际功率的对比，结合对比结果判断调节控制所处的状态，如果发现其处于调节、休眠和离网三种状态中的后两种，则不需要进行调节，而当处于调节状态时，调节控制策略可以分为两个组成部分，其中一部分是通过DC-DC buck/boost变换器，控制超级电容器进行能量的吸收或者释放，另一部分则是针对电压型PWM变流器（VSI）的控制。DC-DC buck/boost 变换器可以依照相应的规则，以超级电容器对目标功率值进行吸收或释放，从而实现功率的双向流动，其高压侧在实际应用中与VSI直流侧电容并联，低压侧则与超级电容器并联。VSI直流侧电容电压由变流器控制，保持恒定，能量可以通过变流器在直流储能以及交流母线之间流动，可以实现对有功功率和无功功率的高效控制，达到相应的目标值。超级电容器可以通过控制DC-DC buck/boost变换器的方式，对放电功率进行调整，从而实现对波动功率的调节控制。在实际应用中，上述两个部分相互结合在一起，依照控制指令，能够满足波动功率调节控制的需求[4]。
2.3 储能系统调节控制策略
在科技发展的带动下，超级电容器的功率密度和能量密度呈现出不断增长的趋势，也使得其作为一种储能技术在电力系统中有着应用的可能性。这里为了对计算和分析进行简化，采用了简单的串联RC模型，如图1。在模型中，C表示理想状态下超级电容器的等效电容，RESR则表示等效串联电阻，其不仅可以充分体现双电层超级电容器的发热损耗，还可以体现负载放电状态下，不同电流大小时RESR两侧的压降，对于双电层超级电容器的最大放电电流有着一定的约束作用。
在储能系统中，正反功率流中的控制变量到电感电流的传递系数相同，因此通过一个控制系统就能够实现能量的双向流动。在控制系统中，采用的是电流单环结构，结合相应的参考值，搭配PI控制器，可以通过对两个开关互补占空比的控制，确保电流的稳定性，而且这种控制方式具备良好的抗干扰能力和较快的动态响应。
DC-DC buck/boost变换器对于超级电容器功率的控制主要体现在电感电流上，在一个调度周期内，若风电有功功率的波动超出能够接收的限值，则变换器会控制电感电流，对多余的功率进吸收，表现为超级电容器充电，反之，变换器会释放目标功率，超级电容器放电。应该注意，当DC-DC buck/boost变换器工作时，超级电容器的端电压必须保持在正常范围内，能够提供波动功率的差额，风电场控制系统处于调节或者休眠状态，而一旦发现异常，应该及时脱网，同时上报调度部门进行分析和处理，以保证电网的运行安全[5]。
3 结束语
总而言之，在风电大规模并网时，其本身存在的波动功率会对电网造成一定的冲击，影响电网的稳定运行。对此，电力技术人员应该加强对于风电波动功率的研究，采取切实有效的调节控制措施，确保风电有功波动功率可以达到理想目标值，以满足电力系统对于风电的要求，推动电力行业的稳定发展。
参考文献
[1]张满良.风电场有功功率控制研究[J].内蒙古石油化工，2012（17）：26-28.
[2]赵瑜，周玮，于 ，等.风电有功波动功率调节控制研究[J].中国电机工程学报，2013，33（13）：85-91.
[3]赵艳雷，李海东，张磊，等.基于快速储能的风电潮流优化控制系统[J].中国电机工程学报，2012，32（13）：21-28.
[4]程莎莎，张琦，黄湘源.用于平抑风电波动功率的混合储能系统及其控制系统[J].电气工程，2013（8）：17-21.
[5]陈晨，岳薇薇.含储能系统的并网风电场有功功率控制方法研究[J].企业文化（中旬刊），2013（2）：77-79.