CN103441517B - 近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法，属于可再生能源发电的技术领域。本发明在综合利用近海风能、波浪能、潮流能发电的前提下，不增加储能设备，利用近海可再生能源综合发电系统内部的潮流能发电装置平抑系统输出功率波动：将功率波动量引入潮流能发电机组输出功率参考值的计算过程中，根据潮流流速的规律特性，当潮流流速大于启动流速，潮流能发电机组在机侧控制器作用下减载运行，对波动功率进行补偿；当潮流流速小于启动流速，潮流能发电机组作为飞轮储能装置运行，补偿波动功率。本发明一方面能够减少建设成本，另一方面提高综合发电系统输出的电能质量，提高含近海可再生能源综合发电系统电网的运行性能。

Description

近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法

技术领域

本发明公开了近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法，属于可再生能源发电的技术领域。

背景技术

海洋覆盖着地球的百分之七十的表面，蕴涵着无穷的能量，据估算其能量总和大大超过了目前全球能源的需求。由于深海通常远离大陆，在现有的技术条件下深海能源难以利用，因此可利用的海洋能主要分布在近海。近海能源是清洁的可再生能源，科学地开发和利用对缓解能源危机和环境污染问题，具有重要的意义。

近海可再生能源综合发电系统融合了近海风电、波浪能发电和潮流能发电，其内部的三种发电装置具有不同的输出特性：风电随机性较强；波浪能发电在一个周期内周期性变化，且具有一定的随机性；潮流能发电则相对平稳，并可精确预测。由于近海风电和波浪能发电输出功率随机性，近海可再生能源发电系统接入电网运行后，将对电能质量以及电网的平稳运行产生重要影响。对于可再生能源发电系统输出功率的快速波动，研究的热点是采用储能设备进行平滑。然而目前储能设备成本高昂，增加储能设备势必会导致整个建设成本大幅增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法，应用于包括风力发电机组、波浪能发电机组、潮流能发电机组的近海综合发电系统，包括如下步骤：

步骤1，实时测量风力发电机组输出功率以及波浪能发电机组输出功率；

步骤2，计算风力发电机组和波浪能发电机组的目标功率；

步骤3，由步骤1测得的风力发电机组、波浪能发电机组输出功率之和，与步骤2求得的目标功率得到功率波动量；

步骤4，将步骤3中所述功率波动量引入潮流能发电机组输出功率参考值的计算过程中，根据潮流流速的规律特性，潮流能发电机组在机侧控制器作用下补偿功率波动量。

所述近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法，步骤4中所述的潮流能发电机组机侧控制器的参考功率值利用如下方法确定：

在当前时刻潮流流速大于启动流速时，利用表达式P_{ref_tidal}=P_{opt_tidal}×(1-d₀%)-△P_wave+wind确定当前时刻潮流能发电机组输出功率参考值P_{ref_tidal}，潮流能发电机组机侧控制器控制发电机减载运行；

在当前时刻潮流流速小于启动流速时，功率波动量即为当前时刻潮流能发电机组输出功率参考值，潮流能发电机组作为飞轮储能装置运行，实现潮流能发电机在电动/发电两种状态的切换，从而补偿波动功率；

其中，P_{opt_tidal}为当前时刻潮流流速下潮流能发电机组输出功率，d₀%为减载水平，△P_wave+wind为功率波动量。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：在综合利用近海风能、波浪能、潮流能发电的前提下，不增加储能设备，利用近海可再生能源综合发电系统内部的潮流能发电装置平抑系统输出功率波动。一方面能够减少建设成本，另一方面提高综合发电系统输出的电能质量，提高含近海可再生能源综合发电系统电网的运行性能。

附图说明

图1为近海可再生能源综合发电系统电气拓扑结构及控制策略示意图。

图2为潮流能机组功率-转速曲线。

图3为潮流能机组超速变桨距协调控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

近海可再生能源综合发电系统电气拓扑结构及控制策略如图1所示，近海风电、波浪能发电和潮流能发电均采用直驱永磁发电机，分别通过三个基于IGBT的PWM变流器并联至综合发电系统内部直流母线，直流母线通过海底电缆连接至岸上的PWM逆变器,最后经升压变压器并入电网。系统的控制器由三个发电机侧控制器和电网侧控制器组成，均采用解耦控制策略。近海风电和波浪能发电机侧控制器的目标是实现风能和波浪能的最大功率跟踪；电网侧控制器的目标是维持直流母线电压以及电网电压的恒定；潮流能发电的机侧控制器实现功率平滑控制。风能和波浪能的最大功率跟踪控制以及电网侧控制器技术成熟，在此不再赘述。

本发明主要技术手段是通过潮流能机侧控制器维持综合发电系统输出功率的平稳，具体实施方式如下。

步骤1，通过电流互感器和电压互感器实时测量风力发电机组输出功率以及波浪能发电机组输出功率，P_wind(k)为k时刻风力发电机组输出功率，P_wave(k)为k时刻波浪能发电机组输出功率。

步骤2，计算风力发电机组和波浪能发电机组的目标功率：

$P_{\mathrm{ref}}\left(k\right)=\mathrm{\α}\frac{P_{\mathrm{ref}}(k-n)+\·\·\·+P_{\mathrm{ref}}(k-1)}{n}+(1-\mathrm{\α})[P_{\mathrm{wind}}\left(k\right)+P_{\mathrm{wave}}\left(k\right)]---\left(1\right),$

式（1）中：P_ref(k)为k时刻的目标功率，α为一阶滤波器的滤波常数，P_ref(k-n)为k-n时刻的目标功率，P_ref(k-1)为k-1时刻的目标功率。

步骤3，由步骤1测得的风力发电机组、波浪能发电机组输出功率之和，与步骤2求得的目标功率得到功率波动量△P_wind+wave：

△P_wind+wave=P_wind(k)+P_wave(k)-P_ref(k)    （2），

步骤4，将步骤3中所述功率波动量引入潮流能发电机组输出功率参考值的计算过程中，根据潮流流速的规律特性，潮流能发电机组在机侧控制器作用下补偿功率波动量：

在当前时刻潮流流速大于启动流速时，潮流能发电机组通过减载运行补偿波动功率。

首先定义初始减载水平d₀%。利用功率预测技术，预测风力发电机组和波浪能发电机组的输出功率，按照式（1）、（2）计算预测的功率波动值则可以根据的最大值确定d₀%。

利用表达式：

P_{ref_tidal}=P_{opt_tidal}×(1-d₀%)-△P_wave+wind    （3），

确定当前时刻潮流能发电机组输出功率参考值P_{ref_tidal}；

根据Betz理论，潮流能发电机组的功率-转速曲线如图2所示，从图中可以看出，当潮流流速固定为V6时，潮流能发电机组正常工作在运行点1,也即最大功率跟踪点；如果让转子转速超越运行点1的转速，如图2中超速点2所示，可以发现由于转速发生了偏离，机组功率下降，实现了减载；如果在运行过程中，保持转速不变，而增大桨距角，可以发现由于桨距角增大，机组捕获潮流能功率减小，也可以实现减载。本发明中，潮流能发电机组的减载通过发电机超速控制和变桨协调控制（图2中超速减载d%曲线及变桨减载d%曲线）实现，为提高响应速度并防止桨距角频繁动作而导致磨损，优先应用超速法，当超速法无法满足减载需求时，再启用变桨法，其控制框图如图3所示；

超速与变桨距协调控制的具体步骤如下：首先根据实际潮流流速V_tidal计算输出功率为P_{ref_tidal}时所对应的潮流能发电机组转子超速后的值ω_{tidal_d}。设实际潮流能发电机组转子转速上限为ω_{r_max},如果ω_{tidal_d}>ω_{r_max}，则表示单纯通过超速控制无法满足减载需求。此时根据ω_{r_max}计算出在当前流速下的潮流能发电机组输出功率P_{overspeed_tidal}，并利用桨距角控制实现剩余P_{ref_tidal}-P_{overspeed_tidal}的减载。

在当前时刻潮流流速小于启动流速时，潮流能发电机组不能发电。然而由于潮流能发电机组的机侧换流器采用PWM控制方式，可以实现能量的双向流动。此外，潮流能发电机组采用永磁同步发电机，既可以作为发电机也可以作为电动机。因此可以把潮流能发电机组作为飞轮储能使用，以平滑风力发电机组和波浪能发电机组的波动功率。当潮流能发电机组工作在发电状态时，机侧变流器作为整流器将电能由发电机侧传送至综合发电系统的直流母线；当潮流能发电机组工作在电动状态时，机侧变流器作为逆变器将电能由直流母线传送至潮流能发电机组。潮流能发电机组作为飞轮储能时，功率波动量即为当前时刻潮流能发电机组输出功率参考值：

P_{ref_tidal}=△P_wave+wind    （4），

机侧变流器控制器采用解耦控制策略，技术成熟，因此其具体结构在此不再赘述。当△P_wave+wind>0时，表明潮流能机组需要吸收波动功率，此时机组工作在电动状态，转子加速，将电能转换为转子动能；当△P_wave+wind<0时，机组工作在发电状态，转子减速，将动能转换为电能。

综上所述，本发明在综合利用近海风能、波浪能、潮流能发电的前提下，不增加储能设备，利用近海可再生能源综合发电系统内部的潮流能发电装置平抑系统输出功率波动。一方面能够减少建设成本，另一方面提高综合发电系统输出的电能质量，提高含近海可再生能源综合发电系统电网的运行性能。

Claims (2)

1.近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法，应用于包括风力发电机组、波浪能发电机组、潮流能发电机组的近海综合发电系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，实时测量风力发电机组输出功率以及波浪能发电机组输出功率；

步骤2，计算风力发电机组和波浪能发电机组的目标功率；

步骤3，由步骤1测得的风力发电机组、波浪能发电机组输出功率之和，与步骤2求得的目标功率得到功率波动量；

步骤4，将步骤3中所述功率波动量引入潮流能发电机组输出功率参考值的计算过程中，根据潮流流速的规律特性，潮流能发电机组在机侧控制器作用下补偿功率波动量。

2.根据权利要求1所述的近海可再生能源综合发电系统功率波动的平滑方法，其特征在于，步骤4中所述的潮流能发电机组机侧控制器的参考功率值利用如下方法确定：

在当前时刻潮流流速大于启动流速时，利用表达式P_{ref_tidal}＝P_{opt_tidal}×(1-d₀％)-ΔP_wave+wind确定当前时刻潮流能发电机组输出功率参考值P_{ref_tidal}，潮流能发电机组机侧控制器控制潮流能发电机减载运行；

在当前时刻潮流流速小于启动流速时，功率波动量即为当前时刻潮流能发电机组输出功率参考值，潮流能发电机组作为飞轮储能装置运行，实现潮流能发电机在电动/发电两种状态的切换，从而补偿波动功率；

其中，P_{opt_tidal}为当前时刻潮流流速下潮流能发电机组输出功率，d₀％为减载水平，ΔP_wave+wind为功率波动量。