风力发电无储能型微电网能量管理方法研究

张 东，刘甲琛，夏艺歌，曹志威

(1.中国能源建设集团西北电力试验研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.国网陕西省电力公司西安市长安区供电分公司，陕西 西安 710100；3.陕西送变电工程有限公司，陕西 西安 710014；4.上能电气股份有限公司，广东 深圳 518057)

0 引言

为了满足社会绿色环保的要求，越来越多清洁能源发电采用分布式电源的形式并入到现代电力系统中[1]。近年来，随着我国风电装机容量的快速增长，并入电网及远距离输电等方面的问题越来越突出。由于考虑到主体电网电能稳定等因素，部分已并网的风电场被限制发电的情况时有发生，部分风电场的电能损失高达30%，严重影响风电行业的发展[2]。

随着微电网系统的提出，将分布式风力发电并入微电网进行能量管理控制以解决上述问题的方法受到许多学者和机构的关注。能量管理系统(energy management system，EMS)主要以降低能源消耗、提高系统效率、增强系统可靠性、预测系统运行状态、优化能量利用及削减费用为主要目标[3]。文献[4]设计了适用于海岛微电网的风力发电系统及其电能优化调度策略，文章解决了功率在微电网系统内高损耗等问题，但是其优化调度策略只适用于孤岛模式下；文献[5]提出了一种智能能量管理系统，对含混合能源的微电网进行能量管理控制，该控制系统主要是基于储能系统(energy storage system，ESS)进行风力发电及光伏发电功率的调度；文献[6]提出了专家能量管理系统调度含风力发电微电网系统电能，文章主要通过风力的预测、多目标优化及储能系统进行能量调度控制；文献[7]同样是对含风/光/储的微电网进行多目标优化的能量调度控制。

以上文献都有效地解决了微电网中风力发电输出功率波动大或产能过剩的问题，但皆设置了储能系统辅助解决上述问题，而目前在我国储能技术发展尚未完善，存在储能电池转化效率低、容量小及经济效益低等问题[8]，实际工程中无法配置满足要求的储能系统。为此，本文设计一种含交直流两段母线的无储能并网型微电网系统，对该系统提出分层能量调度控制方法，实现对风力发电功率波动的平抑控制并解决电能过剩的问题。

1 微电网系统设计

本文所设计的微电网系统结构图如图1 所示。微电网系统以风力发电机组为电源，单个风机通过整流器并入直流母线，直流母线与交流母线之间通过逆变器组连接。交流母线设计为单母分段式，直流母线与Ⅰ段交流母线通过逆变器组连接，Ⅱ段交流母线与直流母线之间只通过单个逆变器连接，主要负责给系统本地负荷供电，同时也作为备用段母线。Ⅰ段、Ⅱ段交流母线之间通过母联断路器连接，系统正常运行时断路器处于断开状态，只有当Ⅰ段或Ⅱ段交流母线上逆变器故障或检修时断路器变为合闸状态。

图1 微电网系统结构图

2 能量管理方法设计

2.1 分层控制算法设计

本文设计四层结构的分层控制算法，结构图如图2 所示。图2 中，中央控制器的功能主要是收集各层数据参数并反馈不同的控制指令，为了保证中央控制器与各层之间数据的可靠交互，系统采用“一用一备”的通讯结构，以保证数据的可靠传输。

图2 分层控制算法结构图

集中式分层控制算法各层的功能如下：

1)第一层：该层主要接受电网调度指令并汇集数据传给中央控制器，中央控制器经过整合处理所有数据后通过该层将可入网电量回馈电网调度；

2)第二层：该层根据风电机组预测和实时发电量及本地负荷用电情况计算可入网电量，并将信息传给中央控制器；

3)第三层：该层主要控制逆变器组稳定运行并维持交流母线电压稳定；

4)第四层：该层主要是控制各风电机的输出功率并通过整流器稳定直流母线电压，采集风电机组的发电量传给中央控制器。

2.2 入网电能控制算法设计

入网电能的控制具体可以根据微电网系统运行状态及电网调度指令划分为两种模式。

第一种模式：当微电网系统目前处于孤岛运行状态，电网调度要求系统并网提供电能PG。此时第一层控制器接受到并网需求指令，将信息传送给中央控制器，同时第二层将实时记录的负荷功率PL与风电机组预测功率Py进行整合计算得出可入网功率并将数据通过第一层上传电网调度。为了减少机组同时启动带来的冲击，控制系统采用逐一启动风机及逆变器组的方法，该方法通过第三层和第四层实现。逐一启动机组的同时需实时对比预测功率Py曲线和实际发电功率Ps曲线，若启动过程中∆(Ps-Py)或∆(Ps-PG)的值大于0，则按计划入网发电，否则及时更新数据提醒电网调度更改计划。其中，单台风力发电机输出功率预测算法采用文献[9]所提方法，该方法能有效地对风机短期出力进行精准预测，符合控制系统的要求。

第二种模式：当微电网系统并网运行时，电网调度要求系统增加或者降低入网电量。假设系统实时的入网功率为Ps，电网调度指令需增加或降低功率∆PG。指令为增加功率时，第二层首先向中央控制器传输预测的发电功率Py曲线和本地负荷功率PL曲线，通过计算得出预测可增加的功率∆Py，若满足(∆Py-∆PG)>0，则第四层控制风电机组增加输出功率，此时实时增加的功率值为∆Pwts，并且呈上升状态，如果∆(∆Pwts-∆PG)的值大于0，则入网计划不变，否则需根据实际功率调整入网计划。指令为降低功率时，第二层记录实时发电量和负荷用电量，中央控制器根据第二层传输的数据向第四层发送指令，在满足入网电量和负荷用电的条件下，第四层降低风力发电机的输出功率或者停止部分风机发电。

控制算法逻辑步骤如图3 所示。该控制方法的优点在于电网调度可以根据控制系统上传的可并网电能数据调整整体的调度计划，并且电网调度通过数据评估可以决定微电网系统入网电量的多少，多余电能则由微电网系统自行调度控制，既保证了电网整体的稳定性，又减少了产能过剩导致的能量浪费。

图3 入网电能控制算法步骤图

2.3 风电机组俯仰角控制算法设计

自然风速与风力发电机输出功率呈现非线性关系，如图4 所示。两者之间的数学关系表示为[9]：

图4 风力发电输出功率与风速关系曲线图

式(1) ～(3) 中：ρ为 空 气 密 度，kg/m3；Ro为风机涡轮半径，cm；Vs为实时风速，m/s；λ=RoωWT/Vs为尖端速度比；ωWT为风机涡轮转速，r/s；β为俯仰角度，°；Cp为功率系数。

在风速一定时，俯仰角度会影响风力发电机的输出功率，因此，可以通过控制俯仰角度调整风力发电机的输出功率。根据风速与风机发电功率的关系，俯仰角控制方法为：①当0

当Vr

图5 俯仰角控制框图

3 仿真实验及结果

本文采用Matlab/Simulink 仿真软件对系统进行能量调度控制算法的实验验证，设计的微电网系统参数如表1 所示。

表1 微电网系统参数

仿真实验结果如图6 ～图8 所示。根据图7 中的电网调度PG曲线可得，微电网系统经历了孤岛运行、孤岛/ 并网切换运行、增加入网功率与降低入网功率这四种状态。

1)孤岛运行。微电网系统在8 点之前运行于孤岛状态，此时系统只对本地负荷供电。其中Pwt为不采用俯仰角控制的风电机组输出功率，其功率曲线与预测功率Py曲线基本一致，因此，Py可以作为能量调度控制系统的有效参考量。综合图6、图7 可知，预测功率Py曲线显示0 点至8 点风机输出功率波动较大，而且负荷功率PL较低，极不利于微电网系统稳定运行，因此，控制系统停止1 号、5 号风机运行，并根据负荷实时功率和2 号、3 号、4 号风机的实时风速通过控制俯仰角度分配风力发电机的输出功率并有效地降低了输出功率的波动。

图6 各风机输出功率及俯仰角度曲线图

图7 微电网实验结果曲线图

图8 俯仰角控制前后风机输出功率曲线图

2)孤岛/并网切换运行。微电网系统接收到并网指令时间为8 点，此时，电网调度根据微电网控制系统上传的可入网电量调整微电网入网功率指令值PG，可以看到PG在8:00 ～8:30处于上升阶段，控制系统同时实时计算Pwts与PL的差值，此时Pwts与PL的差值始终大于0，因此，8:30 之后PG不变。同时微电网控制系统启动1 号风机发电，并通过俯仰角控制增加2 号、3 号、4 号风机的输出功率，此时控制器降低1 ～4 号风机的俯仰角度，提升发电机的输出功率。

3)增加入网功率。14:00 时电网调度要求微电网系统增加入网功率，根据Py、PL及PG曲线可知，此时(∆Py-∆PG)>0，控制系统增加1 ～5 号风机输出功率。在16:00 时，假设4 号风机的风速下降，系统控制降低4 号风机输出功率同时增加5 号风机功率以保持入网功率的稳定。相应地，如图6(b)所示，4 号风机俯仰角度增加，5 号风机俯仰角度则有所下降。因此，证明俯仰角控制对改变风力发电机输出功率的有效性及可靠性。

4)降低入网功率。控制系统接收到降低入网功率指令后，增加1 号、2 号风机俯仰角度从而降低输出功率，停止输出较低的4 号风机并保持3 号风机输出功率不变。

为了进一步分析控制系统对风电机组输出功率的平滑控制及产能过剩问题的有效解决，对Pwt和Pwts单独分析，其曲线如图8 所示。

分析微电网系统在孤岛并网运行状态下控制器的有效性：①孤岛运行。微电网孤岛运行时只对本地负荷供电，其用电量较小，因此，所需发电量较小。由图8 可知，这段时间的风速较大且间歇性比较严重，因此，不采用俯仰角控制时风机输出功率Pwt较大且波动较大，而这将导致风机严重产能过剩并降低系统稳定性。当采用俯仰角控制后，可以看出风机输出功率Pwts明显减少且输出功率曲线较平缓，既满足了负荷用电的需求又提高了系统的稳定性。②并网运行。并网运行时，微电网不仅向本地负荷供电，同时向电网侧供电。图8 中，不采用俯仰角控制时，风机输出功率Pwt同样存在产能过剩和波动过大的问题，而采用俯仰角控制后，风机输出Pwts在满足了上网电量和本地负荷电量的需求同时，明显地降低了输出功率的波动，确保了系统的稳定。

4 结语

本文设计了一种无储能型微电网系统，针对该系统提出了一种集中式分层控制方法。该方法采用俯仰角控制算法对风力发电机输出功率进行平滑控制，最后通过多层控制器实现微电网系统的电能调度，解决了风力发电电能间歇性对电网冲击较大的问题。最后通过采用Matlab/Simulink 仿真软件对所提方法进行实验验证，实验结果证明了所设计算法的有效性。