基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng)設計

0引言

風力發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分,在電力系統(tǒng)的能源轉型升級中發(fā)揮著重要的作用。隨著風電機組并網規(guī)模的不斷擴大,風力發(fā)電自身存在的隨機性、間歇性等缺陷會影響到電網的安全穩(wěn)定運行。采用儲能技術可以有效改善風力發(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)風電的友好并網^[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,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。

目前的技術方案包括活塞式重力儲能技術、依托山體的重力儲能技術、基于廢棄礦井的重力儲能技術、依托架空索道的重力儲能技術、采用儲能塔結構的塔吊式儲能技術等^[2]。相較于這些或對建設場地有特殊需求、或對重物的堆疊方式和高度有嚴格穩(wěn)定性要求的技術方案,采用基于電梯和框架式構筑物的新型重力儲能技術能克服以上缺陷,具備選址靈活、適應性廣泛的優(yōu)點。

本文首先分析了直驅式風電機組并網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力發(fā)電系統(tǒng)的輸出,提出了基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進行了仿真分析。仿真結果表明,所設計的風儲一體化系統(tǒng)能夠有效平滑風電出力的波動,提升電網的安全穩(wěn)定性能。

1直驅式風電機組并網模型

直驅式風電機組并網的模型主要由風輪、永磁同步發(fā)電機、機側變流器、直流電容、網側變流器組成,永磁同步發(fā)電機采用“AC—DC—AC”背靠背變流器結構進行并網^[3]。

風輪能夠轉化的風能功率(輸出機械功率)P_w為:

式中:ρ為空氣密度;A為風電機組葉片掃過的面積; C_p為風能利用系數(shù),是風力機將風能轉化成機械能的效率;v_w為風速;λ為葉尖速比,是風輪葉片尖端線速度與風速之比;β為槳距角,指風機葉片與風輪平面的夾角。

其中風能利用系數(shù)C_p的計算公式為:

式中:λ_i為求解風能利用系數(shù)C_p的中間變量;w_m為風電機組的機械角速度;R為葉片掃過面積對應的半徑;v_m為風電機組的葉尖線速度。

在風力發(fā)電系統(tǒng)中,為保證最大限度對風能的利用,通常采用最佳葉尖速比法來實現(xiàn)風能的最大功率跟蹤 (Maximum Power Point Tracking,MPPT)。由風能利用系數(shù)的公式可知,C_p與葉尖速比和槳距角β相關 , 當槳距角β恒定不變時 ,風能利用系數(shù)存在 最大值Cpmax,此時對應的葉尖速比為最佳葉尖速比 λ_opt。β=0時 ,計算得到C_pmax和λ_opt分別為0 .48和8.1 。由 式(2)可得風力發(fā)電的最大功率為:

式中:k_opt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構、儲能電機、鋼絲繩卷筒、鋼 絲繩、傳動機構、電梯等構成 ^[4]。其中 ,儲能電機通過 傳動機構與鋼絲繩卷筒相連 ,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 耗電能驅動電機旋轉 ,帶動鋼絲繩牽引重物上行 , 電 能轉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 機旋轉發(fā)出電能 ,重物的重力勢能轉化成電能并入 電網。

作為系統(tǒng)中重力勢能與電能之間機電能量轉換 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 ,選擇能夠雙向旋轉的發(fā)電電動機作為儲能電機 。永磁同步電機(PMSM)具備結構簡單、體 積小、功率因數(shù)和效率高 ,可以在較寬的負載范圍內 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 構特點 ,儲能的單次充/放電過程對應著電梯及重物 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速對應的上行/下 行速度后 ,進入勻速工作階段;在勻速工作階段 ,儲能 電機以額定轉速旋轉 ,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)停在建筑的目標層 ,結束單次充/放電過程。

在此過程中 ,新型重力儲能的充/放電功率為:

式中:F_GB (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F_GB(t)與重物和電梯所受 的重力共同作用產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化的損耗,a(t) 的表達式為:

式中:m、m_elev分別為重物、電梯的質量。

a (t)>0時,重物速度增大,對應加速階段;a(t)<0時,重物速度減小,對應減速階段。

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:

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的負載轉矩是由承載重物的電梯對鋼絲繩所施加的拉力產生,當新型重力儲能的充/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的負載轉矩始終保持恒定^[8]。

設上行為重物運動的正方向,對應電機的正轉,轉速為正,電機工作在電動機狀態(tài)下,負載轉矩阻礙電動機的轉動,為正;重物下行時,對應電機反轉,轉速為負,電機工作在發(fā)電機狀態(tài)下,負載轉矩拖動發(fā)電機轉動,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生的阻尼轉矩,阻尼轉矩總是阻礙電機的轉動,電機正轉時,阻尼轉矩阻礙電動機的轉動,為正,與負載轉矩作用疊加;電機反轉時,阻尼轉矩阻礙發(fā)電機的轉動,為負,與負載轉矩作用相抵消。PMSM的負載轉矩特性曲線如圖2所示,PMSM工作在第一象限(正轉、正載)和第四象限(反轉、正載)。

2.3儲能并網結構

新型重力儲能并網的結構與直驅式風電機組并網類似,如圖3所示。其中儲能電機同樣采用“AC—DC— AC”背靠背變流器結構進行并網。儲能側變流器通常采用額定轉速指令控制,給定的轉速指令為儲能電機的額定轉速,以確保新型重力儲能輸出額定的充/放電功率;網側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儲一體化系統(tǒng)設計

3.1風儲一體化系統(tǒng)設計

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

直驅式風力發(fā)電與新型重力儲能均采用背靠背的“AC—DC—AC”變流器結構進行并網。因此,本文提出一種基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng)設計。其中,風電機組和新型重力儲能共用一個直流母線,風電機組經機側變流器與新型重力儲能經儲能變流器并聯(lián)在同一個直流母線上,構成基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng),風儲一體化系統(tǒng)經網側變流器進行并網。

基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng)結構如圖4所示。

其中,新型重力儲能系統(tǒng)經雙向儲能變流器接在風力發(fā)電系統(tǒng)的直流母線上,在直流母線處構成一個三端口網。在風儲一體化系統(tǒng)中,新型重力儲能、風力發(fā)電和電網之間通過三端口網絡實現(xiàn)系統(tǒng)內部的功率流動。當風機側變流器采用最大功率跟蹤控制時,風電機組能捕獲并輸出最大風功率;電網側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電機組的出力來滿足電網的有功功率需求,故采用定直流母線電壓控制來代替給定轉速控制,通過穩(wěn)定直流母線電壓來彌補網側功率與風機功率的差值,實現(xiàn)輸送到電網的功率穩(wěn)定。

3.2 仿真分析

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

設風電機組發(fā)出的有功功率、新型重力儲能輸 出的有功功率、電網吸收的有功功率分別為Pw、P_GESS、P_g。在系統(tǒng)內部功率平衡時,滿足如下公式:

1)t=0~1s:風速v_w為8 m/s,網側有功功率指令大小設為v_w=8 m/s對應的最大風能P_MPPT維持不變,此時機側變流器采用最大功率跟蹤控制,P_W=P_g,P_GESS=0,新型重力儲能期望輸出為零,不參與動作。

2)t=1 ~3s:1s 時風速 突增至9m/s,P_W>P_g, P_GESS<0,新型重力儲能充電。

3)t=3~5s:3s時風速突降至8.7m/s,仍滿足P_W>P_g,P_GESS<0,新型重力儲能充電,風速減小導致風電機組發(fā)出的有功功率P_W減小,進而導致P_GESS減小,新型重力儲能的充電功率減小。

4)t=5 ~7s:5s 時 風速 突 降 至7m/s,P_W<P_g,P_GESS>0,新型重力儲能放電,完成充/放電狀態(tài)的轉換。

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

仿真結果如圖5、圖6所示。

由圖5可知,對于所設計的基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng),新型重力儲能的輸出功率能夠彌補風力發(fā)電輸出的不足,改善風力發(fā)電出力的波動性,實現(xiàn)風儲一體化系統(tǒng)輸出到電網的功率穩(wěn)定可靠。其中,根據(jù)風力發(fā)電輸出功率對應的儲能充/放電功率需求,新型重力儲能可以實時調整出力,改變儲能電機的轉速大小和方向,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。風機出力和網側功率需求的不平衡會導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

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

本文所設計的風儲一體化系統(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)在響應特性方面的不足,可考慮將新型重力儲能與其他快速響應的儲能技術相結合,充分發(fā)揮多種儲能的優(yōu)勢。

[參考文獻]

[1]蒲文靜.風電+儲能技術的應用 [J].水電與新能源,2024,38(4):75-78.

[2]邱清泉,羅曉悅,林玉鑫,等.垂直式重力儲能系統(tǒng)的研究進展和關鍵技術 [J].儲能科學與技術,2024,13 (3):934-945.

[3]曹明鋒.直驅型永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)變流器的控制研究[D].株洲:湖南工業(yè)大學,2013.

[4] 買買提沙比爾.玉蘇甫.新型重力儲能系統(tǒng)設計與經濟性分析[D].烏魯木齊:新疆大學,2023.

[5] 陳云良,劉曼,凡家異,等.重力儲能發(fā)電現(xiàn)狀、技術構想及關鍵問題[J].工程科學與技術,2022,54(1):97-105.

[6]劉志剛,伍也凡,肖振鋒,等.基于重力儲能的風光儲系統(tǒng)多 目標容量優(yōu)化規(guī)劃[J].全球能源互聯(lián)網,2021,4(5):464-475.

[7]聶亞惠,周學志,郭丁彰,等.鐵軌重力儲能系統(tǒng)關鍵影響因素及其與風電場的耦合研究[J].儲能科學與技術, 2024,13(6):1900-1910.

[8]韓嘉言,呂艷玲,周沖.重力儲能直流環(huán)節(jié)電池多模式控制方法研究[J].中國電力,2024,57(7):66-73.

[9]趙永明,邱清泉,聶子攀,等.重力/飛輪綜合儲能電機變流并網系統(tǒng)設計及運行特性 [J].儲能科學與技術,2022,11(12):3895-3905.

2024年第18期第7篇