基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0引言

風(fēng)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(zhuǎn)型升級中發(fā)揮著重要的作用。隨著風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,風(fēng)力發(fā)電自身存在的隨機(jī)性、間歇性等缺陷會(huì)影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用儲(chǔ)能技術(shù)可以有效改善風(fēng)力發(fā)電出力的不確定性,平抑功率波動(dòng),保證電力輸出的穩(wěn)定性和連續(xù)性,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的友好并網(wǎng)^[1]。

重力儲(chǔ)能通過重物的提升和下放來實(shí)現(xiàn)充/放電,相較于其他儲(chǔ)能技術(shù),具備全生命周期成本低、往返效率高、充/放電持續(xù)時(shí)間靈活、安全、無退化等優(yōu)勢。

目前的技術(shù)方案包括活塞式重力儲(chǔ)能技術(shù)、依托山體的重力儲(chǔ)能技術(shù)、基于廢棄礦井的重力儲(chǔ)能技術(shù)、依托架空索道的重力儲(chǔ)能技術(shù)、采用儲(chǔ)能塔結(jié)構(gòu)的塔吊式儲(chǔ)能技術(shù)等^[2]。相較于這些或?qū)ㄔO(shè)場地有特殊需求、或?qū)χ匚锏亩询B方式和高度有嚴(yán)格穩(wěn)定性要求的技術(shù)方案,采用基于電梯和框架式構(gòu)筑物的新型重力儲(chǔ)能技術(shù)能克服以上缺陷,具備選址靈活、適應(yīng)性廣泛的優(yōu)點(diǎn)。

本文首先分析了直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型和新型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)模型,采用新型重力儲(chǔ)能來改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出,提出了基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng),并對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)能夠有效平滑風(fēng)電出力的波動(dòng),提升電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性能。

1直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型

直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的模型主要由風(fēng)輪、永磁同步發(fā)電機(jī)、機(jī)側(cè)變流器、直流電容、網(wǎng)側(cè)變流器組成,永磁同步發(fā)電機(jī)采用“AC—DC—AC”背靠背變流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行并網(wǎng)^[3]。

風(fēng)輪能夠轉(zhuǎn)化的風(fēng)能功率(輸出機(jī)械功率)P_w為:

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

其中風(fēng)能利用系數(shù)C_p的計(jì)算公式為:

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

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,為保證最大限度對風(fēng)能的利用,通常采用最佳葉尖速比法來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的最大功率跟蹤 (Maximum Power Point Tracking,MPPT)。由風(fēng)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(guān) , 當(dāng)槳距角β恒定不變時(shí) ,風(fēng)能利用系數(shù)存在 最大值Cpmax,此時(shí)對應(yīng)的葉尖速比為最佳葉尖速比 λ_opt。β=0時(shí) ,計(jì)算得到C_pmax和λ_opt分別為0 .48和8.1 。由 式(2)可得風(fēng)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(chǔ)能系統(tǒng)模型

如圖1所示 ,新型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)由儲(chǔ)能重物 、儲(chǔ) 能重物的支撐框架結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能電機(jī)、鋼絲繩卷筒、鋼 絲繩、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電梯等構(gòu)成 ^[4]。其中 ,儲(chǔ)能電機(jī)通過 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(chǔ)能充電時(shí) ,儲(chǔ)能電機(jī)作為電動(dòng)機(jī) ,消 耗電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn) ,帶動(dòng)鋼絲繩牽引重物上行 , 電 能轉(zhuǎn)化成重物的重力勢能存儲(chǔ)起來;放電時(shí) ,儲(chǔ)能電 機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài) ,重物下行 ,牽引鋼絲繩拖動(dòng)電 機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出電能 ,重物的重力勢能轉(zhuǎn)化成電能并入 電網(wǎng)。

作為系統(tǒng)中重力勢能與電能之間機(jī)電能量轉(zhuǎn)換 的核心 , 儲(chǔ)能電機(jī)需要工作在發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)兩種 不同工況下 ,選擇能夠雙向旋轉(zhuǎn)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)作為儲(chǔ)能電機(jī) 。永磁同步電機(jī)(PMSM)具備結(jié)構(gòu)簡單、體 積小、功率因數(shù)和效率高 ,可以在較寬的負(fù)載范圍內(nèi) 保持優(yōu)良性能等優(yōu)勢 , 因此選擇PMSM作為新型重力 儲(chǔ)能的儲(chǔ)能電機(jī)^[5]。

2.1 儲(chǔ)能的充/放電過程

新型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)在工作時(shí) , 由于其自身的結(jié) 構(gòu)特點(diǎn) ,儲(chǔ)能的單次充/放電過程對應(yīng)著電梯及重物 的單次上行/下行運(yùn)動(dòng)行程 。理想情況下 ,單個(gè)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(yùn)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(chǔ)能電機(jī)額定轉(zhuǎn)速對應(yīng)的上行/下 行速度后 ,進(jìn)入勻速工作階段;在勻速工作階段 ,儲(chǔ)能 電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,輸出額定的充/放電功率 ,該階 段是新型重力儲(chǔ)能的主要出力階段; 當(dāng)儲(chǔ)能的充/放 電功率指令減小到零或電梯即將到達(dá)框架式構(gòu)筑物 的頂層/底層時(shí) ,進(jìn)入減速停運(yùn)階段 ,使重物和電梯 平穩(wěn)停在建筑的目標(biāo)層 ,結(jié)束單次充/放電過程。

在此過程中 ,新型重力儲(chǔ)能的充/放電功率為:

式中:F_GB (t)為t時(shí)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(shí)刻的上行/下行運(yùn)動(dòng)速 度 ,規(guī)定上行方向?yàn)関(t)的正方向 ,v (t)>0時(shí) , 電梯 上行,v(t)<0時(shí) , 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(chǎn)生重物和電梯的加速度a(t),若不 考慮重物重力勢能與動(dòng)能之間能量轉(zhuǎn)化的損耗,a(t) 的表達(dá)式為:

式中:m、m_elev分別為重物、電梯的質(zhì)量。

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

在勻速工作階段,重物的加速度為零,此時(shí)新型重力儲(chǔ)能的充/放電功率為:

由式(6)可知,新型重力儲(chǔ)能的充/放電功率與重物和電梯的質(zhì)量、重物運(yùn)動(dòng)速度均成正比。

2.2儲(chǔ)能的工作特性

對重力儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和效率的影響因素研究表明,儲(chǔ)能功率與重物質(zhì)量、重物上/下運(yùn)動(dòng)速度均成正比;儲(chǔ)能效率與重物上/下運(yùn)動(dòng)速度成反比,受重物質(zhì)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(chǔ)能需要工作在低速、高載重的場合,對應(yīng)的儲(chǔ)能電機(jī)選用低速大扭矩PMSM實(shí)現(xiàn)重載拖動(dòng)。

PMSM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由承載重物的電梯對鋼絲繩所施加的拉力產(chǎn)生,當(dāng)新型重力儲(chǔ)能的充/放電功率保持基本不變時(shí),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(yīng)地,無論P(yáng)MSM處在發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)狀態(tài),無論重物上行或下行,PMSM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩始終保持恒定^[8]。

設(shè)上行為重物運(yùn)動(dòng)的正方向,對應(yīng)電機(jī)的正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為正,電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下,負(fù)載轉(zhuǎn)矩阻礙電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),為正;重物下行時(shí),對應(yīng)電機(jī)反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為負(fù),電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下,負(fù)載轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),其方向不變,仍為正?？紤]系統(tǒng)中傳動(dòng)部分、電機(jī)等在運(yùn)行中因摩擦而產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩,阻尼轉(zhuǎn)矩總是阻礙電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),阻尼轉(zhuǎn)矩阻礙電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),為正,與負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用疊加;電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí),阻尼轉(zhuǎn)矩阻礙發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),為負(fù),與負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用相抵消。PMSM的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖2所示,PMSM工作在第一象限(正轉(zhuǎn)、正載)和第四象限(反轉(zhuǎn)、正載)。

2.3儲(chǔ)能并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

新型重力儲(chǔ)能并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)類似,如圖3所示。其中儲(chǔ)能電機(jī)同樣采用“AC—DC— AC”背靠背變流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行并網(wǎng)。儲(chǔ)能側(cè)變流器通常采用額定轉(zhuǎn)速指令控制,給定的轉(zhuǎn)速指令為儲(chǔ)能電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,以確保新型重力儲(chǔ)能輸出額定的充/放電功率;網(wǎng)側(cè)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(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電自身出力的特點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸送到電網(wǎng)的功率存在隨機(jī)和間歇的缺陷,無法滿足電網(wǎng)的有功功率需求,對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行不利?？紤]采用新型重力儲(chǔ)能技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電相結(jié)合的方式構(gòu)成風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng),來改善風(fēng)力發(fā)電輸出功率的缺陷,使風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)輸送到電網(wǎng)的功率滿足電網(wǎng)的有功功率需求,進(jìn)而提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電與新型重力儲(chǔ)能均采用背靠背的“AC—DC—AC”變流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行并網(wǎng)。因此,本文提出一種基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中,風(fēng)電機(jī)組和新型重力儲(chǔ)能共用一個(gè)直流母線,風(fēng)電機(jī)組經(jīng)機(jī)側(cè)變流器與新型重力儲(chǔ)能經(jīng)儲(chǔ)能變流器并聯(lián)在同一個(gè)直流母線上,構(gòu)成基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng),風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行并網(wǎng)。

基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中,新型重力儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)雙向儲(chǔ)能變流器接在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直流母線上,在直流母線處構(gòu)成一個(gè)三端口網(wǎng)。在風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中,新型重力儲(chǔ)能、風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)之間通過三端口網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的功率流動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)側(cè)變流器采用最大功率跟蹤控制時(shí),風(fēng)電機(jī)組能捕獲并輸出最大風(fēng)功率;電網(wǎng)側(cè)變流器采用功率指令控制;新型重力儲(chǔ)能的輸出用于配合風(fēng)電機(jī)組的出力來滿足電網(wǎng)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(zhuǎn)速控制,通過穩(wěn)定直流母線電壓來彌補(bǔ)網(wǎng)側(cè)功率與風(fēng)機(jī)功率的差值,實(shí)現(xiàn)輸送到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定。

3.2 仿真分析

對所設(shè)計(jì)的基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真參數(shù)如表1所示。

設(shè)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率、新型重力儲(chǔ)能輸 出的有功功率、電網(wǎng)吸收的有功功率分別為Pw、P_GESS、P_g。在系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡時(shí),滿足如下公式:

1)t=0~1s:風(fēng)速v_w為8 m/s,網(wǎng)側(cè)有功功率指令大小設(shè)為v_w=8 m/s對應(yīng)的最大風(fēng)能P_MPPT維持不變,此時(shí)機(jī)側(cè)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(chǔ)能期望輸出為零,不參與動(dòng)作。

2)t=1 ~3s:1s 時(shí)風(fēng)速 突增至9m/s,P_W>P_g, P_GESS<0,新型重力儲(chǔ)能充電。

3)t=3~5s:3s時(shí)風(fēng)速突降至8.7m/s,仍滿足P_W>P_g,P_GESS<0,新型重力儲(chǔ)能充電,風(fēng)速減小導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率P_W減小,進(jìn)而導(dǎo)致P_GESS減小,新型重力儲(chǔ)能的充電功率減小。

4)t=5 ~7s:5s 時(shí) 風(fēng)速 突 降 至7m/s,P_W<P_g,P_GESS>0,新型重力儲(chǔ)能放電,完成充/放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

5)t=7~8 s:7 s時(shí)風(fēng)速恢復(fù)至最初的8 m/s,新型重力儲(chǔ)能恢復(fù)至不工作狀態(tài)。

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知,對于所設(shè)計(jì)的基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng),新型重力儲(chǔ)能的輸出功率能夠彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電輸出的不足,改善風(fēng)力發(fā)電出力的波動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定可靠。其中,根據(jù)風(fēng)力發(fā)電輸出功率對應(yīng)的儲(chǔ)能充/放電功率需求,新型重力儲(chǔ)能可以實(shí)時(shí)調(diào)整出力,改變儲(chǔ)能電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小和方向,儲(chǔ)能電機(jī)可以在發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)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(fēng)機(jī)出力和網(wǎng)側(cè)功率需求的不平衡會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓偏離參考值,從而引起新型重力儲(chǔ)能動(dòng)作,以維持直流母線電壓的穩(wěn)定。

4總結(jié)

本文考慮采用新型重力儲(chǔ)能來改善風(fēng)力發(fā)電出力的波動(dòng)性和間歇性,提高大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的安全穩(wěn)定。通過對直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)模型和新型重力儲(chǔ)能的充/放電過程、工作特性、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的研究分析,設(shè)計(jì)了一種基于新型重力儲(chǔ)能的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng),其中,新型重力儲(chǔ)能經(jīng)變流器并聯(lián)在風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)。通過仿真分析可知,在所提出的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)中,新型重力儲(chǔ)能的輸出功率能夠彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電的輸出功率與輸送到電網(wǎng)的目標(biāo)功率之間的差額,改善風(fēng)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(shè)計(jì)的風(fēng)儲(chǔ)一體化系統(tǒng)未考慮到新型重力儲(chǔ)能輸出存在的間歇對系統(tǒng)內(nèi)部功率平衡的影響。另外,考慮到單純重力儲(chǔ)能系統(tǒng)在響應(yīng)特性方面的不足,可考慮將新型重力儲(chǔ)能與其他快速響應(yīng)的儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合,充分發(fā)揮多種儲(chǔ)能的優(yōu)勢。

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2024年第18期第7篇