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风电场复合型储能系统控制运行与规划研究

朱三立  
【摘要】:数十年来,国内风力发电系统向着规模化、高效能、低成本的方向迅猛发展。然而,受风能自身不稳定性和电力传输能力的制约,风电出力的消纳十分有限。因此,科研人员提出并实践了各种形式的储能技术手段,试图将具有高度不确定性的风能转变为可控、可调度的能源形式,在消除大容量风电机组并网冲击的同时,提高风电可调度性置信度水平,从而增加风电投资者的经济收益。现有的储能系统按照功率交换水平和能量储放空间两大指标进行甄别,可较清晰的划分为功率型储能和能量型储能。通常,复合型储能系统对风电功率波动所起的抑制作用较单一储能系统更为显著。本文通过分析比较几种典型的储能系统技术特点,选取了以能量型相变储能为主,功率型超级电容为辅的复合型储能系统对风电出力进行平稳控制,并围绕其关键技术问题展开了研究。涉及的问题包括基于传统PI控制算法的相变储能和超级电容协调控制问题,基于先进动态矩阵控制算法的梯级相变储能系统优化运行模式和超级电容线性化充放电能量管理问题,以及电制热储热、蒸发换热、膨胀发电环节和超级电容的最优功率交换水平、最优能量储放空间的选择问题,形成了从复合型储能系统在线控制到优化运行再到配置规划的研究体系。研究目的在于建立和完善包含相变储能和超级电容的风电场输出功率平稳控制体系,论证其可行性、经济性,为工程实践提供理论依据。本文主要做了以下三个方面的研究工作:(1)在在线控制方面,强调系统同步对风电波动功率的变化进行控制。首先,提出了兼具能量型和功率型储能技术优势的相变储能-超级电容复合型储能系统,按照从机组级、功能级、设备级到控制量的分层控制结构对系统在实现风电功率补偿作用时各环节之间的协调控制机制进行重点阐述。然后,结合热力学和控制学原理分别对相变储能和超级电容的PI控制方法进行了研究。其中,针对相变储能的研究主要围绕电制热储热、蒸发换热和膨胀发电环节的迟滞特性以及稳态增益误差进行建模分析;针对超级电容的研究则主要基于瞬时功率平衡理论和储能-并网变流器传输特性,制定了综合考虑风电机组输出特性、负荷特性的超级电容瞬态功率快速补偿策略。最后,通过仿真分析证明了超级电容有助于消除相变储能的功率偏差,协调控制作用下复合型储能系统跟踪补偿风电波动功率的实时性得到了明显改善。(2)在优化运行方面,强调系统在快速平抑风电功率波动的基础上采用更高效的运行模式和更先进的控制方法改善系统动态性能。首先,对以水蒸汽和有机蒸汽为工质的双螺杆膨胀机在不同串、并联运行模式下的热力学性能进行对比分析,确定影响复合型储能系统能源品位、储能利用率和发电效率的关键因素。然后,根据单级膨胀发电机阶跃响应特性建立梯级相变储能系统等效模型,该模型能够直观反映相变储能系统在各种优化运行模式下的时变特性、迟滞特性和工作效率。在此基础上,按照动态矩阵控制的基本思想将相变储能系统频域模型转化成非参数形式的矩阵预测模型,利用与该模型特性一致的输出功率平滑受控轨迹离线计算超级电容交换功率的参考值,结合初始荷电状态和三种与工程实际相关的外部约束对超级电容进行线性化充放电能量管理。同时,利用滚动优化和反馈校正机制在线计算相变储能系统最优输入控制增量序列。最后,通过仿真分析证明了对梯级相变储能系统和超级电容施加动态矩阵控制能够有效消除膨胀机热力学模型失配引起的功率偏差,复合型储能系统跟踪补偿风电波动功率的准确性得到了明显改善。(3)在配置规划方面,强调系统最优功率交换水平和最优能量储放空间的选取应当面向具体的储能对象、控制方法和优化运行策略。首先,对特定风电场波动功率进行分解,根据风电功率脉动分量的概率密度特性计算相变储能系统在满足一定风电功率可调度性置信度水平下的最优功率交换水平。然后,定义复合型储能系统可持续运行能力评价指标,以计入功率投资成本、能量投资成本和保障系统可持续运行投资成本在内的综合经济学模型作为目标函数,采用梯度下降法确定了相变储能系统最优能量储放空间。同时,考虑梯级膨胀发电机组装机容量和爬坡速率对超级电容在遵守系统长期能量供需平衡原则下的最优功率交换水平和最优能量储放空间作了优化选取。在此基础上,定义储能对于提升风电保证上网功率评价指标,研究了给定配置结果下储能转换率与风电保证上网功率提升量之间的影响关系。最后,通过仿真分析证明了选择合理的功率交换水平和能量储放空间,即使配置了储能转换率较低的储能系统也可以换取风电出力平稳性的显著提升。


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