基于新型重力储能的风储一体化系统设计

0引言

风力发电作为可再生能源的重要组成部分,在电力系统的能源转型升级中发挥着重要的作用。随着风电机组并网规模的不断扩大,风力发电自身存在的随机性、间歇性等缺陷会影响到电网的安全稳定运行。采用储能技术可以有效改善风力发电出力的不确定性,平抑功率波动,保证电力输出的稳定性和连续性,实现风电的友好并网^[1]。

重力储能通过重物的提升和下放来实现充/放电,相较于其他储能技术,具备全生命周期成本低、往返效率高、充/放电持续时间灵活、安全、无退化等优势。

目前的技术方案包括活塞式重力储能技术、依托山体的重力储能技术、基于废弃矿井的重力储能技术、依托架空索道的重力储能技术、采用储能塔结构的塔吊式储能技术等^[2]。相较于这些或对建设场地有特殊需求、或对重物的堆叠方式和高度有严格稳定性要求的技术方案,采用基于电梯和框架式构筑物的新型重力储能技术能克服以上缺陷,具备选址灵活、适应性广泛的优点。

本文首先分析了直驱式风电机组并网模型和新型重力储能系统模型,采用新型重力储能来改善风力发电系统的输出,提出了基于新型重力储能的风储一体化系统,并对该系统进行了仿真分析。仿真结果表明,所设计的风储一体化系统能够有效平滑风电出力的波动,提升电网的安全稳定性能。

1直驱式风电机组并网模型

直驱式风电机组并网的模型主要由风轮、永磁同步发电机、机侧变流器、直流电容、网侧变流器组成,永磁同步发电机采用“AC—DC—AC”背靠背变流器结构进行并网^[3]。

风轮能够转化的风能功率(输出机械功率)P_w为:

式中:ρ为空气密度;A为风电机组叶片扫过的面积; C_p为风能利用系数,是风力机将风能转化成机械能的效率;v_w为风速;λ为叶尖速比,是风轮叶片尖端线速度与风速之比;β为桨距角,指风机叶片与风轮平面的夹角。

其中风能利用系数C_p的计算公式为:

式中:λ_i为求解风能利用系数C_p的中间变量;w_m为风电机组的机械角速度;R为叶片扫过面积对应的半径;v_m为风电机组的叶尖线速度。

在风力发电系统中,为保证最大限度对风能的利用,通常采用最佳叶尖速比法来实现风能的最大功率跟踪 (Maximum Power Point Tracking,MPPT)。由风能利用系数的公式可知,C_p与叶尖速比和桨距角β相关 , 当桨距角β恒定不变时 ,风能利用系数存在 最大值Cpmax,此时对应的叶尖速比为最佳叶尖速比 λ_opt。β=0时 ,计算得到C_pmax和λ_opt分别为0 .48和8.1 。由 式(2)可得风力发电的最大功率为:

式中:k_opt为最大功率跟踪系数。

2 新型重力储能系统模型

如图1所示 ,新型重力储能系统由储能重物 、储 能重物的支撑框架结构、储能电机、钢丝绳卷筒、钢 丝绳、传动机构、电梯等构成 ^[4]。其中 ,储能电机通过 传动机构与钢丝绳卷筒相连 ,钢丝绳一端缠绕在钢 丝绳卷筒上 ,另一端悬挂着电梯轿厢。

新型重力储能充电时 ,储能电机作为电动机 ,消 耗电能驱动电机旋转 ,带动钢丝绳牵引重物上行 , 电 能转化成重物的重力势能存储起来;放电时 ,储能电 机工作在发电机状态 ,重物下行 ,牵引钢丝绳拖动电 机旋转发出电能 ,重物的重力势能转化成电能并入 电网。

作为系统中重力势能与电能之间机电能量转换 的核心 , 储能电机需要工作在发电机/电动机两种 不同工况下 ,选择能够双向旋转的发电电动机作为储能电机 。永磁同步电机(PMSM)具备结构简单、体 积小、功率因数和效率高 ,可以在较宽的负载范围内 保持优良性能等优势 , 因此选择PMSM作为新型重力 储能的储能电机^[5]。

2.1 储能的充/放电过程

新型重力储能系统在工作时 , 由于其自身的结 构特点 ,储能的单次充/放电过程对应着电梯及重物 的单次上行/下行运动行程 。理想情况下 ,单个行程 的充/放电过程可大致划分为:初始加速阶段、匀速 工作阶段和减速停运阶段^[6]。

在充/放电过程的初始阶段 ,重物的上行/下行速 度在钢丝绳牵引力和重物及电梯重力的作用下从零 开始加速 ,加速到储能电机额定转速对应的上行/下 行速度后 ,进入匀速工作阶段;在匀速工作阶段 ,储能 电机以额定转速旋转 ,输出额定的充/放电功率 ,该阶 段是新型重力储能的主要出力阶段; 当储能的充/放 电功率指令减小到零或电梯即将到达框架式构筑物 的顶层/底层时 ,进入减速停运阶段 ,使重物和电梯 平稳停在建筑的目标层 ,结束单次充/放电过程。

在此过程中 ,新型重力储能的充/放电功率为:

式中:F_GB (t)为t时刻钢丝绳对承载重物的电梯所施加 的牵引力;v(t)为电梯在t时刻的上行/下行运动速 度 ,规定上行方向为v(t)的正方向 ,v (t)>0时 , 电梯 上行,v(t)<0时 , 电梯下行。

钢丝绳施加的牵引力F_GB(t)与重物和电梯所受 的重力共同作用产生重物和电梯的加速度a(t),若不 考虑重物重力势能与动能之间能量转化的损耗,a(t) 的表达式为:

式中:m、m_elev分别为重物、电梯的质量。

a (t)>0时,重物速度增大,对应加速阶段;a(t)<0时,重物速度减小,对应减速阶段。

在匀速工作阶段,重物的加速度为零,此时新型重力储能的充/放电功率为:

由式(6)可知,新型重力储能的充/放电功率与重物和电梯的质量、重物运动速度均成正比。

2.2储能的工作特性

对重力储能系统功率和效率的影响因素研究表明,储能功率与重物质量、重物上/下运动速度均成正比;储能效率与重物上/下运动速度成反比,受重物质量的变化影响极小^[7]。因此,为了保障系统的功率和效率,新型重力储能需要工作在低速、高载重的场合,对应的储能电机选用低速大扭矩PMSM实现重载拖动。

PMSM的负载转矩是由承载重物的电梯对钢丝绳所施加的拉力产生,当新型重力储能的充/放电功率保持基本不变时,该拉力近似可看作重物及电梯自身的重力,其大小和方向均保持不变。相应地,无论PMSM处在发电机或电动机状态,无论重物上行或下行,PMSM的负载转矩始终保持恒定^[8]。

设上行为重物运动的正方向,对应电机的正转,转速为正,电机工作在电动机状态下,负载转矩阻碍电动机的转动,为正;重物下行时,对应电机反转,转速为负,电机工作在发电机状态下,负载转矩拖动发电机转动,其方向不变,仍为正。考虑系统中传动部分、电机等在运行中因摩擦而产生的阻尼转矩,阻尼转矩总是阻碍电机的转动,电机正转时,阻尼转矩阻碍电动机的转动,为正,与负载转矩作用叠加;电机反转时,阻尼转矩阻碍发电机的转动,为负,与负载转矩作用相抵消。PMSM的负载转矩特性曲线如图2所示,PMSM工作在第一象限(正转、正载)和第四象限(反转、正载)。

2.3储能并网结构

新型重力储能并网的结构与直驱式风电机组并网类似,如图3所示。其中储能电机同样采用“AC—DC— AC”背靠背变流器结构进行并网。储能侧变流器通常采用额定转速指令控制,给定的转速指令为储能电机的额定转速,以确保新型重力储能输出额定的充/放电功率;网侧变流器采用定直流母线电压控制,保证直流母线电压的稳定^[9]。

3基于新型重力储能的风储一体化系统设计

3.1风储一体化系统设计

风力发电自身出力的特点会导致风电机组输送到电网的功率存在随机和间歇的缺陷,无法满足电网的有功功率需求,对电网的安全稳定运行不利。考虑采用新型重力储能技术与风力发电相结合的方式构成风储一体化系统,来改善风力发电输出功率的缺陷,使风储一体化系统输送到电网的功率满足电网的有功功率需求,进而提高电网的安全稳定性。

直驱式风力发电与新型重力储能均采用背靠背的“AC—DC—AC”变流器结构进行并网。因此,本文提出一种基于新型重力储能的风储一体化系统设计。其中,风电机组和新型重力储能共用一个直流母线,风电机组经机侧变流器与新型重力储能经储能变流器并联在同一个直流母线上,构成基于新型重力储能的风储一体化系统,风储一体化系统经网侧变流器进行并网。

基于新型重力储能的风储一体化系统结构如图4所示。

其中,新型重力储能系统经双向储能变流器接在风力发电系统的直流母线上,在直流母线处构成一个三端口网。在风储一体化系统中,新型重力储能、风力发电和电网之间通过三端口网络实现系统内部的功率流动。当风机侧变流器采用最大功率跟踪控制时,风电机组能捕获并输出最大风功率;电网侧变流器采用功率指令控制;新型重力储能的输出用于配合风电机组的出力来满足电网的有功功率需求,故采用定直流母线电压控制来代替给定转速控制,通过稳定直流母线电压来弥补网侧功率与风机功率的差值,实现输送到电网的功率稳定。

3.2 仿真分析

对所设计的基于新型重力储能的风储一体化系统进行仿真,仿真参数如表1所示。

设风电机组发出的有功功率、新型重力储能输 出的有功功率、电网吸收的有功功率分别为Pw、P_GESS、P_g。在系统内部功率平衡时,满足如下公式:

1)t=0~1s:风速v_w为8 m/s,网侧有功功率指令大小设为v_w=8 m/s对应的最大风能P_MPPT维持不变,此时机侧变流器采用最大功率跟踪控制,P_W=P_g,P_GESS=0,新型重力储能期望输出为零,不参与动作。

2)t=1 ~3s:1s 时风速 突增至9m/s,P_W>P_g, P_GESS<0,新型重力储能充电。

3)t=3~5s:3s时风速突降至8.7m/s,仍满足P_W>P_g,P_GESS<0,新型重力储能充电,风速减小导致风电机组发出的有功功率P_W减小,进而导致P_GESS减小,新型重力储能的充电功率减小。

4)t=5 ~7s:5s 时 风速 突 降 至7m/s,P_W<P_g,P_GESS>0,新型重力储能放电,完成充/放电状态的转换。

5)t=7~8 s:7 s时风速恢复至最初的8 m/s,新型重力储能恢复至不工作状态。

仿真结果如图5、图6所示。

由图5可知,对于所设计的基于新型重力储能的风储一体化系统,新型重力储能的输出功率能够弥补风力发电输出的不足,改善风力发电出力的波动性,实现风储一体化系统输出到电网的功率稳定可靠。其中,根据风力发电输出功率对应的储能充/放电功率需求,新型重力储能可以实时调整出力,改变储能电机的转速大小和方向,储能电机可以在发电机和电动机两种状态下工作。由图6可知,直流母线电压能够稳定在750 V附近。风机出力和网侧功率需求的不平衡会导致直流母线电压偏离参考值,从而引起新型重力储能动作,以维持直流母线电压的稳定。

4总结

本文考虑采用新型重力储能来改善风力发电出力的波动性和间歇性,提高大规模风力发电并网的安全稳定。通过对直驱式风电机组并网模型和新型重力储能的充/放电过程、工作特性、并网结构的研究分析,设计了一种基于新型重力储能的风储一体化系统,其中,新型重力储能经变流器并联在风电机组的直流侧。通过仿真分析可知,在所提出的风储一体化系统中,新型重力储能的输出功率能够弥补风力发电的输出功率与输送到电网的目标功率之间的差额,改善风力发电出力的缺陷,维持直流母线电压的稳定,从而提高电力系统的整体稳定性。

本文所设计的风储一体化系统未考虑到新型重力储能输出存在的间歇对系统内部功率平衡的影响。另外,考虑到单纯重力储能系统在响应特性方面的不足,可考虑将新型重力储能与其他快速响应的储能技术相结合,充分发挥多种储能的优势。

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2024年第18期第7篇