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(zhuǎn)型升級中發(fā)揮著重要的作用。隨著風電機組并網(wǎng)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(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。采用儲能技術(shù)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(wǎng)^[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(shù),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(shù)方案包括活塞式重力儲能技術(shù)、依托山體的重力儲能技術(shù)、基于廢棄礦井的重力儲能技術(shù)、依托架空索道的重力儲能技術(shù)、采用儲能塔結(jié)構(gòu)的塔吊式儲能技術(shù)等^[2]。相較于這些或?qū)ㄔO場地有特殊需求、或?qū)χ匚锏亩询B方式和高度有嚴格穩(wěn)定性要求的技術(shù)方案,采用基于電梯和框架式構(gòu)筑物的新型重力儲能技術(shù)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(qū)式風電機組并網(wǎng)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(jié)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(wǎng)的安全穩(wěn)定性能。

1直驅(qū)式風電機組并網(wǎng)模型

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

風輪能夠轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān) , 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(jié)構(gòu)、儲能電機、鋼絲繩卷筒、鋼 絲繩、傳動機構(gòu)、電梯等構(gòu)成 ^[4]。其中 ,儲能電機通過 傳動機構(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。

新型重力儲能充電時 ,儲能電機作為電動機 ,消 耗電能驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn) ,帶動鋼絲繩牽引重物上行 , 電 能轉(zhuǎn)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(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電能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的發(fā)電電動機作為儲能電機 。永磁同步電機(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(jié) 構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) ,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(gòu)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(jié)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(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能之間能量轉(zhuǎn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(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(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(zhuǎn)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(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為正,電機工作在電動機狀態(tài)下,負載轉(zhuǎn)矩阻礙電動機的轉(zhuǎn)動,為正;重物下行時,對應電機反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為負,電機工作在發(fā)電機狀態(tài)下,負載轉(zhuǎn)矩拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)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(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩,阻尼轉(zhuǎn)矩總是阻礙電機的轉(zhuǎn)動,電機正轉(zhuǎn)時,阻尼轉(zhuǎn)矩阻礙電動機的轉(zhuǎn)動,為正,與負載轉(zhuǎn)矩作用疊加;電機反轉(zhuǎn)時,阻尼轉(zhuǎn)矩阻礙發(fā)電機的轉(zhuǎn)動,為負,與負載轉(zhuǎn)矩作用相抵消。PMSM的負載轉(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儲能并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

新型重力儲能并網(wǎng)的結(jié)構(gòu)與直驅(qū)式風電機組并網(wǎng)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(jié)構(gòu)進行并網(wǎng)。儲能側(cè)變流器通常采用額定轉(zhuǎn)速指令控制,給定的轉(zhuǎn)速指令為儲能電機的額定轉(zhuǎn)速,以確保新型重力儲能輸出額定的充/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(wǎng)的功率存在隨機和間歇的缺陷,無法滿足電網(wǎng)的有功功率需求,對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行不利。考慮采用新型重力儲能技術(shù)與風力發(fā)電相結(jié)合的方式構(gòu)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(wǎng)的功率滿足電網(wǎng)的有功功率需求,進而提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

直驅(qū)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(jié)構(gòu)進行并網(wǎng)。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(jīng)機側(cè)變流器與新型重力儲能經(jīng)儲能變流器并聯(lián)在同一個直流母線上,構(gòu)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(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器進行并網(wǎng)。

基于新型重力儲能的風儲一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中,新型重力儲能系統(tǒng)經(jīng)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(gòu)成一個三端口網(wǎng)。在風儲一體化系統(tǒng)中,新型重力儲能、風力發(fā)電和電網(wǎng)之間通過三端口網(wǎng)絡實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的功率流動。當風機側(cè)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(wǎng)側(cè)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(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網(wǎng)側(cè)功率與風機功率的差值,實現(xiàn)輸送到電網(wǎng)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(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,滿足如下公式:

1)t=0~1s:風速v_w為8 m/s,網(wǎng)側(cè)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(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(zhuǎn)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(jié)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(wǎng)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(diào)整出力,改變儲能電機的轉(zhuǎn)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(wǎng)側(cè)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(jié)

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(wǎng)的安全穩(wěn)定。通過對直驅(qū)式風電機組并網(wǎng)模型和新型重力儲能的充/放電過程、工作特性、并網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(jīng)變流器并聯(lián)在風電機組的直流側(cè)。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(wǎng)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(nèi)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(shù)相結(jié)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(shù)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(guān)鍵技術(shù) [J].儲能科學與技術(shù),2024,13 (3):934-945.

[3]曹明鋒.直驅(qū)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(jīng)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(shù)構(gòu)想及關(guān)鍵問題[J].工程科學與技術(shù),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(wǎng),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(guān)鍵影響因素及其與風電場的耦合研究[J].儲能科學與技術(shù), 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(wǎng)系統(tǒng)設計及運行特性 [J].儲能科學與技術(shù),2022,11(12):3895-3905.

2024年第18期第7篇