本发明涉及一种含储能的风电场功率、电压调控系统及其容量配置优化方法。
背景技术：
能源是人类生存和发展的重要物质基础，攸关国计民生和国家安全，亦是科技创新服务与应用的首要领域。高效、清洁、低碳已经成为当今世界能源发展的主流方向。如今，风力发电作为绿色能源的典型代表而备受青睐，已呈现出高速发展的趋势。
目前，大规模风电并网对电网调度和控制所带来的影响主要表现在有功调节和无功电压控制等问题，如备用设备的容量配置、并网点无功电压支撑以及如何应对低电压穿越等。造成这一问题的主要原因在于，当风电场以最大功率跟踪(mppt)模式工作时，有功输出随风速的变化而变化。此时，风速变化所具有的波动性和随机性经放大后被引入风电有功输出。而风电无功输出的调节范围随有功的变化而改变，并且在有功功率处于一定范围内的时候，系统需要从电网吸收无功功率，再加之故障情况下机组低电压穿越保护动作等因素影响，风电场无功功率调节范围的波动问题更为严重。为此，在风电场内配置足够的备用设备，有效平滑风电有功波动的同时，扩大无功的调节范围以提高并网点(pcc)的电压支撑能力，成为风力发电技术进一步发展的重要途径。
经过对现有技术的公开文献检索发现，如公开号cn105449715a专利通过数学模型分析风电场当前无功调节范围，并将改无功调节能力上报调控中心以调整无功调整参考量；公开号cn105720611a提出一种无功功率控制方法，通过无功补偿设备快速调节无功功率，同时增发风电机组无功，替换无功补偿设备无功出力，为无功补偿设备提供更多的裕量；文献[基于svg的风电场无功补偿经济运行方法研究]根据风机和svg无功补偿装置的实际无功发生能力，以减小网损、提高发电量为目标进行无功分配。公开号cn103337001a提出一种利用储能平抑风电输出波动的方法。虽然上述方法有效的提高了风电场并网功率、电压调节能力，但同时存在一定的不足：
1)svg具有快速调节无功输出的能力，但其仍然存在单位容量成本高、使用寿命低以及技术不成熟等问题。为保障风电场并网点电压稳定，风电场应具备较大容量的无功补偿能力。利用svg作为风电场无功补偿，所需svg装机容量大，购置成本与运行成本高昂。
2)利用蓄电池、超级电容等电储能装置，能够有效的平滑风电场有功功率的输出，同时起到削峰填谷的作用。然而，常规储能装置成本高昂，且用于储能接入系统的大功率电力电子变换器存在价格高、稳定性差的问题，使得储能在大型风电场内难以大规模应用。
3)目前针对压缩空气储能的研究，主要集中在有功功率的输出控制，而对无功调控功能并未涉及。
技术实现要素：
本发明为了解决上述问题，提出了一种含储能的风电场功率、电压调控系统及其容量配置优化方法，本发明利用压缩空气储能同时具有有功、无功调节能力且储能容量大、成本低、寿命长的优势，对风电场输出功率进行有效调节，在保证并网电能质量的同时，提高系统无功裕度的调节方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种含储能的风电场功率、电压调控系统，包括依次连接的电动机、多级压缩机、高压储气罐、多级透平膨胀机、减速齿轮、电磁离合器和发电机，所述多级压缩机之间设置有换热器，所述电动机和发电机均连接风电场，所述多级透平膨胀机之间设置有预热器，换热器与预热器的输入之间设置有储能变流器，所述换热器与预热器的输出之间设置有储热装置和燃气锅炉；所述风电场输出中配置有静止无功发生器。
当风电场输出有功功率大于网侧调度功率时，启动压缩储能模式，多余电能驱动电动机带动多级压缩机，将空气压缩后存储于高压储气罐，各级换热器置于各级压缩机之间，回收各级压缩过程余热，膨胀部分断开电磁离合，通过储能变流器调节压缩空气储能输出功率。
风电场输出有功功率小于网侧调度且压缩空气储能具有储能余量时，高压储气罐内高压空气依次通过预热器、膨胀机后驱动发电机发电。
所述多级透平膨胀机同轴连接，所述多级压缩机同轴连接。
优选的，所述多级压缩机的各个压缩机为绝热压缩。
一种含储能的风电场功率、电压调节方法，当电网负荷处于低谷时，电网调度功率大于风电场输出功率，压缩空气储能处于压缩储能模式，将多余风电能转换为高压空气能存储；同时压缩过程中产生的高压高温空气经过换热器后，热量通过导热油储于储热室内，用于对膨胀空气预热；
当风电场输出功率出现大于设定波动时，储气罐释放高压空气膨胀发电，同时膨胀过程中高压气体通过换热器吸收高温导热油的热量并将其转换为电能，从而输出有功功率用于平抑波动；
当风电场输出功率大于设定值时，通过调节直驱风电机组功率因数、压缩空气储能输出无功功率以及静止无功发生器出力，以保证电压稳定性的同时，增大无功补偿设备的无功裕度。
基于上述系统的风电场容量配置与优化运行方法，包括以下步骤：
(1)根据压缩空气储能及风力发电设备模型，建立含压缩空气储能的风电场功率调控系统模型；
(2)获取风电场装机容量、风电场所在地风速特性、网侧对有功、电压调度数据，确定含压缩空气储能功率调控系统运行控制的优化变量、优化目标以及约束条件；
(3)利用多目标优化算法对构建的优化目标，在构建的约束条件下进行求解。
所述步骤(1)中，建模过程包括：
1)直驱发电机特性：直驱式机组可以通过全功率变流器发一定的无功，并能长时间在[-0.95，+0.95]功率因数下正常运行；
2)t时刻压缩空气储能压缩模块输入功率为：
式中，ηa.i是各级压缩过程的等熵效率；ηm为电动机机械效率；nc为压缩级数；qcom(t)为空气的质量流量，单位为kg/s；rg为气体常量；λc,i为各级压缩机的压比，且
3)压缩空气储能膨胀模块输出有功功率：
式中，ηt.i是各级膨胀过程的等熵效率；ηe为发电系统效率；nt为膨胀级数；q(t)为高压空气的质量流量，单位为kg/s；rg为气体常量；λt,i为各级膨胀机的压比，ti为各级膨胀机进口温度，γ为空气的绝热指数。
所述步骤(2)中，优化变量包含：
各调度时刻压缩空气储能输出有功功率、无功功率以及吸收有功功率；直驱风电机组功率因数；
优化目标包括：
svg无功裕度、储能soc平衡和输送有功功率的平滑度；
优化约束条件包括：
有功功率平衡约束、无功功率平衡约束、机组输出功率约束、压缩空气储能输出有功功率约束、压缩空气储能输出无功功率约束、压缩空气储能剩余容量约束和压缩空气储能输出功率功率因数约束。
所述步骤(3)中，优化模型求解过程包括步骤：
3-1)选定最大进化代数，种群规模和混沌控制参数；
3-2)根据logistic映射混沌模型，混沌序列初始化优化变量种群pt；
3-3)对种群pt进行非支配排序，非支配水平就是每个解的适应度。进行双支联赛选择、交叉和变异，生成子代种群qt，规模为n；
3-4)将父代种群pt和子代种群qt结合成种群rt，对rt进行非支配排序确定全部的非支配解前沿面；
3-5)计算非支配解前沿面的拥挤距离，对f进行拥挤距离排序，选择其中排序最好的n-|pt|个解，；
3-6)通过判断种群中非劣等级为1的个体数目是否与种群数目相等，判断进化种群是否达到最优，当相等时，则选择子代种群的前若干百分比的进行自适应混沌细化搜索；
3-7)重复3-3)～3-5)，直到混沌优化的最大迭代次数；
3-8)输出最优解集。
一种风电场，采用上述调控系统或优化方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的调控系统能够充分发挥压缩空气储能容量大、寿命长、成本低、灵活输出有功与无功等优势，实现对风电场输出功率的有功平滑和无功补偿，有效提高并网点电能质量的同时，提高系统无功裕度；
(2)同时本发明提供并建立压缩空气储能调节风电场功率电压系统的数学模型；针对所优化储能配置参数设计含压缩空气储能的风电场功率调控系统的有功、无功规划，以实现系统的最优运行；
(3)本发明设计了从结构到优化运行控制的一整套方法，该方法简便易行，结合电力系统电能质量分析理论，可适用于不同种类的风电场系统优化设计。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1所示为含压缩空气储能的风电场功率、电压调控系统结构示意图；
图2所示为基于混沌多目标优化的压缩空气储能功率最优规划流程；
图3所示为风电场发电功率与并网功率；
图4所示为没有无功补偿、传统单一无功补偿和本发明所提新方法补偿后的效果示意图；
图5所示为传统单一无功补偿和本发明所提新方法补偿后的无功裕度示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在单纯利用svg作为风电场无功补偿，所需svg装机容量大，购置成本与运行成本高昂；储能装置成本高昂，且用于储能接入系统的大功率电力电子变换器存在价格高、稳定性差的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用压缩空气储能同时具有有功、无功调节能力且储能容量大、成本低、寿命长的优势，对风电场输出功率进行有效调节，在保证并网电能质量的同时，提高系统无功裕度的调节方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种含压缩空气储能的风电场功率调控系统结构，包括电动机(1)、多级压缩机(2)、高压储气罐(3)、多级透平膨胀机(4)、减速齿轮(5)、电磁离合器(6)、高速发电机(7)、储能变流器(8)、储热装置(9)、燃气锅炉(10)、膨胀机级间换热器(预热器)(11)、压缩机级间换热器(12)、储热介质冷却(13)、svg。电动机(1)、多级压缩机(2)、高压储气罐(3)、多级透平膨胀机(4)、减速齿轮(5)、电磁离合器(6)和发电机(7)依次相连，所述多级压缩机(2)之间设置有换热器(12)，所述电动机和发电机均连接风电场，所述多级透平膨胀机(4)之间设置有预热器(12)，换热器(11)与预热器(12)的输入之间设置有储能变流器，换热器(11)与预热器(12)的输出之间设置有储热装置(9)和燃气锅炉(10)；所述风电场输出中配置有静止无功发生器(svg)。
风电场输出有功功率大于网侧调度功率时，启动压缩储能模式。多余电能驱动电动机(1)带动多级同轴压缩机(2)，将空气压缩后存储于高压储气罐(3)。设计压缩机为绝热压缩。各级换热器(12)置于各级压缩机之间，回收各级压缩过程余热，并储于储热罐(9)内。膨胀部分断开电磁离合(6)，通过储能变流器(8)调节压缩空气储能输出功率，实现对无功输出的调控。风电场输出有功功率小于网侧调度且压缩空气储能具有储能余量时，压缩空气储能工作在膨胀模式输出有功。储气罐内高压空气依次通过预热装置(11)、膨胀机(4)后驱动发电系统发电。预热装置所需热源由压缩储热介质经过燃气锅炉加热后供给。
系统还包括功率因数调节及分配装置，功率因数调节及分配装置包括无线远程pcc电压检测装置、无功电流检测模块和指令电流合成模块，无线远程pcc电压检测装置检测风电场pcc并网点电压和当前风电场有功输出，无功电流检测模块采集，无功电流检测模块采集风电场的无功电流，指令电流合成模块计算并调配风力机组、压缩空气储能变流器、无功补偿器无功输出。
进一步的，所述系统还包括能够动态调节有功和无功输出的四限象运行多功能变流器，通过接收功率因数调节及分配装置指令，变流器可在储能或者释能的同时吸收或发出无功功率，有无功功率比例可调整。
一种基于有功电压多目标的储能接入风电场容量配置与优化运行控制方法，包含以下步骤：
步骤一：针对风电场双馈发电机特性、风速分布特性、静止无功发生器(svg)运行特性、网侧有功功率与电压调控要求，设计一种用于含压缩空气储能的风电场功率调控系统(如图1所示)；
步骤二：根据压缩空气储能及风力发电设备模型，建立含压缩空气储能的风电场功率调控系统模型；
步骤三：确定含压缩空气储能功率调控系统运行控制的优化变量、优化目标以及约束条件；
步骤四：获取风电场装机容量、风电场所在地风速特性、网侧对有功、电压调度数据。设计一种有功、无功电压优化运行方法，并利用混沌多目标优化算法求解优化模型步骤二中，建模过程主要包含：
1)t时刻压缩空气储能压缩模块输入功率为：
式中，ηa.i是各级压缩过程的等熵效率；ηm为电动机机械效率；nc为压缩级数；qcom(t)为空气的质量流量，单位为kg/s；rg为气体常量，287.1j/(kg·k)；λc,i为各级压缩机的压比，且
2)压缩空气储能膨胀模块输出有功功率：
式中，ηt.i是各级膨胀过程的等熵效率；ηe为发电系统效率；nt为膨胀级数；q(t)为高压空气的质量流量，单位为kg/s；rg为气体常量，287.1j/(kg·k)；λt,i为各级膨胀机的压比，ti为各级膨胀机进口温度，γ为空气的绝热指数。
步骤三中，优化变量包含：
1)压缩空气储能输出有功功率pcaes(t)与无功功率qcaes(t)；
2)直驱风电机组功率因数；
3)svg输出无功占比
5、步骤三中，优化目标包括：
1)电压偏差累加
2)无功裕度：
3)储能平衡：f3＝min|soccaes(t)-soccaes(1)|
图2是基于混沌多目标优化求解算法。具体步骤如下：
1)：选定最大进化代数，种群规模和混沌控制参数；
2)：根据logistic映射混沌模型，混沌序列初始化优化变量种群pt；
3)：对种群pt进行非支配排序，非支配水平就是每个解的适应度。进行双支联赛选择、交叉和变异，生成子代种群qt，规模为n。
4)：将父代种群pt和子代种群qt结合成种群rt，对rt进行非支配排序确定全部的非支配解前沿面f。
5)：计算f的拥挤距离，对f进行拥挤距离排序，选择其中排序最好的n-|pt+1|个解；
6)：通过判断种群中非劣等级为1的个体数目是否与种群数目相等，判断进化种群是否达到最优。当相等时，则选择子代种群的前10％进行自适应混沌细化搜索；
7)：重复3)～5)，直到混沌优化的最大迭代次数。
8)：输出最优解集。
图3-图5为利用压缩空气储能与直驱风电机组调节平滑有功、补偿无功的效果示意图。其中，图为风电输出功率与并网功率对比。由图3可以明显看出，由于压缩空气储能的介入，并网功率与发电功率比较，其平滑度大幅提高。图4与图5对比了无无功补偿、传统单一无功补偿和本专利所提新方法补偿后的效果以及无功裕度。仿真示例充分证明，利用压缩空气储能存储的弃风功率与调节直驱风电机组功率因数，能够充分补偿系统无功损耗，稳定并网点电压，同时保证了系统无功裕度。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。