浅谈基于优先级参数的海上氢储能系统风电机组功率平衡控制系统

高玉青，徐志辉，杨林刚，杨飞，郦洪柯

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

风电制氢有效解决了大规模的弃风问题，不仅对综合能源系统中风电的消纳能力具有重要意义，也将探索出不同于储能、P2G、供冷供热进行本地可再生能源消纳的新途径。风力发电机组在海上氢气储能系统中的稳定运行对海上制氢至关重要，风电机组功率平衡也成为相关研究领域的重要课题。如果发电机组中的部分用电设备偏离正常情况下的工况，会导致设备效率降低，影响电力运行的经济性，甚至会导致整个电力系统的瓦解。因此，保障功率稳定是保证风电机组安全运行的关键因素。针对当前氢储能风电机组功率控制问题，相关学者提出了相应的解决方法。文献[2]提出了一种变速与变桨协调的风电机组平滑功率控制方法，通过将桨距角的上调与下调动作进行分析，将转速控制转变为转速区间控制。该方法可以实现对风电机组功率的有效控制，但是控制时间较长，实时性较差。文献[3]设计了一种风力发电系统暂态功率控制仿真模型，该控制模型通过各个部分之间的协调实现对风电机组功率的控制。该方法可以在大规模风电接入的条件下提高电力系统的暂态响应能力，但是功率控制效果不佳，存在抗干扰性能较差的问题。

针对传统方法存在的问题，设计一个基于优先级参数的海上氢储能系统风电机组功率平衡控制系统，将海上氢储能系统作为研究对象，对其风电机组功率进行平衡控制。

1 海上氢储能系统风电机组功率平衡控制系统设计

1.1 控制系统硬件设计

由于海上环境复杂多变，导致海上氢储能系统风电机组在运行过程中容易产生很多不稳定因素，出现的问题也相对较多。在进行功率控制时，需要充分考虑风电机组的运行状态，因此，在硬件设计中重点对运行信息进行研究。硬件结构如图1所示。

图1 控制系统硬件结构示意图

根据图1可知，海上氢储能系统风电机组功率平衡控制系统的硬件主要由信息采集模块、信息存储模块和信息分析模块组成。由于传统方法没有考虑到海上氢储能系统风电机组运行的层次性，破坏了风电机组运行的原有层次结构，一定程度上降低了功率的平衡性，阻碍了电能质量的提升。因此，通过控制系统使各个硬件模块之间相互连接，实现对风电机组功率平衡控制系统层次性设计。

1.2 控制系统软件设计

通常情况下，海上氢储能系统风电机组在正常运行时，功率负荷能够在较小的范围内保持波动，与电压的动态特性相比，频率的响应比较迟缓，在频率动态响应分析时通常将秒和分钟作为计量单位。因此，在风电机组功率控制中可以忽略电压动态特性，在存在负荷扰动时，对功率进行控制，建立一个发电机组功率响应模型：

式中，βc表示风电机组运行功率偏移量；Ge表示机械功率变化情况；Em表示负荷变化；t表示运行时间；k表示负荷阻尼系数；τL表示负荷功率的不平衡性。通过公式（1）可以得出风电机组运行功率偏移与负荷功率不平衡性之间的动态联系。

负荷阻尼系数是指在风电机组功率每产生1%变化时，形成的负荷变化。例如，当功率变化为1%时，负荷变化大致为1.5%，产生这种现象的原因是受功率响应特性的影响。将发电机组功率响应模型进行拉普拉斯变化，得到公式（2）：

式中，Pm(t)表示ti时刻的功率响应系数；γe表示功率波动；VP表示功率输出。

根据构建的发电机组功率响应模型可知，该模型将所有风电设备均视为具有同等级别的优先级，但是平等对待下的优先级策略不能满足海上氢储能系统对风电机组功率平衡控制的需求。因此，要想实现功率的平衡控制，需要明确划分优先级，通过建立目标函数的形式，对各个优先级参数进行约束。通过优先级参数S表示优先级情况，建立功率平衡控制目标函数为：

式中，xi表示优先级权值；αi表示优先级参数之间的关联性；表示优先级层次。

则约束条件为：

在满足上述约束条件的基础上，通过优先级参数实现对海上氢储能系统风电机组功率的平衡控制，从而完成系统的整体设计。整体控制过程如图2所示。

图2 控制系统流程图

2 实验研究

为了全面验证基于优先级参数的海上氢储能系统风电机组功率平衡控制系统的有效性，进行仿真实验设计。以文献[2]变速与变桨协调的风电机组平滑功率控制方法和文献[3]风力发电系统暂态功率控制仿真模型作为对比方法，进行仿真实验验证与结果分析。仿真平台为电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC，设定风速波动为定值，在该平台中建立有12台风机串联型并网系统仿真模型。每簇串联风机有4台，共3簇并联，均为5MW风机。风机的主要参数：转子直径为126m，转子转速为4.8～10.9r/m，额定风速为11.3m/s，定子线电压为3.3kV。

以功率控制用时作为实验指标，对比不同方法的功率控制效果，结果如表1所示。

表1 风电机组功率平衡控制用时对比结果

分析表1中的数据可知，随着实验次数的增加，不同方法的功率平衡控制用时均呈现出逐渐增加的趋势。当实现次数为20次时，所提方法的控制用时为4.00s，文献[2]方法的控制用时为6.40s，文献[3]方法的控制用时为6.71s；当实现次数为50次时，所提方法的控制用时为6.40s，文献[2]方法的控制用时为16.10s，文献[3]方法的控制用时为15.27s。通过上述数据对比可知，所提方法的控制时间始终低于传统方法，并且优势较为明显，说明所提方法能够在更短的时间内实现对风电机组功率的平衡控制，同时抗干扰性能有所改善具有效率更高的特点。

3 结语

为了解决传统方法功率控制用时较长与抗干扰性不佳的问题，设计一种基于优先级参数的海上氢储能系统风电机组功率平衡控制系统。通过信息采集模块、信息存储模块和信息分析模块等系统硬件模块，实现对风电机组功率平衡控制系统层次性设计。在此基础上，采用优先级参数，在满足约束条件的情况下实现对功率的有效控制。实验结果表明，该方法在控制用时与抗干扰性方面均具有优势性，说明该方法具有有效性。