波浪能液压发电系统灵活接入下的孤岛微电网细粒化调度_李飞宇.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220582 波浪能液压发电系统灵活接入下的孤岛微电网细粒化调度 李飞宇1 顾延勋2 魏繁荣1 欧仲曦2 林湘宁1（1.强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）武汉 430074 2.广东电网有限责任公司珠海供电局 珠海 519000）摘要 当前，波浪能液压发电系统一般采用最大效率转化的控制策略，然而由于波浪能装置的间歇式出力特性，直接通过电池消纳会导致电池容量损耗进一步增大。在这种背景下，是否追求波浪能的最大效率转化值得商榷。为此，该文针对波浪能灵活接入的孤岛微电网系统，深入分析波浪能装置的工作原理，搭建波浪能液压系统的数学模型；在此基础上，以调度周期内的经济性最优为目标，综合考虑电池容量损耗和寿命损耗的影响，建立波浪能灵活接入下的孤岛微电网细粒化调度模型。仿真结果表明，相对于常规的孤岛微电网调度策略而言，在不同的波浪能出力场景下，该文所提的方案具有更优的经济性，为含波浪能的孤岛微电网经济运行策略提供了一个新的思路。关键词：波浪能液压发电系统 储能快充容量损耗 细粒化调度 换电模式 最优功率跟踪策略 中图分类号：TM71 0 引言 随着化石能源的不断减少，能源危机已经成为制约世界发展的关键性问题。与此同时，化石能源开发利用带来的环境污染、气候变化等问题也日益突出。在此背景下，大力发展可再生能源是实现“双碳目标”的重要途径。目前，世界各国越来越重视海洋能的开发，据文献1统计，全世界建成的海洋能试验场已超过 20个，投入的研发资金超过 50 亿元。究其原因，波浪能除了无污染、可再生、储量大等优势外，在长时间尺度上还具有出力恒稳、有效出力时间久等优点。因此，波浪能装置被广泛用于海水淡化2、制氢3，并在海上石油平台、孤岛微电网、军事基地供能方面4崭露头角。对于波浪能装置的开发利用，许多专家学者做出了卓有成效的研究。早在 20 世纪 70年代，就有国外科学家利用有限的船舶航行资料，分析计算了欧洲沿岸的海洋波浪能分布特征5。在此之后，文献6通过欧洲天气预报中心的海浪能再分析资料，研究分析了全球海域波浪能资源储量和分布情况，为波浪能的开发利用提供了理论可能。此外，波浪能的资源分布除了受地球洋流的影响外，还与大陆架的距离有关。一般来讲，近海海域的波浪能资源较为匮乏，而远洋区域内的波浪能储存与转运等问题又给波浪能资源的消纳带来了新的挑战7。为此，以换电船舶为代表的移动式储能的发展为波浪能开发利用提供了新的视角8-9。在此背景下，电池通过船舶转移，将离岸式的波浪能装置生产的电能转移到电网的供电模式，成为了波浪能开发利用的新方向。实际上，波浪能的出力特性不同于风、光等可再生能源，在短时间尺度上出力波动性较大，高效转化、利用较为困难10。为解决上述问题，专家学者对波浪能装置进行了一系列的开发与改良11。例如，文献12-13通过超级电容来平抑波能装置的功率波动，然而由于波能装置出力频繁，导致超级电容重复投切，影响系统的稳定性；文献14在能量转换环节加入了液压蓄能装置，解开了波况与电能输出之间的关联，实现了电能的稳定输出。基于波浪能液压发电装置，文献15-16分别针对其动力学以及能量转化系统进行了数学建模，探究了蓄能器压力、系统转速及其他电气转速的影响，为波能装置的自动控制理论发展奠定了基础。在此基础上，文 广东电网公司电力规划专题研究项目资助（030400QQ00210001）。收稿日期 2022-04-12 改稿日期 2022-06-27 3500 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 献17注重波浪能的转化效率，提出了液压发电系统最大效率转化控制策略，实现了波能装置的高效能量转换。但是这样的高效能量转换是有代价的。具体来说，液压发电系统在放电之前需要经历一定时间的蓄能，导致其出力曲线呈现出放电时间短、放电功率高的特点18。根据相关研究，蓄电池在面临这样的功率冲击时，容量损耗较正常运行方式会高出数倍19。因此，高效能量转换是以蓄电池损耗的大幅增加为代价的。在此背景下，选择最大效率转化策略是否一定达到经济性最优还亟待商榷，而如何找到一个效率和损耗的平衡点是值得探究的。为此，本文首先对孤岛的供能模式进行了阐释；其次，深度分析了波浪能液压发电系统的组成和能量转化原理，搭建了波浪能液压系统细粒化模型；然后，总结现有控制策略存在的问题，提出适合孤岛微电网的波浪能最优功率跟踪（Optimal Efficiency Tracking,OET）策略；最后，以调度周期内的孤岛微电网成本最小为目标函数，量化分析储能的容量损耗成本，建立考虑波浪能装置接入的孤岛微电网调度模型，并设计了实际运行算例进行仿真验证，证明了本文所提调度策略相比较传统调度方案具有更好的经济性。本文的主要创新点如下：1）深度分析波浪能装置的出力特性，搭建了波浪能液压发电系统的细粒化模型。2）以孤岛微电网成本最小为目标，计及快充对蓄电池容量的损耗，建立考虑波浪能装置接入的孤岛微电网调度模型。3）针对波浪能装置由船舶灵活接入电网的形态，基于船舶和电池的行为变量和位置变量，搭建船舶和电池交通流深度耦合的时空转移模型。1 含波浪能装置的孤岛微电网调度架构 1.1 基于换电船舶的孤岛微电网供能模式 不同于陆地电网的开发，绝大多数的海岛由于远离大陆架，在工程实际中一般很难直接与陆地电网相连；此外，考虑到电缆造价成本较高、后期维护困难等问题，采用电缆供电模式未必是孤岛微电网能源开发的明智之举。因此，海岛微电网一般采用孤岛运行模式，依靠柴油机组等分布式能源机组支撑负荷运行。然而，随着可再生能源的大力发展，风、光等发电装置的接入给孤岛微电网供能提供了新的可能，在此背景下，本文提出了基于离岸式波浪能装置海岛微电网供能网络架构。基于换电船舶的孤岛微电网供能模式如图 1 所示，该系统主要分为两部分：离岸式波浪能发电系统和孤岛微电网。其中，孤岛微电网主要由柴油发电机、用电负荷以及电池充电/换电站（Battery Charging and Switching Station,BCSS）构成。图 1 基于换电船舶的孤岛微电网供能模式示意 Fig.1 The isolated microgrid energy supply model based on power exchange vessels 此外，根据图 1 所示的海域波浪能资源分布情况，将波浪能装置设置在离岸较远、波浪能资源较为丰富的海域。以上两者之间存在的地理隔阂，导致波浪能装置发电不能及时消纳，能量传输通道受阻。为解决上述问题，本文提出基于换电船舶的孤岛微电网供能模式。离岸式波浪能装置通过液压发电系统将波浪能转化为电能，并通过 BCSS 给电池进行充电；电池完成充电后通过船舶转运，在孤岛微电网处装卸，并与柴油发电机协同配合，共同对孤岛微电网提供功率支撑。1.2 含波浪能装置的孤岛微电网调度模式 由于波浪能与海洋波浪功率存在强耦合关系，所以波浪能装置出力存在随机性较强的特点。此外，海浪总是周而复始地运行，这导致波浪能的能量变化也存在周期性，一个周期大概为 2s 至十几秒20。因此，波浪能直接并网将给电网带来较大的冲击。为解决上述问题，本文在波浪能能量转化环节加上液压蓄能装置，来实现波浪能装置的平滑出力。与此同时，为进一步减小波浪能装置对孤岛微电网的影响，本文将波浪能装置整流后与储能装置相连，不仅实现了波浪能的就地消纳，还减少了波浪能直接并网对电网的冲击。在此背景下，如何调度分布式能源以及储能设备的出力，实现孤岛微电网的经济安全运行是本文需要解决的问题。为此，本文提出了含波浪能装置的孤岛微电网细粒化调度策略，第 38 卷第 13 期 李飞宇等 波浪能液压发电系统灵活接入下的孤岛微电网细粒化调度 3501 其调度模式如图 2 所示。图 2 含波浪能装置的孤岛微电网细粒化调度模式 Fig.2 Fine-grained scheduling model for isolated microgrids with wave energy devices 由图 2 可知，调度中心考虑到负荷需求变化，调整孤岛微电网源、储出力，实现孤岛微电网的功率平衡。此外，调度中心还根据船舶和电池的时空分布，对船舶的岛际转移和电池的装卸行为进行调度，引导电池在各站点间进行充、放电。与此同时，根据波浪能来波功率的不同，对波浪能液压发电系统的压力和转速进行细粒化调整，满足 BCSS 处电池的功率平衡约束。并在此基础上，考虑柴油机发电、船舶转运、储能损耗等成本，建立波浪能液压发电系统接入的孤岛微电网调度模型，实现孤岛微电网经济运行。2 波浪能发电装置细粒化建模及控制策略 离岸式波浪能装置作为孤岛微电网调度模型中较为重要的一环，其建模的精确性也将直接影响调度方案的实际运行效果。为保证调度方案的可行性，本文对波浪能装置的内部结构进行深入研究，提出了波浪能细粒化模型以及适应孤岛微电网供能的控制运行策略。2.1 液压式波浪能装置细粒化模型 含液压系统的波浪能装置结构如图 3 所示。由图 3 可知，液压发电系统主要包括液压控制系统、液压马达以及永磁同步电机。其工作原理如下：浮子随着波浪起伏，将油箱中的液压油压入蓄能器中；通过液压缸进一步做功，蓄能器压力逐渐升高，达到上限值时，液压控制系统动作，液压马达开始转动，与此同时，同步电动机开始发电，发电系统将液压能转化为电能输出；当海面波况较好时，蓄能器压力能够维持较高的压力水平，液压发电系统正常工作；当波况较差时，蓄能器压力低于下限值，液压控制系统关闭液压马达，等待下一个动作时刻。在理想的状况下，液压蓄能器实现前端能量捕获与后端发电环节的解耦，减少了波况的随机性和不确定性对电网的冲击，在工程实际中运用较为广泛。图 3 含液压系统的波浪能装置结构 Fig.3 The structure of the wave energy device with hydraulic system 由于本文研究的重点为波浪能液压发电系统的细粒化建模，而液压管路的流阻损耗只会影响波浪能装置前端的波浪能捕捉和收集环节的转化效率，对液压发电系统模型不会造成影响。因此，本文建立的液压马达输出转矩模型为 m1TQP=（1）式中，P为液压马达进出口的压差；mT为液压马达的输出转矩；Q 为液压马达排量；1为液压马达的机械效率。而液压马达输入功率主要取决于马达进出口压差与马达的排量。与此同时，考虑同步发电机经过电力变换器后直接与直流电网相连，并参考文献21中同步电动机和变流器的数学模型，推导出液压发电系统在电压负载下的数学模型为 dcw5.78EnNKu=（2）indctr0.0963QP EPNKu=（3）out12dctr0.0963QP EPNKu=（4）式中，intrP、outtrP分别为波浪能液压发电系统的输入、输出瞬时功率值，N 为发电机每相绕组的串联匝数，K 为电动势绕组因数，wn为液压发电系统的转速，u 为电动机的极对数，为永磁发电机磁通，上述参数为发电机参数，在系统稳态运行时，可以认为其保持不变；dcE为直流电网的电压；2为液压马达的容积效率。由式（2）可知，在液压发电系统稳定运行时，液压马达的转速完全取决于直流电网的电 3502 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 压；此外，在较短的时间间隔内，可以认为蓄能器的压力保持不变。故由式（3）、式（4）可知，在直流电网电压确定的情况下，液压马达的输入、输出功率均与蓄能器压力成正比。由式（2）式（4）可知，波浪能液压发电系统的负载电压越高，液压发电系统的输出功率也越大。这样的特性与光伏等可再生能源的出力特性存在显著差异，因此，液压发电系统的控制策略不存在最大功率跟踪的问题。实际上，考虑到液压发电系统的流阻损耗以及蓄能器容量效应的影响22，液