儲能系統在風電場閃變抑制中的應用

江海敏，袁 越，張新松，傅質馨

（1.河海大學能源與電氣學院，南京211000；2.河海大學可再生能源發電技術教育部工程研究中心，南京210098）

由于能源短缺和環境污染，以風能為代表的可再生能源開發和利用受到了全世界的關注。在很多情況下，風電場一般位于電網末端，并與配電網直接相連，這就使得風電引起的電能質量問題顯得尤為重要[1]。而電壓波動和閃變則是風力發電對電網電能質量的主要負面影響之一[2]。隨著風電容量在系統中比例的增加，在某些情況下閃變問題將成為制約風電場裝機容量的主要因素[3]。

風速的快速變動以及塔影效應、風剪切、偏航誤差等因素都會引起并網風電機組輸出功率的波動[4]。現代風機一般采用定功率因數或單位功率因數控制，電壓波動和閃變主要受有功功率波動影響，雖然單臺風機閃變值很小，但當多臺風機接入相對較弱的電網時產生的閃變值依然不可忽視[5]。當風機接入配電網時，由于配電網較之于輸電網呈較大阻性，傳統的基于無功補償的閃變治理方法具有局限性[6]。當風速較大且網絡阻抗角較小時，采用無功補償的方法很難抑制閃變[7]。因此，本文采用調節有功功率的方法來抑制閃變。

目前解決風電場輸出有功功率波動問題主要有兩種思路：一是控制風力機的運行狀態以平穩其輸出功率[8]，但當風速波動較大時其調節能力有限；二是在風電場安裝配套儲能設備[9]，目前在此領域得到應用的儲能技術包括：超導儲能系統、電池儲能系統、超級電容器儲能系統等。從頻域特性來看，風功率變化可分為兩個部分：慢變功率和快變功率[10]。電壓波動和閃變是由快變功率引起的，需儲能系統具備毫秒級功率動態調節的能力，因而超級電容儲能、超導儲能是較合適的選擇[11]。由于超導儲能成本高，因此本文采用超級電容器儲能來調節風電場輸出的有功功率。

本文以考慮塔影效應和風剪切的風速模型作為輸入，仿真比較了風電場采用儲能調節有功功率前后的功率波動和閃變值。在超級電容器儲能控制中，將低通濾波器濾過的風功率作為控制目標，對VSC 采用基于交流側兩相旋轉坐標系的前饋解耦控制方法，對DC/DC 變換器提出采用功率外環電流內環的雙向閉環控制來實現對有功功率的追蹤。利用Matlab/Simulink 軟件進行仿真。

1 系統結構

圖1 為超級電容器接入風電場的結構示意。風電場由多臺風機組成，通過升壓變壓器連接到電網。風機側連接電容器進行無功補償，以實現風電場高壓側的單位功率因數控制。儲能系統主要由三部分組成，即超級電容器組，雙向DC/DC 變換器，VSC。儲能系統通過升壓變壓器連接到風電場出口的高壓側。

風電場加入儲能裝置后，風電場輸出功率為并網功率與儲能單元系統的功率之和，即

式中：Pwind為風電場輸出功率；Psc為儲能系統所要平抑的功率；Pg為風電輸出功率經過儲能系統平抑后注入到電網的功率。

儲能裝置的輸出功率要起到平抑風電輸出的作用，即當風電出力驟升時，儲能裝置吸收功率，反之則輸出功率。

圖1 系統結構示意Fig.1 Schematic configuration of the system

1.1 VSC 模型及其控制

圖2為VSC 結構示意。其中，R 為VSC 串聯及線路損耗的等效電阻；L 為VSC 串聯的等效電感；C 為直流側的平波電容。

圖2 VSC 結構示意Fig.2 Schematic configuration of the VSC

假設三相系統平衡并忽略開關器件的損耗，利用基爾霍夫定理以及派克變換可得VSC 同步旋轉坐標系下的數學模型[12]，即

式中：ω 為交流系統相電壓角頻率；usd、usq為電網電壓d、q 軸分量；Vd、Vq分別為VSC 交流側電壓d、q 軸分量；id、iq為VSC 交流側電流d、q 軸分量。

式（2）表明，d、q 軸電流除受控制量Vd、Vq影響外，還受到電流交叉耦合項ωLid、ωLiq和電網電壓usd、usq影響。

為消除d、q 軸之間電流耦合和交流系統電壓擾動，采用前饋解耦控制方法，將與id、iq具有一階微分關系的電壓分量采用比例積分環節來實現，即將式（2）改為

對電網擾動電壓usd、usq采取前饋補償，不僅能實現d、q 軸電流的獨立解耦控制，還能提高系統的動態性能[13]。根據前述的VSC 交流側電流控制原理，可得到圖3 所示的VSC 控制系統結構框圖。圖3 中，外環控制直流母線電壓，uref為直流電壓的給定值，udc為實際的直流輸出電壓，經PI 調節后的輸出idref為d 軸電流參考值。本文研究儲能單元提供的有功支持，所以設無功電流給定值iqref=0。內環控制VSC 變流器輸出電流，將檢測到的三相輸入電流經三相靜止坐標到兩相旋轉坐標變換，得到電流的d、q 軸控制分量id和iq，將d、q 軸參考電流與實際電流id、iq的偏差值經PI 調節，再按式（3）進行前饋解耦，得到VSC 交流側輸出電壓Vd、Vq。然后將兩相旋轉坐標變換到三相靜止坐標，最后經PWM 調制電路得到VSC 的驅動信號。

圖3 VSC 控制系統結構框圖Fig.3 Block diagram of VSC control system

1.2 風功率平抑的目標

在風機連續運行過程中，受風速的快速變動以及塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響，葉輪在旋轉過程中的轉矩不穩定，從而引起了風電場輸出功率的變化，按變化的頻率可分為高頻區和低頻區[10]。文獻[14]對風電功率做了頻譜分析，指出0.01 Hz 以下的功率變化被與其相連的自動發電控制裝置AGC（auto generation control）補償，而0.01 Hz 以上的高頻部分則需借助儲能裝置平抑。因此，本文中的超級電容器主要用于平抑風功率中的高頻波動分量。

設計一階低通濾波器，使得注入到電網的功率Pg為

儲能需要平抑的功率為

1.3 儲能系統DC/DC 變換器

超級電容器通過串并聯構成儲能陣列，由于超級電容器在充放電過程中，其兩端電壓變化范圍很大，因此必須通過功率變換器接入直流母線，使并網變流器VSC 向電網輸送功率時，功率變換器能夠提供恒定的直流母線電壓[15]。

由于超級電容儲能具有功率雙象限流動進行儲能和釋能的特點，因而本文采用非隔離型Buck-Boost 雙向DC/DC 變換器。其結構如圖4 所示。這種電路具有結構簡單，有源器件少，控制容易，效率高等優點[16]。當風電場輸出功率大于給定的并網功率時，超級電容器充電，此時雙向DC/DC 變換器工作在Buck 電路模式；當風電場輸出功率小于給定的并網功率時，超級電容器放電，此時雙向DC/DC 變換器工作在Boost 電路模式。

針對恒功率控制不能實時調整并網功率的缺點，本文對雙向DC/DC 變換器采用了功率和電流的雙閉環控制策略，控制框圖如圖5 所示。

圖4 基于非隔離型Buck-Boost 電路的DC/DC 變換器Fig.4 DC-DC converter based on non-isolated Buck-Boost circuit

圖5 雙向DC/DC 控制框圖Fig.5 Bidirectional DC/DC converter control

外環為功率控制環，目的是實時控制超級電容器吸收和發出的有功功率。風電場輸出功率Pwind經過低通濾波器濾波，濾除高頻量、控制變化率。由于閃變是由風速中的高頻分量引起的，因而將濾除高頻分量后的值Pg作為并網功率的給定值，風電場的輸出功率Pwind和并網參考功率Pg間的差值= Pwind- Pg即為超級電容器工作的參考功率；將與超級電容器工作的實際功率值Psc比較，誤差e1經過PI 調節器，得到期望的超級電容器的電流參考值內環為超級電容器電流控制環，使超級電容器實際的工作電流值Isc跟蹤外環給定的電流參考值最后經過PWM 調制得到開關管T1 和T2 的通斷狀態。

2 控制策略仿真驗證

在Matlab/Simulink 仿真環境下建立了整個系統的仿真電路。風電場由6 臺單機額定容量為1.5 MW 的異步風機組成，單臺風機定子電阻rs=0.004 8 p.u.；定子漏抗xs=0.124 8 p.u.；轉子繞組電阻rr=0.004 4 p.u.；轉子漏抗xr=0.179 1 p.u.；激磁電抗xm= 6.77 p.u.。系統母線短路容量為2 500 MVA，系統阻抗為0.576+j0.02 Ω。超級電容器參數采用文獻[9]中的產品數據，單體容量3 000 F，額定電壓2.7 V，串聯等效電阻0.045 mΩ，300 串10并組成超級電容器組。直流側電感值為0.05 mH，直流母線電容為75 mF?？刂葡到y參數：VSC 控制模塊中，電壓外環的PI 調節器參數為：kp=0.001 5，ki=0.5，電流內環的PI 調節器參數為kp=3，ki=5。DC/DC 變換器控制模塊中，功率外環的PI 調節器參數為：kp=0.001，ki=0.9。為了驗證超級電容器的功率跟蹤響應，設置有功功率給定在1 s 時從0～1 MW 階躍變化。超級電容器儲能系統的功率跟蹤相應曲線如圖6 所示。

圖6 超級電容器儲能系統功率跟蹤仿真結果Fig.6 Simulative results of power tracking for supercapacitor energy storage system

圖6中，Pref為超級電容器給定功率，P 為超級電容器實際輸出功率。由圖6 仿真結果可知，利用本文的功率調節方法，超級電容器跟蹤階躍給定的功率所需的時間大約為30 ms，響應速度快，調節特性好，可滿足快速補償風電場功率波動的要求。

在風機連續運行中塔影效應和風剪切是引起閃變的主因[17]。現代風力發電系統研究中，大多采用平均風速分量與湍流分量相疊加的風速模型，本文在文獻[18]建立的風速模型基礎上考慮了塔影效應和風剪切，塔影效應和風剪切的數學模型參考文獻[17]，參數如表1 所示，當輪轂高度處風速為8 m/s 時塔影效應和風剪切效應如圖7 所示。

表1 風剪切和塔影效應模型參數Tab.1 Parameters of wind shear and tower shadow effects

圖7 風剪切和塔影效應對風速的影響Fig.7 Effects of wind shear and tower shadow on the wind speed

圖8為疊加塔影效應和風剪切后的600 s 風速曲線，平均風速為8 m/s，湍流分量In=0.1。

圖8 600 s 等效風速曲線Fig.8 Equivalent wind speed in 600 seconds

圖9為未安裝儲能時風電場功率輸出曲線，從圖中可以看出風電場功率波動幅度較大。圖10為安裝儲能裝置后的功率曲線，其中Pg為經過超級電容器平抑后的風功率曲線，Psc為超級電容器儲能系統功率變化曲線。可以看出，經過儲能系統平抑后，輸入到電網的功率變得很平滑。

圖11 為超級電容器的端電壓響應，從圖中可知，超級電容器端電壓的變化與儲能系統功率的變化相對應。當功率大于0 時超級電容器充電，功率小于0 時超級電容器放電。

圖9 未安裝儲能時風電場功率輸出曲線Fig.9 Output power curves of wind farm without supercapacitor energy storage system

圖10 超級電容器儲能系統功率變化曲線以及風功率平抑效果示意Fig.10 Output power curves of wind farm with supercapacitor energy storage system and smoothed wind power with energy storage system

圖11 超級電容器端電壓的響應Fig.11 Voltage response of supercapacitor energy storage system

3 閃變值比較驗證

為了驗證本文提出的采用儲能平抑風電有功功率波動來減小閃變的方法，根據IEC 閃變儀原理框圖，在Matlab 環境下建立了閃變測試系統。閃變儀具體參數參考文獻[19]。

利用此閃變測試系統，本文對采用無功補償抑制閃變以及采用儲能抑制閃變這兩種不同情況下的系統的短時閃變值進行了測試和分析。由于風況對風電機組引起的電壓波動和閃變具有直接的影響，尤其是平均風速和湍流密度[1]，所以本文對不同平均風速和湍流密度條件下的短時閃變值進行了仿真比較，結果如表2 和表3 所示。

由表2 可知，當平均風速達到額定風速9 m/s前，閃變值隨風速的增大而增大。湍流強度對電壓波動和閃變的影響較大，兩者幾乎呈正比增長關系。湍流密度的增大使得風速的變化加劇，引起了輸出功率的波動變大，從而使得閃變值增大。從表3 可看出，未安裝儲能時，隨著湍流密度的增大，閃變值也增大。從表2 和表3 的數據可看出，STATCOM雖然可抑制閃變，但效果遠遠比不上采用儲能抑制閃變的效果。安裝儲能設備后，由于風功率中引起電壓閃變的快速波動成分被儲能平抑，因而閃變值大大減小，遠遠低于國標的規定。從而驗證了本文方案的有效性。

表2 不同平均風速下的閃變值比較（In=0.1）Tab.2 Comparison of flicker with different mean wind speeds（In=0.1）

表3 不同湍流密度下的閃變值比較（平均風速v=8 m/s）Tab.3 Comparison of flicker with different turbulence intensities（v=8 m/s）

4 結論

并網風電輸出功率的快速波動會引起電網電壓波動和閃變。很多文獻提出采用實時無功補償，使得電網阻抗角與功率因數角之差接近，進而抑制閃變。但是隨著風電在電網中的比例越來越大，這種方法也體現出了局限性。本文提出采用超級電容器平抑風電有功功率快速波動從而抑制閃變的方法。本文設計了超級電容器的控制策略，以考慮塔影效應和風剪切的風速模型作為輸入，并搭建了IEC 閃變儀，仿真比較了風電場采用儲能調節有功功率前后的功率波動和閃變值。利用Matlab/Simulink 軟件進行仿真，仿真結果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。

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