超導儲能裝置應用于風電場平滑功率輸出的研究

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(1.新疆電力設計院，新疆 烏魯木齊 830001；2.新疆風電工程設計咨詢有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830063)

0 引 言

開發利用新能源和可再生能源是解決中國能源和環境問題的重要措施之一，風電是可再生能源的重要組成部分。風力發電作為目前世界上可再生能源開發利用中技術最成熟、最具規模開發和商業化發展前景的發電方式之一，由于其在減輕環境污染、調整能源結構、解決偏遠地區居民用電問題等方面的突出作用，越來越受到世界各國的重視并得到了廣泛的開發和利用[1]。目前，在中國越來越多的大中型風電場相繼建成并投入運行。截止2012年年底，全國風電并網總量達到60 830 MW，發電量達到100 400 GWh，風電已超過核電成為繼煤電和水電之后的第3大主力電源。由于自然風資源不穩定的特點，風電功率的波動性和間歇性會對局部電網電壓的穩定性和電能質量產生影響。另外，眾多大型風電場多位于電網結構薄弱環節，需通過一定的措施改善風電場的運行性能。為了更加充分地利用可開發的風能資源，提高風力發電的比例，除了合理地進行規劃設計外，有必要探討改善風電場運行性能的有效措施，降低風電對電網的影響。

超導磁儲能(super conducting magnetic energy storage，SMES)具備快速的功率吞吐和靈活的四象限調節能力，在維持電網穩定、提高輸電能力和改善電能質量方面發揮了極其重要的作用。將超導磁儲能用于風力發電系統，是一種理想的提高風電系統動態性能和解決系統穩定性的手段。

下面建立了風電機組、風電場和SMES數學模型，并針對某風電場通過MATLAB/Simulink進行了仿真，研究SMES對并網風電場運行穩定性的改善，對實例系統的仿真研究表明，SMES在改善風電場穩定性方面具有優良的性能。

1 風電機組的模型

根據風力發電系統的特性，風電機組數學模型主要環節包括：風能的吸收和轉換裝置——風機；起連接作用的中間環節——輪轂、齒輪箱、連軸器；機械能到電能的轉換裝置——發電機，如圖1所示，圖中E為異步發電機的內電勢，ω為轉子轉速[1]。

圖1 簡化風電機組模型框圖

各部分數學模型如下。

(1)風輪機模型

(1)

其中，Mm為風機葉片產生的轉矩；ρ為空氣密度，kg/m3；Vw為作用于風輪機的風速，m/s；R為風輪機半徑，m；λ是葉尖速比；Cp為風能利用系數(即在單位時間內風輪所吸收的風能與通過風輪旋轉面的全部風能之比)；ΩN是風輪機的額定機械角速度，Rad/s；PN是風輪機額定功率，MW[2]。

(2)傳動機構模型

忽略損耗和傳動軸的柔性，傳動部分可用一階慣性環節模擬為

(2)

式中，MT為輪轂輸出轉矩,p.u.；Th為輪轂慣性時間常數,s[3]。

(3)異步發電機組模型

異步發電機采用忽略定子繞組暫態的機電暫態模型，如式(3)[2,3]。

(3)

(4)異步發電機的電磁轉矩

發電機電磁轉矩方程為

Me=Re(EI*)

(4)

為簡化計算，在系統仿真分析時，風電場采用如下等值的原則。

①額定容量相等。等效額定容量s∑是所有風電機組額定容量之和，pi是第i臺風電機組的額定容量。即

(5)

②注入電網的功率相等。p∑是所有風電機組注入功率之和,pi是第i臺風電機組的注入功率,即[5]

(6)

2 SMES數學模型和控制策略

2.1 SMES的工作原理

由于超導體的超導電性，電能可以電磁能的形式無損耗地存儲于磁體當中。當系統處于工作狀態時，超導磁體通過功率變換電路將磁體電流轉換為換流器的直流支撐電壓。圖2所示是一種串聯電壓型SMES系統原理，主要針對電壓敏感負荷，基本功能為對非正常電壓進行動態補償，以滿足敏感負荷對電壓質量的要求。

超導儲能用換流器與普通逆變電路不同，簡言之，換流器連接儲能單元與電網，工作環境復雜，功率雙向流動，對開關電路要求較高；通用逆變器作為電源設備，服務對象一般為用戶負載，工作環境單一。所以，換流器必須具備電壓等級較高、開關諧波含量少以及結構靈活易于維護等特點。

圖2 SMES系統原理圖

2.2 SMES的數學模型

采用SMES的風力發電系統如圖3所示，SMES單元接在風力發電機母線上，用來改善系統動態特性。以下介紹SMES調節原理，并建立SMES模型。

超導儲能單元是柔性交流輸電技術中的一種，由一個超導線圈(super conducting coil)、一個強制換向變換器(forced-commuted converter)、一個控制

圖3 采用SMES的風力發電系統

器(controller)組成。強制換向變換器是基于晶閘管的半導體開關，可工作于逆變器狀態和整流器狀態，使SMES單元在相應的狀態下發出或吸收有功功率和無功功率。具有了這種功能的SMES單元可被看作是一個由有功和無功控制器控制幅值和相位的可控電流源[4,5]。

考慮到SMES是一種并聯補償裝置，可以等效為一個可控的電流源，因此它的直流系統與交流電網的連接環節采用電流源型換流橋。為充分發揮SMES的有功無功的綜合調節能力，采用雙橋結構換流裝置和不等觸發角的控制方式，分別控制兩個換流橋的觸發角來控制直流電壓的大小以及交流側電壓與電流的相角差，從而控制超導線圈的充放電以及與系統交換的無功功率。

圖4 雙橋SMES與交流系統的連接示意圖

忽略變壓器的損耗和換弧電抗，SMES的數學模型如式(7)。

(7)

其中，Vd、Id分別為超導線圈上的直流電壓和電流；α1、α2為兩個換流橋的觸發角；Vd1、Vd2為兩換流橋直流側的電壓；Is1、θ1、Is2、θ2分別為兩換流橋交流側電流的幅值與相角；E1、φ1、E2、φ2為換流橋交流側電壓的幅值與相角；E、φ、Ip、θ是SMES與系統連接點的節點電壓和注入電流的幅值與相角。

2.3 SMES的控制方式

并網風電場中嚴重擾動主要有系統的短路故障和陣風的擾動。為更好地模擬這兩種擾動形式，需要選擇SMES的安裝地點和控制信號。風電場一般都由大量的分散分布的風電機組構成，在每臺風電機組出口安裝SMES裝置勢必增加系統的維護量，降低可靠性和經濟性。因此選擇SMES的安裝地點為風電場升壓站的低壓側，對風電場進行集中控制和調節。

異步發電機本身沒有勵磁裝置，在輸出有功功率的同時要從電網吸收大量的無功功率。隨著風電場出力的增加，異步發電機吸收的無功功率也相應增加，機端電壓隨有功出力的增加而降低，電壓的變化反映了風電場有功出力的變化。因此，選取電壓偏差作為有功控制器的控制信號，對SMES應當補償的有功功率進行調節。當風速變化使風電場出力增加時，風電場端電壓降低(ΔU<0)，為了平滑風電場的輸出，應控制SMES裝置吸收一定的有功功率，超導線圈充電，反之，應控制超導線圈放電，這與網絡短路故障時提高穩定性防止風輪機失速的控制規律是一致的。由此可見，通過采用電壓偏差作為SMES有功控制器的控制信號，能夠充分發揮SMES有功無功綜合調節的能力，使其既能滿足提高暫態穩定性的要求又能夠在風速擾動時降低風電場對電網的沖擊。

附加控制器：將反映超導線圈電流的信號Δω/ΔP作為負反饋，送入有功控制器作為輔助控制可以加快超導線圈的電流恢復過程。

對于雙橋系統，SMES與交流系統交換的功率滿足

(8)

(9)

根據上述分析，設計的SMES控制器框圖如圖5所示。

圖5 SMES控制器框圖

有功無功控制器采用帶慣性環節的比例控制，其傳遞函數為

(10)

其中，ΔU是SMES安裝點的電壓偏差量；TQ、Tp是有功和無功控制器的時間常數，SMES吞吐功率的速度為毫秒級，時間常數可選為0.025～0.05 s；KP、KPQ是有功和無功控制器的放大倍數，其大小與SMES的最大注入功率、風電機組以及電網的參數有關。

當風速變化使風電場出力增加時，風電場端電壓降低(ΔU<0)，為了平滑風電場的輸出，應控制SMES裝置吸收一定的有功功率，超導線圈充電，反之，應控制超導線圈放電，這與網絡短路故障時提高穩定性防止風輪機失速的控制規律是一致的。由此可見,通過采用電壓偏差作為SMES有功控制器的控制信號，能夠充分發揮SMES有功無功綜合調節的能力，使其既能滿足提高暫態穩定性的要求，又能夠在風速擾動時降低風電場對電網的沖擊[6-8]。

3 仿真分析

為了說明SMES在穩定風電場電壓和提高風電系統運行性能方面的作用，采用圖5所示的實例系統接線圖進行仿真分析，其中風電場總裝機容量為99 MW，由132臺750 kW風機組成，通過雙回送電線路接入系統。在風電場升壓站低壓側(節點11)接入SMES裝置，分別對風電場在陣風干擾下和風電場送出線路(節點9)附近發生三相短路故障兩種情況下進行了仿真計算，仿真實例接線示意圖如圖6[9,10]。

圖6 仿真電網接線示意圖

3.1 陣風擾動下仿真分析

在陣風擾動下的仿真結果如圖7所示。可以看出，在陣風擾動下，SMES有效地降低了有功和電壓振蕩的幅值和持續時間。SMES快速的響應能力使它在較快的風速變化時對風電場輸出的波動有很好抑制作用，平滑風電場的輸出，阻尼功率和電壓的振蕩。通過仿真分析，顯示了SMES在風電場小干擾下能夠有效地穩定風電場電壓的優良特性。

3.2 故障擾動下仿真分析

在風電場沒有任何控制措施的情況下，出口處發生嚴重故障的極限切除時間為80 ms，這對保護裝置的快速性提出了苛刻的要求。圖8(a)、(b)給出了0.2 s故障，0.28 s切除一回線路的有功和電壓變化曲線，從圖8(b)的仿真曲線可以看出，未安裝SMES裝置時，故障清除后，電壓恢復過程較慢，電壓低于0.9 p.u.的持續時間較長。在安裝SMES裝置后，可以將三相短路故障的極限切除時間提高到145 ms，并且加快了電壓和功率的恢復過程，有效地改善了風電場的穩定性。圖8(c)是切除時間為120 ms的風電場電壓變化曲線，顯然，沒有SMES裝置時電壓很快失穩，而安裝SMES裝置可以使系統的電壓很快恢復。

圖7 陣風情況下風電場的電壓和有功曲線

圖8 短路故障后風電場出口電壓和有功變化曲線

以上的分析和仿真結果表明，通過采用合適的控制策略，使用超導儲能裝置不僅可以在網絡故障后有效地提高風電場的穩定性，而且能夠在快速的風速擾動下平滑風電場的輸出，降低風電波動對電網的沖擊。

4 結 論

針對并網風電場的功率波動對電網造成的影響，提出了SMES應用于風電場的控制方式，并進行了在陣風和三相短路故障兩種情況下并網風電場的仿真研究。仿真結果表明，加裝SMES的并網型風電場具有良好的動態性能，不僅能很好地吸收風電場輸出有功功率的波動成分，有效平滑注入電網的有功功率，同時，SMES也起到了抑制電網電壓波動的作用。分析表明，通過合理選擇SMES的控制方式，采用具有較小儲能量的SMES就能夠降低并網風電場在陣風擾動時對電網的影響，有效提高網絡故障后風電場的穩定性。

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