用于平抑風電波動功率的混合儲能靜止同步補償器

尹忠東， 王 超

華北電力大學 電氣與電子工程學院 北京 102206

用于平抑風電波動功率的混合儲能靜止同步補償器

尹忠東， 王 超

華北電力大學 電氣與電子工程學院 北京 102206

針對傳統靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator， STATCOM)只能補償無功功率的不足，提出一種新型混合儲能靜止同步補償器(STATCOM/HESS)，通過在直流側增加混合儲能裝置，可快速補償系統所需要的有功功率和無功功率。相比于有關學者之前提出的蓄電池儲能靜止同步補償器(STATCOM/BESS)，采用STATCOM/HESS可充分利用超級電容功率密度高及蓄電池能量密度高的特點，儲能系統的動態響應特性和運行壽命得到極大改善。對STATCOM/HESS的拓撲結構進行了研究，并對其應用于風電場的協調控制策略進行了分析，在PSCAD/EMTDC中建立了STATCOM/HESS的仿真模型。結果表明，STATCOM/HESS在穩態情況下能夠有效平抑風電場的有功功率波動，并能夠根據需要發出感性和容性無功功率，優化風電場的并網運行。

混合儲能； 靜止同步補償器； 風電場； 波動功率平抑； 控制策略

1 課題背景

受風力變化的影響，風力發電機輸出功率的波動較大。近年來，隨著風力發電場的大量建設，風力發電輸出功率的波動給電網運行帶來的不利影響日趨嚴重。風力發電機在發電時需要從電網中吸收無功功率，當風力發電機吸收感性無功功率時，由于輸電線路中存在電抗，風電場與電網接入點的電壓會下降。因此，為了獲得更好的控制性能和更高的發電效率，在風電場運行過程中進行有功功率平抑和無功功率補償是十分必要的。

根據文獻[1]的論述，風電場輸出的波動功率可分為以下三類。

(1) 尖峰波動功率。主要由風速瞬時大幅度增大或減小引起，輸出功率峰值大，但持續時間較短。

(2) 穩態波動功率。主要由風速持續增大或減小引起，輸出功率峰值小，但持續時間長。

(3) 頻繁往復波動功率。主要由風速快速往復變化引起，輸出功率主要在某一固定值附近上下波動。

采用儲能系統對上述三類波動功率進行平抑時，需要儲能系統兼具頻繁往復性充放電、尖峰功率吞吐、大容量能量吞吐等能力。在儲能特性方面，蓄電池能量密度大，但功率密度小、動態響應慢、循環壽命短，若單純采用蓄電池儲能系統，為了應對短時功率沖擊，往往要配置較大的儲能容量，導致成本過高，且頻繁充放電也會縮短儲能系統的使用壽命。與之相反，超級電容器雖然儲能容量受限，但功率密度大、響應速度快、循環壽命長。若能將超級電容和蓄電池結合在一起，使超級電容承擔沖擊性和往復性波動功率，這樣不僅可以大大減小蓄電池的配置容量，減少投資，還可以延長整個儲能系統的使用壽命，提高穩定性。

近年來，已有不少學者對結合蓄電池儲能的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)進行了研究，文獻[2-4]的研究表明，STATCOM/BESS能夠快速吸收或發出有功功率和無功功率，實現雙向大功率調節。文獻[5-7]研究了STATCOM/BESS對風電場的動態補償問題，指出STATCOM/BESS在穩態情況下能夠平抑風電場功率的波動。上述研究中，儲能部分都只采用了蓄電池儲能，沒有論述混合儲能在靜止同步補償器(STATCOM)中的應用。文獻[8-9]對混合儲能如何平抑風電場有功功率波動進行了重點論述，但是對風電場的動態無功補償問題卻沒有進行研究，其無功補償裝置還需額外建設，項目投資大，維護成本高。

2 混合儲能靜止同步補償器原理

混合儲能靜止同步補償器(STATCOM/HESS)由傳統STATCOM和混合儲能系統組成，混合儲能部分由超級電容和蓄電池組成。系統的拓撲結構如圖1所示，變流器選用電壓型橋式電路，通過電抗器并聯在電網上，超級電容和蓄電池通過DC/DC功率變換器并聯在直流側。DC/DC功率變換器能夠通過調節占空比來控制儲能設備的輸出功率，因此，可以對儲能設備進行直接控制，靈活配置能量管理系統，優化蓄電池的放電電流，并使蓄電池和超級電容深度放電[9]。

圖1 STATCOM/HESS拓撲結構圖

傳統STATCOM主要與系統進行無功功率交換，引入混合儲能系統的STATCOM/HESS則不僅可以快速補償系統無功功率，還可以補償有功功率，從而可以提供更加靈活多樣的電能調節功能[10]。圖2為STATCOM/HESS工作原理圖。圖中U、E分別為裝置電壓與系統電壓的相量，I為輸出電流相量，X為連接電抗，電阻R代表裝置運行過程中產生的損耗。由圖2可看出，通過對電壓型橋式電路交流側輸出電壓幅值和相位的調節，可以使電路吸收或放出指定的有功功率P和無功功率Q。

圖2 STATCOM/HESS的四象限工作模式

3 控制策略

3.1 混合儲能部分的控制

在混合儲能系統中，超級電容用于補償波動頻率大且幅值較大的功率分量，蓄電池用于補償波動頻率小且幅值較小的功率分量。為了滿足要求，采用二級低通濾波方法，通過設置不同的濾波時間常數來為蓄電池和超級電容分配合適的輸出功率參考值[11]。超級電容及并網側輸出功率的參考值可經二級濾波后直接確定，蓄電池的作用為維持直流母線電壓恒定，其輸出功率接近等于并網側輸出功率減去超級電容輸出功率。如圖3所示，TSC和Tbat分別為第一次濾波和第二次濾波的時間常數，PS為分布式電源總輸出，PS經過一次低通濾波之后所得值與自身的差值作為超級電容的輸出功率參考值PSC_ref，PS經過二次低通濾波之后與自身的差值作為并網側輸出功率參考值Pref。

圖3 二級低通濾波原理圖

在混合儲能側，超級電容和蓄電池通過雙向半橋DC/DC變換器連接到直流母線，DC/DC變換器在充放電時分別工作于降壓模式和升壓模式[12-13]。為了防止流過超級電容的電流過大，采用功率外環、電流內環的雙環策略來控制DC/DC變換器，并對輸出的參考電流進行限幅。圖4為超級電容所接DC/DC變換器的控制結構圖，從圖中可看出，DC/DC變換器的輸出功率PSC跟蹤功率參考值PSC_ref，兩者誤差經電流控制器PI后形成電流參考值ISC_ref，新形成的電流參考值ISC_ref與輸出電流反饋ISC進行比較，再經過電流控制器PI，產生占空比信號d控制DC/DC變換器，從而放出或吸收指定功率。

圖4 超級電容側DC/DC變換器控制結構圖

圖5為蓄電池所接DC/DC變換器的控制結構圖。為穩定直流母線電壓及優化蓄電池充放電，蓄電池側的DC/DC變換器采用電壓外環、電流內環的控制策略，STATCOM/HESS直流側電壓Udc與參考電壓Uref比較，兩者誤差經電流控制器PI后形成電流參考值Ib_ref，新形成的電流參考值Ib_ref與蓄電池輸出電流Ib進行比較后，再經過電流控制器PI，產生占空比信號d控制DC/DC變換器。

圖5 蓄電池側DC/DC變換器控制結構圖

3.2 電壓型橋式電路部分的控制

圖1中Eabc、Iabc分別為系統的三相電壓和裝置流出的三相電流，對兩者進行dq變換，變換矩陣T為：

(1)

可得：

(2)

(3)

STATCOM/HESS并網側輸出功率計算公式為：

(4)

若將電網電壓定向于d軸，有：

(5)

式中：Em為電網電壓幅值。

將式(5)代入式(4)，則功率計算公式可簡化為：

(6)

由式(6)可以看出，在電網電壓確定時，通過控制Id、Iq，即可實現對有功、無功功率的獨立控制。

根據圖3，容易得到并網輸出有功功率指令Pref，再根據式(6)，可得d軸電流參考值：

(7)

風電場功率電流ISabc經過abc-dq變換得到ISq，乘以-1后作為q軸電流參考值，整個控制過程的框圖如圖6所示。

圖6 電壓型橋式電路的控制結構圖

4 仿真研究

在PSCAD/EMTDC環境下搭建了STATCOM/HESS模型，以一小型風電場為功率平抑對象，其發電曲線如圖7中PS所示，最大輸出功率10.8MW，最小輸出功率0.4MW，平均功率5.8MW。圖7中PL是經STATCOM/HESS平抑后輸送至電網的功率，可以看到，風電場輸出的波動功率得到了明顯的平抑。

圖7 補償前后流入電網的有功功率對比

圖8(a)和圖8(b)分別為超級電容和蓄電池的輸出功率，從圖中可以看出： 超級電容補償有功功率的頻率和峰值都比蓄電池大得多，并且功率主要在0值附近波動，符合超級電容響應速度快、功率密度大、可充放電次數多的特點；而蓄電池主要補償低頻率、低峰值的功率，可防止電池頻繁充放電，有利于保護蓄電池且發揮其容量大的優勢。圖9是STATCOM/HESS直流側母線電壓的波形，由于蓄電池采用了電壓外環的控制策略，所以直流側母線電壓較為穩定。

圖8 混合儲能側輸出有功功率對比

圖9 STATCOM/HESS直流側母線電壓

圖10(a)為風電場所需的無功功率，隨風速的變化而上下波動。圖10(b)為STATCOM/HESS所提供的無功功率，從圖中可看出，STATCOM/HESS可以很好地跟蹤并補償風電場所需的無功功率。圖10(c)為風電場與電網所交換的無功功率，由圖可見，在STATCOM/HESS的補償下，風電場與電網基本不進行無功功率的交換。

圖10 STATCOM/HESS對風電場所需無功功率的補償情況

5 結束語

提出一種混合儲能靜止同步補償器，不僅可以補償風電場所需的無功功率，還可以平抑風電場的輸出功率波動，并且充分利用了不同儲能元件的優

點，使整個儲能系統具有高能量密度和高功率密度的特點。該裝置用二級低通濾波的方法分別為超級電容和蓄電池提供參考功率，并采用旋轉坐標系下電流解耦控制方法對電壓型橋式電路進行控制。仿真結果與理論分析一致，證明這一新型靜止同步補償器具有理論價值和實際意義。

[1] 于芃，趙瑜，周瑋，等.基于混合儲能系統的平抑風電波動功率方法的研究[J].電力系統保護與控制，2011，39(24)： 35-40.

[2] 薛暢，王建賾，紀延超，等.結合蓄電池儲能系統的STATCOM的電流解耦控制[J].電力系統保護與控制，2013，41(6)： 43-48.

[3] 李寧寧，紀延超，王建賾，等.帶蓄電池儲能裝置的靜止同步補償器(STATCOM/BESS)的概況綜述[J].電工電能新技術，2014，33(4)： 48-53.

[4] 梁爽，李寧寧，紀延超，等.帶蓄電池儲能的靜止同步補償器的小信號模型建立及其控制[J].電氣技術，2014(6)： 1-4，30.

[5] 曹煒，韓雅帥，徐永海.帶蓄電池儲能的級聯多電平型STATCOM在風電場中的應用[J].大功率變流技術，2015(4)： 51-55.

[6] 沈超.基于提高風電場電能質量的STATCOM控制方法研究[D].天津： 河北工業大學，2014.

[7] 張曉紅，孫麗玲.基于STATCOM-BESS的風電場功率協調控制策略研究[J].電力科學與工程，2014，30(8)： 38-44.

[8] 陳稿.混合儲能系統對風電功率波動的平抑作用研究[D].杭州： 浙江大學，2014.

[9] 于芃.基于混合儲能的風電場實時功率調控系統研究[D].大連： 大連理工大學，2012.

[10] 夏紅燕.基于混合儲能的光伏并網功率平抑控制研究[D].濟南： 山東大學，2014.

[11] 丁明，林根德，陳自年，等.一種適用于混合儲能系統的控制策略[J].中國電機工程學報，2012，32(7)： 1-6.

[12] 桑丙玉，陶以彬，鄭高，等.超級電容-蓄電池混合儲能拓撲結構和控制策略研究[J].電力系統保護與控制，2014，42(2)： 1-6.

[13] 張純江，董杰，劉君，等.蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J].電工技術學報，2014，29(4)： 334-340.

Aiming at the shortage of traditional STATCOM(Static synchronous compensator) that has no option but to compensate reactive power, a new style of hybrid energy storage STATCOM(STATCOM/HESS) was proposed. By adding the hybrid energy storage device at DC side it is possible to compensate quickly the active power and reactive power required by the compensation system. Compared to the accumulator battery energy storage STATCOM(STATCOM/BESS) proposed by relevant scholars before, STATCOM/HESS can make maximum use of the features i.e. high power density of super capacitor and high energy density of the batteries with great improvement of dynamic response and service life of the energy storage system. By exploring STATCOM/HESS topology and analyzing its coordinated control strategy applied to wind power firlds, a simulation model of STATCOM/HESS was established in PSCAD/EMTDC. The results show that STATCOM/HESS in steady state can effectively stabilize the active power fluctuations in wind power fields, and can send out the inductive and capacitive reactive power as required to optimize the on-line operation of wind power fields.

Hybrid Energy Storage； STATCOM； Wind Power Fields； Stabilization of Power Fluctuation； Control Strategy

2016年1月

尹忠東(1968— )，男，博士，教授，主要研究方向為柔性交流輸電技術、新能源發電等， E-mail： yzd@ncepu.edu.cn

TM614;TK83

A

1674-540X(2016)03-004-05