超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用研究

劉金龍，李國(guó)慶，王振浩，辛業(yè)春

(1.哈爾濱第二電業(yè)局，黑龍江哈爾濱150076;2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已成為一種可大規(guī)模商業(yè)開發(fā)的再生能源發(fā)電技術(shù)。但風(fēng)能是一種間歇性能源［1］，風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng)性導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)頻率振蕩。為抑制系統(tǒng)頻率振蕩，電力系統(tǒng)需采取頻率調(diào)節(jié)、運(yùn)行調(diào)度等一系列措施。此外，風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)會(huì)影響所在電網(wǎng)的電能質(zhì)量，引起電壓波動(dòng)與閃變［2］，如何抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)是目前風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行中待解決的問題。

目前，抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出功率隨機(jī)波動(dòng)的可行方法是在風(fēng)電場(chǎng)配置電力儲(chǔ)能系統(tǒng)［3］。但現(xiàn)有的化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)大都是基于蓄電池充放電的形式，其工作效率偏低，不易實(shí)際應(yīng)用。超級(jí)電容器［4～9］，由于其功率密度大［10］、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電效率高［11］、高低溫性能好等優(yōu)點(diǎn)［12］，可有效延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間、提高其經(jīng)濟(jì)性能以及功率輸出能力［13］。

綜上所述，本文采用可大功率快速充放電的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的短時(shí)波動(dòng)，并進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方式

目前國(guó)內(nèi)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的主流機(jī)型為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，部分為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，考慮到國(guó)內(nèi)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組大部分為異步電機(jī)、雙饋電機(jī)、永磁電機(jī)，并結(jié)合風(fēng)力發(fā)電水平及儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)狀，現(xiàn)有的儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝位置有兩種方案，即每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組單獨(dú)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)出口并網(wǎng)母線集中配置儲(chǔ)能系統(tǒng)。

1.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝位置

圖1是分別為在雙饋感應(yīng)電機(jī)提供低頻交流勵(lì)磁的兩個(gè)變流器中間直流母線上加入儲(chǔ)能系統(tǒng)和在永磁直驅(qū)電機(jī)整流逆變的兩個(gè)變流器的直流母線上接入儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)輸出功率波動(dòng)進(jìn)行抑制。

圖2是在風(fēng)電場(chǎng)輸出母線位置進(jìn)行集中配置安裝一個(gè)單獨(dú)的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)，對(duì)整體并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)進(jìn)行抑制。

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置方式分析

從理論研究可知，這兩種安裝方式都可完成抑制并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)。現(xiàn)結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況就這兩種安裝方式進(jìn)行分析總結(jié)如下:

分散配置:將雙饋機(jī)組的網(wǎng)側(cè)變流器和永磁電機(jī)變流器作為儲(chǔ)能的變流裝置，不需要單獨(dú)為儲(chǔ)能系統(tǒng)配置專用的變流器，減少了配置的部分經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，而且分散配置對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量要求也較小。但是分散配置需要改變雙饋風(fēng)電機(jī)組的勵(lì)磁控制方式，給實(shí)際運(yùn)行帶來了復(fù)雜的技術(shù)要求。分散配置的同時(shí)也使儲(chǔ)能系統(tǒng)的檢修和維護(hù)具有分散性，不便于統(tǒng)一管理。

集中配置:僅需要在風(fēng)電場(chǎng)輸出或并網(wǎng)母線上加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)閱闻_(tái)風(fēng)電機(jī)的停運(yùn)或檢修而退出運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)的維護(hù)和管理方便，整體可靠性較高。圖3和圖4為黑龍江省大慶地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)和八臺(tái)機(jī)組型號(hào)為Vestas/V60風(fēng)機(jī)一天當(dāng)中實(shí)測(cè)輸出功率曲線。從圖中數(shù)據(jù)可以看出單臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)較大，但多臺(tái)風(fēng)機(jī)輸出功率總和可使波動(dòng)削弱。這也是集中配置的優(yōu)勢(shì)所在。

綜合以上分析，本文采用在并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出母線上集中安裝超級(jí)電容器的配置方式。

2 系統(tǒng)的工作原理與控制策略

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行原理

圖5為超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)EDLC Energy Storage System(EESS)經(jīng)電抗器及變壓器接入并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出母線的結(jié)構(gòu)示意圖，儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成即超級(jí)電容器組、雙向直流變換器、電壓源型變流器VSC。直流側(cè)電容器為變流器提供電壓支撐并緩沖各個(gè)橋臂關(guān)斷時(shí)的沖擊電流，減小直流側(cè)諧波。超級(jí)電容器在充放電過程中其端電壓發(fā)生變化，加入雙向直流變換器解決超級(jí)電容器端電壓波動(dòng)問題，為直流母線提供平穩(wěn)電壓，從而使得變流器VSC可工作在持續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)。

通過對(duì)四象限變流器VSC的有功、無功功率解耦控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率波動(dòng)進(jìn)行分別抑制。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出有功波動(dòng)時(shí)，采用SPWM控制VSC和雙向直流變換器調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)快速吸收或輸出有功抑制母線上有功;當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)輸出無功功率波動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)輸出母線電壓不穩(wěn)定時(shí)，通過控制超級(jí)電容器快速充放電吸收或輸出抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出無功功率波動(dòng)，進(jìn)而確保輸出母線電壓穩(wěn)定。

2.2 超級(jí)電容器模型

本文采用的超級(jí)電容器為雙電層電容器EDLC(Electric Double Layer Capacitor)。由于EDLC內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)態(tài)特性很難描述，目前的模型都有局限性，一般根據(jù)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)合的不同選擇有針對(duì)性的模型?？紤]EDLC充放電時(shí)的動(dòng)態(tài)特性［15］，主要表征自放電現(xiàn)象的并聯(lián)等效電阻可予以忽略，因此可得超級(jí)電容器簡(jiǎn)化等效模型如圖6所示。

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方式

儲(chǔ)能設(shè)備的控制系統(tǒng)主要是變流器VSC和雙向直流變換器的控制部分。變流器VSC的控制實(shí)際上是對(duì)交流側(cè)電流的控制，通過控制三相VSC輸入電感上電流的幅值和相位，控制整流器交流側(cè)與直流側(cè)之間的有功功率和無功功率的交換實(shí)現(xiàn)功率的四象限控制。圖5中的功率分配可表示如下:

式中，PE和QE為儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收的有功和無功功率，PW和QW為風(fēng)電場(chǎng)輸出有功和無功功率，PG和QG為注入電網(wǎng)的有功和無功功率。按照并網(wǎng)要求，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)要求的PG和QG值給定時(shí)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)輸出的PW和QW值可計(jì)算出PE和QE作為控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的參考值Pref和Qref。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖如圖7所示。通過對(duì)交流側(cè)電流的有功分量和無功分量的解耦控制來實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的分別控制。由圖5可知，雙向直流變換器主要由S1和S2兩個(gè)IGBT開關(guān)器件組成，當(dāng)超級(jí)電容充電時(shí)，通過S1構(gòu)成的降壓斬波電路完成。當(dāng)超級(jí)電容器放電時(shí)，通過S2構(gòu)成的升壓斬波電路將超級(jí)電容器端電壓升至需要的直流母線電壓，并保持在規(guī)定的電壓值附近。二極管VD1和VD2用來保護(hù)超級(jí)電容器防止反向充電。對(duì)雙向直流變換器進(jìn)行電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的控制方式，確保直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)使得超級(jí)電容器工作電流穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)仿真研究

本文以某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)(含18臺(tái)單機(jī)容量為1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組)為例在DigSILENT/Power Factory上進(jìn)行仿真分析。取此風(fēng)電場(chǎng)某一短時(shí)風(fēng)速作為仿真用風(fēng)速曲線如圖8所示，根據(jù)整定計(jì)算，超級(jí)電容器參數(shù)為容量3000 F，額定電壓2.7 V，串聯(lián)等效電阻為0.045 mΩ，330串15并組成超級(jí)電容器組。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示。

圖8中的風(fēng)速下風(fēng)電場(chǎng)輸出母線有功功率和無功功率曲線如圖10所示，在此風(fēng)速下風(fēng)場(chǎng)輸出母線公共連接點(diǎn)PCC處電壓出現(xiàn)如圖11所示波動(dòng)。從圖10中可以看出，在一分鐘內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)有功功率的最大變化量大于6 MW，超出了國(guó)家電網(wǎng)公司對(duì)風(fēng)電場(chǎng)最大功率變化率推薦值要求的標(biāo)準(zhǔn)［16］。

通過在并風(fēng)電場(chǎng)輸出母線上裝入超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行快速功率調(diào)節(jié)后，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出有功和無功功率如圖12和圖13所示，風(fēng)電場(chǎng)注入系統(tǒng)的有功功率和無功功率變化如圖14所示，一分鐘內(nèi)有功功率的最大變化量被限制在了3 MW以內(nèi)，達(dá)到了國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)定的推薦值標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)也使得風(fēng)電場(chǎng)輸出的無功功率波動(dòng)明顯降低。從圖15中可以看出通過超級(jí)電容器快速吞吐風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)的同時(shí)也抑制了輸出母線電壓的波動(dòng)。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電輸出功率短時(shí)波動(dòng)引起電力系統(tǒng)頻率振蕩、電壓波動(dòng)和閃變，采用可大功率快速充放電的超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的短時(shí)波動(dòng)。根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)和風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)分析并確定了超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的具體安裝地點(diǎn)，結(jié)合有功功率和無功功率解耦控制策略，抑制風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和無功功率的波動(dòng)，使風(fēng)電場(chǎng)輸出母線電壓趨于平穩(wěn)狀態(tài)通過。最后通過算例仿真研究表明，超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)能在短時(shí)內(nèi)快速的抑制并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率和無功功率波動(dòng)，穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)母線電壓。

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