柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究

許偉，肖湘寧，周志超

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京100026；2.國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司 風(fēng)電技術(shù)中心，北京100039）

1 引言

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能大規(guī)模開發(fā)利用的有效途徑，但風(fēng)電機(jī)組的輸出功率具有波動性、間歇性和隨機(jī)性，對電網(wǎng)的電壓和無功功率分布等將造成很大影響，尤其是隨著目前風(fēng)電滲透率的日益提升，當(dāng)風(fēng)電總?cè)萘窟_(dá)到一定比例后會給電網(wǎng)帶來穩(wěn)定問題[1－2]。 因此，本文提出通過配置集中式儲能系統(tǒng)來平抑風(fēng)電輸出功率的波動，從而改善風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行性能，進(jìn)一步促進(jìn)風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用。

2 柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建

儲能裝置可以有效抑制風(fēng)電功率的波動，通常根據(jù)接入風(fēng)電系統(tǒng)位置的不同可分為集中式儲能系統(tǒng)和分散式儲能系統(tǒng)[3]。 集中式儲能系統(tǒng)主要指將大容量的儲能裝置集中放置，形成獨(dú)立的儲能系統(tǒng)，在風(fēng)電場的出口母線處接入電網(wǎng)，對風(fēng)電場輸出功率進(jìn)行平滑，削弱其輸出功率波動對電網(wǎng)的影響；分散式儲能系統(tǒng)主要是指把較小容量的儲能裝置整合到風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，形成一體化裝置，提高單臺裝置的并網(wǎng)運(yùn)行能力，并對其輸出功率波動進(jìn)行抑制。

鑒于目前變速恒頻方式的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益成熟，特別是其中最具代表性的雙饋感應(yīng)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)逐步占據(jù)風(fēng)電市場的主導(dǎo)地位，同時考慮大容量電池儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用情況，本文采用圖1所示的配置集中式儲能系統(tǒng)的柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成方案。

圖1 柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of flexible wind power system

該方案不改變風(fēng)電機(jī)組原有的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，物理意義明確，并且配置較為簡單，方便風(fēng)電場的統(tǒng)一調(diào)度控制[4]。

3 低通濾波平抑風(fēng)電波動控制策略

3.1 風(fēng)電功率波動的頻率范圍

風(fēng)電功率的波動主要源于自然風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性，其分布頻段范圍相當(dāng)寬廣，因此有必要分析確定需要平抑的頻段范圍，從而有針對性的加以控制解決。 在這里引入傳遞函數(shù)G（s）=Δw（s）/ΔP（s），其物理意義可以理解為風(fēng)電功率波動對整個系統(tǒng)頻率的影響，其中Δw（s）為以基頻為基準(zhǔn)的頻率偏差，ΔP（s）為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的凈功率波動[5]。

如圖2所示的波特圖，傳遞函數(shù)G（s）按照其頻率范圍可分為A，B，C 3 個區(qū)域，其中A 區(qū)域?qū)?yīng)0.05 Hz 以下的頻率范圍，這部分功率的低頻波動基本可以由電網(wǎng)中的自動發(fā)電控制系統(tǒng)加以補(bǔ)償，其影響比較??；C 區(qū)域?qū)?yīng)1.0 Hz 以上的頻率范圍，這部分功率的高頻波動基本可以被轉(zhuǎn)子慣量吸收，其影響非常??；相對來說，只有B區(qū)域所對應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，功率波動對電力系統(tǒng)的影響最嚴(yán)重，需要加以平抑控制。

圖2 傳遞函數(shù)G(s)的波特圖Fig.2 Bode diagram of transfer function G(s)

3.2 風(fēng)電波動的低通濾波控制

平抑風(fēng)電功率波動的主要目標(biāo)是剔除風(fēng)電功率中的高頻分量，這與信號處理中的低通濾波原理類似，由此本文引入圖3所示的濾波控制算法。

圖3 濾波算法控制框圖Fig.3 Control block diagram of filtering algorithm

首先，波動的風(fēng)電輸出功率信號Pwind通過低通濾波器得到Pgrid_ref，然后Pgrid_ref與Pwind作差得到儲能系統(tǒng)輸出功率參考信號Pbess_ref，若為正，則表示電池放電；若為負(fù)，則表示電池充電，各個功率值的關(guān)系如下式所示：

將式（1）離散化，設(shè)ΔT 為平抑控制周期，在tk=k·ΔT（k=1，2，3，…）時刻，

解得

由式（2）可得儲能釋放能量Pbess_ref為

4 儲能PCS 變流器設(shè)計(jì)

本文采用單級式PCS 變流器，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PCS 變流器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of PCS converter

圖4中，直流側(cè)電容Cbus提供直流支撐電壓，抑制直流電壓波動； 功率開關(guān)管S1～S6在PCS 控制器的控制下，通過變換各開關(guān)管的通斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)能量的交互轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)交流系統(tǒng)和電池組之間的功率交換； 濾波器L1，C，L2主要濾除并入電網(wǎng)的高次諧波電流，減少對電網(wǎng)的諧波污染[6]。

4.1 PCS 變流器的數(shù)學(xué)模型

4 象限運(yùn)行變流器交流側(cè)電壓、 電流關(guān)系方程如下：

式中：Vd，Vq分別為4 象限運(yùn)行變流器交流輸出電壓的d 軸和q 軸分量。

為了消除d，q 軸之間電流耦合和交流系統(tǒng)電壓擾動，采用前饋解耦控制將式（6）改寫為

其中

式中：Vd′，Vq′分別為與id，iq具有一階微分關(guān)系的電壓分量。

這個解耦項(xiàng)采用下式的比例積分環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)：

式中：idref，iqref分別為變流器有功電流id和無功電流iq的參考值。

由式（7）可知，通過引入d，q 軸電壓耦合補(bǔ)償項(xiàng)Δud，Δuq，可以使?fàn)顟B(tài)方程解耦，同時通過對電網(wǎng)擾動電壓Esd，Esq采取前饋補(bǔ)償，不僅實(shí)現(xiàn)了d，q 軸電流的獨(dú)立解耦控制，還提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

根據(jù)式（7）～式（9）得到內(nèi)環(huán)電流的前饋解耦控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 前饋解耦控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of feed-forward decoupling control

此外，4 象限運(yùn)行變流器輸出的有功功率、無功功率的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

則PCS 變流器的定功率控制結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 定功率控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of PQ control

4.2 PCS 變流器的定功率控制仿真

按照本節(jié)前面所述的PCS 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)和基于前饋解耦的定功率控制策略，在PSCAD中搭建相應(yīng)的仿真模型，其中線電壓為380 V/50 Hz，交流側(cè)濾波器L1=2.8 mH，C=20 μF，L2=1.6 mH，直流側(cè)平波電容Cbus=4 700 μF，給定直流電壓Udc=750 V，采用SVPWM 調(diào)制方式，開關(guān)頻率為10 kHz。 具體仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 PCS 變流器功率躍變輸出波形Fig.7 Power output waveforms of PCS

1）在0.5 s 時刻之前，PCS 變流器從電網(wǎng)吸收無功功率，而0.5 s 時刻之后立刻轉(zhuǎn)為向電網(wǎng)輸送無功功率；即在PCS 輸送或者吸收有功功率的同時可以根據(jù)自身的要求輸送或者吸收無功功率，實(shí)現(xiàn)PCS 變流器的4 象限運(yùn)行。

2）在0.5 s 時刻功率指令階躍變化前后，不論是充電工況，還是放電工況，通過變流器兩側(cè)交換的有功、 無功功率都能夠穩(wěn)定在所設(shè)定的Pref，Qref，且波動較小，并且有功功率和無功功率的響應(yīng)時間均為100 ms 左右。

綜合以上仿真結(jié)果分析可知，基于前饋解耦控制策略的定功率控制方法可以實(shí)現(xiàn)PCS 變流器有功功率和無功功率解耦的快速平穩(wěn)控制。

5 柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真

根據(jù)前面儲能系統(tǒng)仿真驗(yàn)證可知，PCS 變流器在接收到外部下達(dá)的功率指令之后，通過有效的控制策略會做出快速響應(yīng)，從而輸出期望的有功功率和無功功率。 因此，我們可以搭建圖8所示的柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其中風(fēng)電場的功率輸出隨自然風(fēng)速而波動，電池儲能系統(tǒng)連接在風(fēng)電場的并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)處，對風(fēng)電場的輸出功率進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到平滑風(fēng)電場輸出功率的目標(biāo)。

圖8 柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真Fig.8 Flexible wind power generation system simulation

在本文構(gòu)建的柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，其功率關(guān)系如下式所示：

式中：Pgrid為柔性風(fēng)電系統(tǒng)注入電網(wǎng)的有功功率；Pwind為整個風(fēng)電場輸出的有功功率；Pbess為儲能系統(tǒng)吸收或釋放的功率（釋放為正）。

這樣通過式（5）所得的功率指令Pbess_ref下發(fā)給儲能系統(tǒng)，即可產(chǎn)生相應(yīng)的功率輸出Pbess，然后跟風(fēng)電場的輸出功率Pwind相疊加，從而獲得相對穩(wěn)定的Pgrid。

根據(jù)前面所述的基本濾波算法，應(yīng)用到風(fēng)電儲能系統(tǒng)的控制策略中，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的平滑輸出，通過改變?yōu)V波時間常數(shù)的大小，可以取得不同的平滑效果。

鑒于仿真計(jì)算量的規(guī)模限制，本文根據(jù)某風(fēng)場實(shí)際的風(fēng)電功率數(shù)據(jù)，截取了其中比較典型的120 s 時間段數(shù)據(jù)，采樣頻率為每秒鐘記錄一次功率數(shù)據(jù)，圖9、圖10分別顯示了風(fēng)電功率波動情況在不同濾波時間常數(shù)下的平滑控制效果。 顯然，濾波時間常數(shù)較小如τ=1.69 s 時，儲能系統(tǒng)主要補(bǔ)償較高頻段的波動成分，局部平滑效果不錯； 如果濾波時間常數(shù)選取較大值，如τ=16.9 s時，儲能系統(tǒng)所補(bǔ)償?shù)念l率分量范圍較大，風(fēng)電輸出功率的整體抑制效果明顯。 同時也可以看到：濾波時間常數(shù)較小時，儲能系統(tǒng)的輸出功率幅值也相對較?。欢鵀V波時間常數(shù)較大時，儲能系統(tǒng)的輸出功率幅值也相對較大，即濾波器時間常數(shù)越大濾波效果越好，但所需的儲能裝置的容量也越大，也就是發(fā)電成本越大。

圖9 濾波時間常數(shù)τ=1.69 s 時風(fēng)電平滑效果Fig.9 Wind power smoothing waveforms with τ=1.69 s

圖10 濾波時間常數(shù)τ=16.9 s 時風(fēng)電平滑效果Fig.10 Wind power smoothing waveforms with τ=16.9 s

6 結(jié)論

本文針對風(fēng)電功率波動性問題，提出配置集中式儲能系統(tǒng)構(gòu)建柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在分析風(fēng)電功率波動特性的基礎(chǔ)上，提出了基于低通濾波原理的風(fēng)電平滑控制策略。在建立PCS 變流器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了基于前饋解耦控制策略的4 象限運(yùn)行變流器的有功、 無功功率控制方法，并通過仿真驗(yàn)證其有效性；最后搭建了柔性風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對某時段內(nèi)典型的風(fēng)電功率波動進(jìn)行平滑控制仿真，驗(yàn)證了其控制策略的有效性。

[1] Bialasiewicz J T，Muljadi E.The Wind Farm Aggregation Impact on Power Quality[C]∥Proceedings of the 32nd Annual Conference of IEEE Industry Electronic Society.Paris，2006：4195－4200.

[2] 孫元章，林今，李國杰，等.采用變速恒頻機(jī)組的風(fēng)電場并網(wǎng)問題研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（3）：75－80.

[3] 王育飛，符楊.風(fēng)力發(fā)電儲能系統(tǒng)特性分析與實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2010，31（11）：1510－1514.

[4] 宇航.利用儲能系統(tǒng)平抑風(fēng)電功率波動的仿真研究[D].吉林：東北電力大學(xué)，2010.

[5] LUO Changling，Ooi B T.Strategies to Smooth Wind Power Fluctuations of Wind Turbine Generator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22（2）：708-716.

[6] 汪萬偉，尹華杰，管霖.雙閉環(huán)矢量控制的電壓型PWM整流器參數(shù)整定[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（2）：67－72.