超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)平滑功率輸出的研究

，

(1.新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830001；2.新疆風(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830063)

0 引 言

開(kāi)發(fā)利用新能源和可再生能源是解決中國(guó)能源和環(huán)境問(wèn)題的重要措施之一，風(fēng)電是可再生能源的重要組成部分。風(fēng)力發(fā)電作為目前世界上可再生能源開(kāi)發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，由于其在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電問(wèn)題等方面的突出作用，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視并得到了廣泛的開(kāi)發(fā)和利用[1]。目前，在中國(guó)越來(lái)越多的大中型風(fēng)電場(chǎng)相繼建成并投入運(yùn)行。截止2012年年底，全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)總量達(dá)到60 830 MW，發(fā)電量達(dá)到100 400 GWh，風(fēng)電已超過(guò)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(fēng)資源不穩(wěn)定的特點(diǎn)，風(fēng)電功率的波動(dòng)性和間歇性會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響。另外，眾多大型風(fēng)電場(chǎng)多位于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，需通過(guò)一定的措施改善風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行性能。為了更加充分地利用可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源，提高風(fēng)力發(fā)電的比例，除了合理地進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)外，有必要探討改善風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行性能的有效措施，降低風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能(super conducting magnetic energy storage，SMES)具備快速的功率吞吐和靈活的四象限調(diào)節(jié)能力，在維持電網(wǎng)穩(wěn)定、提高輸電能力和改善電能質(zhì)量方面發(fā)揮了極其重要的作用。將超導(dǎo)磁儲(chǔ)能用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是一種理想的提高風(fēng)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和解決系統(tǒng)穩(wěn)定性的手段。

下面建立了風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)和SMES數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真，研究SMES對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的改善，對(duì)實(shí)例系統(tǒng)的仿真研究表明，SMES在改善風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定性方面具有優(yōu)良的性能。

1 風(fēng)電機(jī)組的模型

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性，風(fēng)電機(jī)組數(shù)學(xué)模型主要環(huán)節(jié)包括：風(fēng)能的吸收和轉(zhuǎn)換裝置——風(fēng)機(jī)；起連接作用的中間環(huán)節(jié)——輪轂、齒輪箱、連軸器；機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換裝置——發(fā)電機(jī)，如圖1所示，圖中E為異步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢(shì)，ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速[1]。

圖1 簡(jiǎn)化風(fēng)電機(jī)組模型框圖

各部分?jǐn)?shù)學(xué)模型如下。

(1)風(fēng)輪機(jī)模型

(1)

其中，Mm為風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；ρ為空氣密度，kg/m3；Vw為作用于風(fēng)輪機(jī)的風(fēng)速，m/s；R為風(fēng)輪機(jī)半徑，m；λ是葉尖速比；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)(即在單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪所吸收的風(fēng)能與通過(guò)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比)；ΩN是風(fēng)輪機(jī)的額定機(jī)械角速度，Rad/s；PN是風(fēng)輪機(jī)額定功率，MW[2]。

(2)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)模型

忽略損耗和傳動(dòng)軸的柔性，傳動(dòng)部分可用一階慣性環(huán)節(jié)模擬為

(2)

式中，MT為輪轂輸出轉(zhuǎn)矩,p.u.；Th為輪轂慣性時(shí)間常數(shù),s[3]。

(3)異步發(fā)電機(jī)組模型

異步發(fā)電機(jī)采用忽略定子繞組暫態(tài)的機(jī)電暫態(tài)模型，如式(3)[2,3]。

(3)

(4)異步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩

發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Me=Re(EI*)

(4)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，在系統(tǒng)仿真分析時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電機(jī)組額定容量之和，pi是第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的額定容量。即

(5)

②注入電網(wǎng)的功率相等。p∑是所有風(fēng)電機(jī)組注入功率之和,pi是第i臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的注入功率,即[5]

(6)

2 SMES數(shù)學(xué)模型和控制策略

2.1 SMES的工作原理

由于超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性，電能可以電磁能的形式無(wú)損耗地存儲(chǔ)于磁體當(dāng)中。當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，超導(dǎo)磁體通過(guò)功率變換電路將磁體電流轉(zhuǎn)換為換流器的直流支撐電壓。圖2所示是一種串聯(lián)電壓型SMES系統(tǒng)原理，主要針對(duì)電壓敏感負(fù)荷，基本功能為對(duì)非正常電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以滿足敏感負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的要求。

超導(dǎo)儲(chǔ)能用換流器與普通逆變電路不同，簡(jiǎn)言之，換流器連接儲(chǔ)能單元與電網(wǎng)，工作環(huán)境復(fù)雜，功率雙向流動(dòng)，對(duì)開(kāi)關(guān)電路要求較高；通用逆變器作為電源設(shè)備，服務(wù)對(duì)象一般為用戶負(fù)載，工作環(huán)境單一。所以，換流器必須具備電壓等級(jí)較高、開(kāi)關(guān)諧波含量少以及結(jié)構(gòu)靈活易于維護(hù)等特點(diǎn)。

圖2 SMES系統(tǒng)原理圖

2.2 SMES的數(shù)學(xué)模型

采用SMES的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示，SMES單元接在風(fēng)力發(fā)電機(jī)母線上，用來(lái)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。以下介紹SMES調(diào)節(jié)原理，并建立SMES模型。

超導(dǎo)儲(chǔ)能單元是柔性交流輸電技術(shù)中的一種，由一個(gè)超導(dǎo)線圈(super conducting coil)、一個(gè)強(qiáng)制換向變換器(forced-commuted converter)、一個(gè)控制

圖3 采用SMES的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

器(controller)組成。強(qiáng)制換向變換器是基于晶閘管的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，可工作于逆變器狀態(tài)和整流器狀態(tài)，使SMES單元在相應(yīng)的狀態(tài)下發(fā)出或吸收有功功率和無(wú)功功率。具有了這種功能的SMES單元可被看作是一個(gè)由有功和無(wú)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(lián)補(bǔ)償裝置，可以等效為一個(gè)可控的電流源，因此它的直流系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的連接環(huán)節(jié)采用電流源型換流橋。為充分發(fā)揮SMES的有功無(wú)功的綜合調(diào)節(jié)能力，采用雙橋結(jié)構(gòu)換流裝置和不等觸發(fā)角的控制方式，分別控制兩個(gè)換流橋的觸發(fā)角來(lái)控制直流電壓的大小以及交流側(cè)電壓與電流的相角差，從而控制超導(dǎo)線圈的充放電以及與系統(tǒng)交換的無(wú)功功率。

圖4 雙橋SMES與交流系統(tǒng)的連接示意圖

忽略變壓器的損耗和換弧電抗，SMES的數(shù)學(xué)模型如式(7)。

(7)

其中，Vd、Id分別為超導(dǎo)線圈上的直流電壓和電流；α1、α2為兩個(gè)換流橋的觸發(fā)角；Vd1、Vd2為兩換流橋直流側(cè)的電壓；Is1、θ1、Is2、θ2分別為兩換流橋交流側(cè)電流的幅值與相角；E1、φ1、E2、φ2為換流橋交流側(cè)電壓的幅值與相角；E、φ、Ip、θ是SMES與系統(tǒng)連接點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓和注入電流的幅值與相角。

2.3 SMES的控制方式

并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)中嚴(yán)重?cái)_動(dòng)主要有系統(tǒng)的短路故障和陣風(fēng)的擾動(dòng)。為更好地模擬這兩種擾動(dòng)形式，需要選擇SMES的安裝地點(diǎn)和控制信號(hào)。風(fēng)電場(chǎng)一般都由大量的分散分布的風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，在每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出口安裝SMES裝置勢(shì)必增加系統(tǒng)的維護(hù)量，降低可靠性和經(jīng)濟(jì)性。因此選擇SMES的安裝地點(diǎn)為風(fēng)電場(chǎng)升壓站的低壓側(cè)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行集中控制和調(diào)節(jié)。

異步發(fā)電機(jī)本身沒(méi)有勵(lì)磁裝置，在輸出有功功率的同時(shí)要從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率。隨著風(fēng)電場(chǎng)出力的增加，異步發(fā)電機(jī)吸收的無(wú)功功率也相應(yīng)增加，機(jī)端電壓隨有功出力的增加而降低，電壓的變化反映了風(fēng)電場(chǎng)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(hào)，對(duì)SMES應(yīng)當(dāng)補(bǔ)償?shù)挠泄β蔬M(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)風(fēng)速變化使風(fēng)電場(chǎng)出力增加時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)端電壓降低(ΔU<0)，為了平滑風(fēng)電場(chǎng)的輸出，應(yīng)控制SMES裝置吸收一定的有功功率，超導(dǎo)線圈充電，反之，應(yīng)控制超導(dǎo)線圈放電，這與網(wǎng)絡(luò)短路故障時(shí)提高穩(wěn)定性防止風(fēng)輪機(jī)失速的控制規(guī)律是一致的。由此可見(jiàn)，通過(guò)采用電壓偏差作為SMES有功控制器的控制信號(hào)，能夠充分發(fā)揮SMES有功無(wú)功綜合調(diào)節(jié)的能力，使其既能滿足提高暫態(tài)穩(wěn)定性的要求又能夠在風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)降低風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

附加控制器：將反映超導(dǎo)線圈電流的信號(hào)Δω/ΔP作為負(fù)反饋，送入有功控制器作為輔助控制可以加快超導(dǎo)線圈的電流恢復(fù)過(guò)程。

對(duì)于雙橋系統(tǒng)，SMES與交流系統(tǒng)交換的功率滿足

(8)

(9)

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)的SMES控制器框圖如圖5所示。

圖5 SMES控制器框圖

有功無(wú)功控制器采用帶慣性環(huán)節(jié)的比例控制，其傳遞函數(shù)為

(10)

其中，ΔU是SMES安裝點(diǎn)的電壓偏差量；TQ、Tp是有功和無(wú)功控制器的時(shí)間常數(shù)，SMES吞吐功率的速度為毫秒級(jí)，時(shí)間常數(shù)可選為0.025～0.05 s；KP、KPQ是有功和無(wú)功控制器的放大倍數(shù)，其大小與SMES的最大注入功率、風(fēng)電機(jī)組以及電網(wǎng)的參數(shù)有關(guān)。

當(dāng)風(fēng)速變化使風(fēng)電場(chǎng)出力增加時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)端電壓降低(ΔU<0)，為了平滑風(fēng)電場(chǎng)的輸出，應(yīng)控制SMES裝置吸收一定的有功功率，超導(dǎo)線圈充電，反之，應(yīng)控制超導(dǎo)線圈放電，這與網(wǎng)絡(luò)短路故障時(shí)提高穩(wěn)定性防止風(fēng)輪機(jī)失速的控制規(guī)律是一致的。由此可見(jiàn),通過(guò)采用電壓偏差作為SMES有功控制器的控制信號(hào)，能夠充分發(fā)揮SMES有功無(wú)功綜合調(diào)節(jié)的能力，使其既能滿足提高暫態(tài)穩(wěn)定性的要求，又能夠在風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)降低風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊[6-8]。

3 仿真分析

為了說(shuō)明SMES在穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)電壓和提高風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行性能方面的作用，采用圖5所示的實(shí)例系統(tǒng)接線圖進(jìn)行仿真分析，其中風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為99 MW，由132臺(tái)750 kW風(fēng)機(jī)組成，通過(guò)雙回送電線路接入系統(tǒng)。在風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)(節(jié)點(diǎn)11)接入SMES裝置，分別對(duì)風(fēng)電場(chǎng)在陣風(fēng)干擾下和風(fēng)電場(chǎng)送出線路(節(jié)點(diǎn)9)附近發(fā)生三相短路故障兩種情況下進(jìn)行了仿真計(jì)算，仿真實(shí)例接線示意圖如圖6[9,10]。

圖6 仿真電網(wǎng)接線示意圖

3.1 陣風(fēng)擾動(dòng)下仿真分析

在陣風(fēng)擾動(dòng)下的仿真結(jié)果如圖7所示。可以看出，在陣風(fēng)擾動(dòng)下，SMES有效地降低了有功和電壓振蕩的幅值和持續(xù)時(shí)間。SMES快速的響應(yīng)能力使它在較快的風(fēng)速變化時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出的波動(dòng)有很好抑制作用，平滑風(fēng)電場(chǎng)的輸出，阻尼功率和電壓的振蕩。通過(guò)仿真分析，顯示了SMES在風(fēng)電場(chǎng)小干擾下能夠有效地穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)電壓的優(yōu)良特性。

3.2 故障擾動(dòng)下仿真分析

在風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有任何控制措施的情況下，出口處發(fā)生嚴(yán)重故障的極限切除時(shí)間為80 ms，這對(duì)保護(hù)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(shí)，故障清除后，電壓恢復(fù)過(guò)程較慢，電壓低于0.9 p.u.的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在安裝SMES裝置后，可以將三相短路故障的極限切除時(shí)間提高到145 ms，并且加快了電壓和功率的恢復(fù)過(guò)程，有效地改善了風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性。圖8(c)是切除時(shí)間為120 ms的風(fēng)電場(chǎng)電壓變化曲線，顯然，沒(méi)有SMES裝置時(shí)電壓很快失穩(wěn)，而安裝SMES裝置可以使系統(tǒng)的電壓很快恢復(fù)。

圖7 陣風(fēng)情況下風(fēng)電場(chǎng)的電壓和有功曲線

圖8 短路故障后風(fēng)電場(chǎng)出口電壓和有功變化曲線

以上的分析和仿真結(jié)果表明，通過(guò)采用合適的控制策略，使用超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置不僅可以在網(wǎng)絡(luò)故障后有效地提高風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性，而且能夠在快速的風(fēng)速擾動(dòng)下平滑風(fēng)電場(chǎng)的輸出，降低風(fēng)電波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

4 結(jié) 論

針對(duì)并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響，提出了SMES應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的控制方式，并進(jìn)行了在陣風(fēng)和三相短路故障兩種情況下并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的仿真研究。仿真結(jié)果表明，加裝SMES的并網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，不僅能很好地吸收風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率的波動(dòng)成分，有效平滑注入電網(wǎng)的有功功率，同時(shí)，SMES也起到了抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)的作用。分析表明，通過(guò)合理選擇SMES的控制方式，采用具有較小儲(chǔ)能量的SMES就能夠降低并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)在陣風(fēng)擾動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響，有效提高網(wǎng)絡(luò)故障后風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性。

[1] 吳學(xué)光，張學(xué)成，印永華，等.異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(6)：68-72．

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