基于混合儲能的風(fēng)電場一次調(diào)頻控制

孫鵬，蔡勇，萬黎，舒欣，吉小鵬，黃磊（.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北武漢　40077；.南京四方億能電力自動化有限公司，江蘇南京　；.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京　00）

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基于混合儲能的風(fēng)電場一次調(diào)頻控制

孫鵬1，蔡勇1，萬黎1，舒欣1，吉小鵬2，黃磊3
（1.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北武漢430077；2.南京四方億能電力自動化有限公司，江蘇南京211111；3.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100）

摘要：基于機組側(cè)的混合儲能裝置，提出了風(fēng)電機組參與電力系統(tǒng)一次調(diào)頻的方法。針對DFIG風(fēng)電機組，研究了網(wǎng)側(cè)換流器的附加功率控制方法，并設(shè)計了混合儲能系統(tǒng)的控制器，可實現(xiàn)混合儲能系統(tǒng)對風(fēng)功率波動的平衡及提供一次調(diào)頻的功率。針對電網(wǎng)頻率變化進(jìn)行了仿真分析，驗證了該控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：混合儲能；DFIG；風(fēng)電場；一次調(diào)頻

Project Supported by the National Nature Science Foundation （51377046）；the National Basic Research Programof China（973program）（2013CB228204）.

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)電已大規(guī)模并網(wǎng)運行[1-2]。大量風(fēng)電電源接入電網(wǎng)，將增加電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)的難度，主要表現(xiàn)在2個方面：首先，由于風(fēng)電場輸出功率具有一定的波動性，當(dāng)接入的風(fēng)電場容量達(dá)到一定比例后，風(fēng)電場的功率波動將會給電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定帶來不利影響[3]。若風(fēng)功率波動較大致使電網(wǎng)頻率產(chǎn)生較大波動，雖然此時電力系統(tǒng)可以通過（automatic generation contorl，AGC）調(diào)用機組備用實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，然而，這種調(diào)頻方式將要求系統(tǒng)有更多的備用容量，即一部分用來常規(guī)調(diào)頻，另一部分用來平衡風(fēng)功率波動造成的頻率變化，這顯然是不利的。其次，對于目前流行的DFIG風(fēng)電機組，其轉(zhuǎn)子通過換流器與電網(wǎng)連接，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)頻率之間沒有耦合，無法給系統(tǒng)提供慣量[4]，從而無法像常規(guī)火電機組一樣，直接參與系統(tǒng)的調(diào)頻。此外，大規(guī)模變速風(fēng)力發(fā)電接入將降低傳統(tǒng)發(fā)電機組的運行比例，從而降低系統(tǒng)的總慣量和頻率控制能力，這也意味著由于功率不平衡所造成的系統(tǒng)頻率偏移將更大。所以，隨著風(fēng)電容量所占系統(tǒng)裝機容量的比例日益增大，必須考慮風(fēng)電在電網(wǎng)中的功率平衡問題，減小電力系統(tǒng)調(diào)頻負(fù)擔(dān)。

儲能作為一種可調(diào)度資源，是解決風(fēng)電波動性和隨機性對系統(tǒng)的影響的一種途徑[5]。目前，有關(guān)風(fēng)電場的儲能技術(shù)研究主要集中在如何采用單一類型的儲能裝置進(jìn)行風(fēng)電場輸出平滑控制，而針對混合儲能的研究還很少。研究表明，超級電容和蓄電池是2種發(fā)展相對成熟的儲能方式。超級電容功率密度高，能量密度低，使用壽命長，充放電時間為數(shù)毫秒到數(shù)十秒，蓄電池正好相反[6-7]。由于自身的缺陷，單一儲能并不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。因此，當(dāng)前的研究提出采用混合儲能替代單一儲能的方式。這樣，既彌補了單一儲能方式帶來的不足，又可大幅度提高儲能系統(tǒng)的功率、能量控制能力。

在風(fēng)電場配置儲能系統(tǒng)，通過風(fēng)電場與儲能系統(tǒng)的相互配合，能有效地平衡風(fēng)電功率波動，使風(fēng)電場注入到電網(wǎng)的功率根據(jù)指令值穩(wěn)定輸出，滿足電力系統(tǒng)的運行要求。由于儲能系統(tǒng)能夠提供短時的調(diào)節(jié)能力，因而將電網(wǎng)頻率信號引入相應(yīng)控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)功率平衡的基礎(chǔ)上，還可以響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，使風(fēng)電機組參與一次調(diào)頻。

本文研究了基于混合儲能系統(tǒng)的風(fēng)電機組附加一次調(diào)頻控制方法。以常見的DIFG機組為例，研究了附加一次調(diào)頻下的機組及混合儲能系統(tǒng)的控制方法，在抑制風(fēng)電場輸出功率波動的前提下，使風(fēng)電場具有類似常規(guī)火電機組或水電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的能力。

1系統(tǒng)配置與系統(tǒng)模型

1.1系統(tǒng)配置

目前，能夠在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的儲能技術(shù)主要包括抽水蓄能、超導(dǎo)儲能、飛輪儲能、超級電容儲能和電池類儲能[8]。相對于單一的儲能，多個儲能裝置相互配合能夠取長補短，將單個儲能的缺點最小化，而把優(yōu)勢最大化。電池儲能技術(shù)具備最高的能量密度，功率密度卻很低。超級電容器儲能技術(shù)具備最高的功率密度，但是能量密度卻也很低，而超導(dǎo)儲能和飛輪儲能不論是功率密度還是能量密度都處于中間水平，沒有任何一種儲能技術(shù)同時具備高的功率和能量密度，單一的儲能系統(tǒng)難以滿足要求。因此，利用2種或多種儲能系統(tǒng)組成混合儲能系統(tǒng)，是滿足風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要求的有效途徑。從理論上分析，超級電容和蓄電池構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的優(yōu)勢互補，同時具有很高的高能量密度和高功率密度、響應(yīng)時間短的優(yōu)點。

在風(fēng)電場中，儲能系統(tǒng)通過雙向DC/DC變換器與風(fēng)電場連接，可以裝設(shè)在3個地點，機組側(cè)的直流母線上、風(fēng)電機組的輸出母線和風(fēng)電場的并網(wǎng)出口母線。混合儲能系統(tǒng)可以集中配置，也可以分布配置。本文采用單臺風(fēng)電機組側(cè)配置混合儲能系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1混合儲能配置Fig. 1 Configuration of the hybrid energy storage system

該方案中，以單臺機組為目標(biāo)，配備儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)的容量要求較低，易于實現(xiàn)，也便于將儲能系統(tǒng)和風(fēng)電機組物理上和電氣上嵌入設(shè)計，便于集成。同時，不必每臺機組都要配置儲能系統(tǒng)，根據(jù)實際情況需要，對有需要的機組配置即可，設(shè)計較為靈活。

1.2系統(tǒng)模型

電力系統(tǒng)調(diào)度中心根據(jù)精度較高的超短期風(fēng)速預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測，實時更新風(fēng)電場出力計劃，每隔一段時間向風(fēng)電場發(fā)送一次實時調(diào)度指令。風(fēng)電場控制層接到指令后再按照風(fēng)電場最大風(fēng)能跟蹤控制發(fā)電原則，下達(dá)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在該時段的出力計劃，從而得到儲能系統(tǒng)在該時段的出力。

圖2中Pwind*為預(yù)測風(fēng)電場輸出風(fēng)功率；Pref為調(diào)度中心下發(fā)的實時調(diào)度指令；SOCref為儲能系統(tǒng)在下一時段末的預(yù)計荷電狀態(tài)；SOC為儲能系統(tǒng)當(dāng)前荷電狀態(tài)，P1，P2，…，Pn為各儲能單元需吸收或釋放的功率；SOC1，SOC2，…，SOCn為各儲能單元的當(dāng)前荷電狀態(tài)；P_1，P_2，…，P_n為當(dāng)儲能裝置剩余容量不足以使各風(fēng)電機組單元按最大風(fēng)能捕獲輸出功率時，場級控制器指定各機組單元輸出的功率。風(fēng)電場場級控制器根據(jù)Pref、Pwind*以及SOC，經(jīng)過計算可得到再經(jīng)過一個時段后的SOCref，場級控制器在將此值回饋給調(diào)度中心的同時，也將其下發(fā)給儲能控制單元，儲能控制單元通過SOC和SOCref可計算出儲能系統(tǒng)的出力Ps，并將Ps分解為各儲能單元的出力P1，P2，…，Pn。

風(fēng)電場中有數(shù)十臺甚至上百臺風(fēng)機，為了便于分析和仿真，將風(fēng)電場中風(fēng)電機組作簡化處理，忽略風(fēng)電機組所在區(qū)域風(fēng)速差異，假定全部風(fēng)電機組處于理想情況下，工作條件完全一致。因而，可以將全部風(fēng)電機機組有功輸出等效為單臺機組有功輸出：

式中：PW為等效后風(fēng)電場輸出有功功率；PWi為單臺風(fēng)機輸出有功功率；i為第i臺風(fēng)電機組，i=1，2，3，…。

同樣，風(fēng)電場內(nèi)同類儲能也可以等效為單個儲能裝置，即：

式中：PSC和PB分別為等效后超級電容和蓄電池輸出有功功率；j為第j臺風(fēng)電機組，j=1，2，3，…。

超級電容有非線性模型和線性模型。一階線性RC模型是最簡單也是工程應(yīng)用最多的等效模型如圖3所示，其由理想電容器C、等效串聯(lián)電阻Res和等效并聯(lián)電阻Rep構(gòu)成。等效串聯(lián)電阻Res為超級電容器的總串聯(lián)內(nèi)阻，值比較小，模擬充放電過程中由電容材料和電解液等引起的能量損耗，等效并聯(lián)電阻Rep值比較大，模擬超級電容器的漏電情況。

本文采用超級電容器的一階線性RC模型，由于本文所研究的混合儲能結(jié)構(gòu)中超級電容器始終處于快速的充放電轉(zhuǎn)換狀態(tài)下，而等效并聯(lián)電阻Rep反映的是超級電容器較長時間內(nèi)的靜態(tài)變化，在本文研究過程中沒有體現(xiàn)。因此，可以忽略，從而等效模型可以進(jìn)一步簡化為只有理想電容器與等效串聯(lián)電阻的串聯(lián)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

實際的理想電容值和等效串聯(lián)電阻的阻值決定于超級電容器端電壓、充電電流以及溫度等因素，但在電容的工作區(qū)域內(nèi)，固定值電容和等效串聯(lián)電阻可以準(zhǔn)確地模擬真實的超級電容，所以本文研究中認(rèn)為二者在工作范圍內(nèi)為定值，保持不變。從而當(dāng)超級電容的端電壓從U1變化到U2時，其釋放或者吸收的能量可用式（1）表示：

由于單體超級電容的電壓較低，在實際應(yīng)用時，為了滿足儲能系統(tǒng)的容量要求，超級電容采取多個電容串并聯(lián)形成超級電容陣列使用，假設(shè)串聯(lián)個數(shù)為ns、并聯(lián)個數(shù)為np，則等效內(nèi)阻Rs和等效電容Cs可以分別表示為：

蓄電池作為儲能元件，在電力系統(tǒng)已經(jīng)有了比較廣泛的應(yīng)用，其等效模型較多，有內(nèi)阻模型，鉛酸原理模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。但究其建模方法，基本上都采用2種方式。一種是用電池通用交流阻抗等效電路及其簡化電路來建立模型；另一種是從充放電過程的損耗角度出發(fā)來建立電池的等效模型。前者，建模過程比較簡單，易于搭建模型，但該方法建立的模型無法反應(yīng)充放電過程中參數(shù)的動態(tài)特性；后者

圖2含儲能風(fēng)電場調(diào)度模型Fig. 2 Dispatching model containing the wind farm with the HESS configured

圖3一階線性RC模型Fig. 3 One order linear RC model

圖4簡化后一階線性RC模型Fig. 4 Simplified one order linear RC model

模型相對精確，但是建模過程比較復(fù)雜。常用的內(nèi)阻模型如圖5所示。

圖5蓄電池內(nèi)阻模型Fig. 5 Resistance model of the battery

內(nèi)阻模型包括一個理想等效直流電壓源E和等效內(nèi)阻R，假定電池可以提供無限的能量，不考慮電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）對蓄電池電動勢的影響。

2系統(tǒng)功率控制

2.1儲能出力及其控制

由于超級電容功率密度大，能量密度低，考慮將超級電容作為功率平滑和提供一次調(diào)頻功率的首要響應(yīng)設(shè)備。超級電容的充放電控制主要是調(diào)節(jié)其電流isc，其控制系統(tǒng)包括功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，吸收（釋放）功率的期望值Psc_ref與電壓實際值Usc相除后得到期望的電流值isc_ref，其與超級電容電流實際值isc比較所得差值經(jīng)過PI環(huán)節(jié)獲得控制信號，驅(qū)動變換器Chopper-SC開關(guān)動作。雙向DC/DC變換器的控制框圖如圖6所示。

圖6超級電容側(cè)變換器控制框圖Fig. 6 Controller block on the super capacitor side

蓄電池作為超級電容的備用儲能，其根據(jù)超級電容的儲能率k進(jìn)行通斷控制，k定義為當(dāng)前存儲能量Esc與最大存儲能量Escmax的比值，即k=Esc×100%。

Escmax具體控制方法如圖7和圖8所示。

超級電容處于充電狀態(tài)時，若k≥90%接通蓄電池，給蓄電池充電，此時K1=K2=1。返回時，k≤85%，斷開蓄電池，蓄電池退出運行，此時K1=0，K2=1。

超級電容處于放電狀態(tài)時，若k≤10%接通蓄電池，蓄電池給超級電容充電，同時提供風(fēng)機所需功率，此時K1=K2=0。返回時，當(dāng)k≥15%，斷開蓄電池，蓄電池退出運行，此時K1=1，K2=0。蓄電池運行狀態(tài)如圖9所示。

圖7蓄電池通斷控制策略Fig. 7 Control strategy of the battery

圖8蓄電池側(cè)變換器控制框圖Fig. 8 Controller block on the battery side

圖9蓄電池運行狀態(tài)示意圖Fig. 9 Diagram of battery operation status

2.2系統(tǒng)有功功率控制

風(fēng)電機組內(nèi)部功率流向和參數(shù)方向如圖10所示（直流變換器未畫出）。其中：Pw為輸入風(fēng)機的功率，其隨風(fēng)速變化波動；PRSC為轉(zhuǎn)子從換流器吸收的功率；PGSC為定子側(cè)換流器功率；Ps為風(fēng)機定子注入電網(wǎng)功率；Pg為整臺風(fēng)機輸出功率，風(fēng)機參與調(diào)頻時，Pg=P′g+ΔPf；ΔPf為參與一次調(diào)頻的功率。

GSC交流側(cè)的有功功率為：

GSC直流側(cè)有功功率為：

根據(jù)能量守恒：

所以有：

圖10混合儲能系統(tǒng)DFIG風(fēng)機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及內(nèi)部功率流向Fig. 10 Topology and power flow of the DFIG unitwith the hybrid energy storage system

可見，對于GSC有功功率PGSC的控制可以轉(zhuǎn)化為對直流側(cè)電流Idc的控制，其控制框圖如圖11所示。

圖11 GSC有功功率控制框圖Fig. 11 Block diagram of control of GSC’s active power

將GSC有功功率轉(zhuǎn)化為對直流側(cè)電流的控制，直流側(cè)電流實際值與參考值比較后得到ΔIdc，加上預(yù)估計量id0，可以得到d軸電流參考值idref。其中，id0為通過穩(wěn)態(tài)逆模型得到的d軸電流預(yù)估量，其可以通過公式（11）計算得到。

下面推導(dǎo)PGSC_ref的計算方法。由圖10可得：

從而可以得到換流器功率參考值的表達(dá)式為：

風(fēng)電機組的能量管理如圖12所示，電網(wǎng)控制根據(jù)發(fā)電計劃給出功率輸出指令，風(fēng)電場場級控制器結(jié)合不同機組實際情況，分配給各個機組。其中，P*ref和Pg_ref分別為風(fēng)電場和單臺風(fēng)機輸出有功功率參考值，ΔPf為單臺風(fēng)機參與一次調(diào)頻所需功率差額，f和fref分別為頻率實際值和參考值，K為調(diào)差系數(shù)。

2.3系統(tǒng)無功功率控制

通過無功功率控制可獲得q軸電流參考值iqref，其控制框圖如圖13所示。其中，QGSC和QGSC_ref分別為換流器的無功功率實際值和參考值。主要考慮有功功率變化，所以設(shè)定QGSC_ref為0。

圖12風(fēng)機有功功率控制框圖Fig. 12 Block diagram of control of unit’s active power

圖13 GSC無功功率控制框圖Fig. 13 Block diagram of control of GSC’s reactive power

3仿真分析

基于Matlab/Simulink仿真平臺，搭建了如圖14所示的仿真模型，驗證了混合儲能及其控制策略的有效性。仿真參數(shù)如下:系統(tǒng)容量PSys.=20 MW；注入系統(tǒng)的功率參考值Pg_ref=20 MW；負(fù)荷參考值PL_ref= 40 MW；蓄電池功率PB=1 MW，容量為100 MW·h；超級電容功率Pc=10 MW，容量為1 MW·h；系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)Ks=30 MW/Hz、Kw=20 MW/Hz。

圖14仿真系統(tǒng)模型Fig. 14 Simulation model of the whole system

如圖15所示，負(fù)荷自50 s開始，由40 MW緩慢增至72 MW。在此情況下，系統(tǒng)頻率在不同儲能配置情況下的變化如圖17和圖19所示。

圖15負(fù)荷增長趨勢圖Fig. 15 Diagram of the gradual augment of the load

圖16風(fēng)電功率變化Fig. 16 Variation of the wind power

圖17無儲能時系統(tǒng)頻率變化Fig. 17 Frequency variation without the HESS

圖18配置混合儲能時風(fēng)電場注入系統(tǒng)的功率Fig. 18 DFIG’s power injected into the system with the HESS configured

圖19機組測配置混合儲能時系統(tǒng)頻率變化Fig. 19 Frequency variation with the HESSconfigured on the unit’s side

由圖15和圖17可以看出，無儲能時，由于不考慮火電廠二次調(diào)頻，系統(tǒng)的頻率隨著負(fù)荷的增長而跌落。圖18是機組側(cè)配置儲能后，風(fēng)電機組注入系統(tǒng)的功率，可以看到，在大約200 s后，風(fēng)電機組注入系統(tǒng)功率呈上升趨勢，這是由于負(fù)荷在增長，系統(tǒng)需要更多的功率支持，混合儲能系統(tǒng)將為系統(tǒng)提供更多的功率；鋸齒狀的變化軌跡是由蓄電池的通斷控制策略造成的，代表著電容器的充放電，同時還可以看到，隨著時間的增加，這種鋸齒狀變化的頻率會增大，這是由于，隨著負(fù)荷的增長，混合儲能系統(tǒng)的功率水平也隨之抬升，致使電容器的充放電周期不斷減小。相應(yīng)的系統(tǒng)頻率變化如圖19所示，可以看到無儲能時系統(tǒng)頻率短時跌到49.6 Hz左右，而配置混合儲能系統(tǒng)后，系統(tǒng)的頻率能夠短時保持在49.9 Hz附近。

4　結(jié)語

本文采用機組側(cè)配置混合儲能的系統(tǒng)作為研究對象，研究了附加一次調(diào)頻下的機組和混合儲能系統(tǒng)的控制方法。在仿真平臺上搭建了簡化仿真模型，仿真結(jié)果表明，本文所采用的控制策略有效，利用超級電容和蓄電池的優(yōu)勢互補，在機組側(cè)配置混合儲能系統(tǒng)，能夠使DFIG風(fēng)機響應(yīng)電網(wǎng)頻率波動，參與電力系統(tǒng)短期頻率控制，具有類似常規(guī)火電機組或水電機組的參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻的能力。然而，由于一方面難以獲得實際系統(tǒng)數(shù)據(jù)，且設(shè)計的仿真系統(tǒng)較簡單；另一方面，本文采用了比較理想化的假設(shè)，即電容功率不受限，電池能量不受限，因此，實際的風(fēng)電場對系統(tǒng)頻率的影響有待進(jìn)一步探討。

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孫鵬（1973—），男，碩士，高級工程師，研究方向電力系統(tǒng)自動化。

（編輯董小兵）

Wind Farms’Primary Frequency Regulation Control Based on the Hybrid Energy Storage System

SUN Peng1，CAI Yong1，WAN Li1，SHU Xin1，JI Xiaopeng2，HUANG Lei3
（1. State Grid Hubei Electric Power Company，Wuhan 430077，Hubei，China；2. Nanjing Sifang E-Power Automation Co.，Ltd.，Nanjing 211111，Jiangsu，China；3. College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，Jiangsu，China）

ABSTRACT：Based on the hybrid energy storage system （HESS）configured of the generator units，a methodology is proposed in this paper for wind farm’s frequency regulation. Focusing on DFIG units，this paper proposes an analysis on the approach to the power control of the grid side converter，and designs a controller of the HESS. The HESS is able to smooth the power of the wind farm and provide power for the primary frequency regulation. Simulations on fluctuations of both wind power and the grid frequency are studied. The effectiveness of the control methods proposed in the paper is verified.

KEY WORDS：hybrid energy storage system；DFIG；wind farm；primary frequency regulation

作者簡介：

收稿日期：2015-09-02。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51377046）；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）（2013CB228204）。

文章編號：1674- 3814（2016）02- 0133- 07

中圖分類號：TM761

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A