用于平抑風(fēng)電波動(dòng)功率的混合儲(chǔ)能靜止同步補(bǔ)償器

尹忠東， 王 超

華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206

用于平抑風(fēng)電波動(dòng)功率的混合儲(chǔ)能靜止同步補(bǔ)償器

尹忠東， 王 超

華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206

針對傳統(tǒng)靜止同步補(bǔ)償器(Static Synchronous Compensator， STATCOM)只能補(bǔ)償無功功率的不足，提出一種新型混合儲(chǔ)能靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/HESS)，通過在直流側(cè)增加混合儲(chǔ)能裝置，可快速補(bǔ)償系統(tǒng)所需要的有功功率和無功功率。相比于有關(guān)學(xué)者之前提出的蓄電池儲(chǔ)能靜止同步補(bǔ)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(diǎn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和運(yùn)行壽命得到極大改善。對STATCOM/HESS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并對其應(yīng)用于風(fēng)電場的協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了分析，在PSCAD/EMTDC中建立了STATCOM/HESS的仿真模型。結(jié)果表明，STATCOM/HESS在穩(wěn)態(tài)情況下能夠有效平抑風(fēng)電場的有功功率波動(dòng)，并能夠根據(jù)需要發(fā)出感性和容性無功功率，優(yōu)化風(fēng)電場的并網(wǎng)運(yùn)行。

混合儲(chǔ)能； 靜止同步補(bǔ)償器； 風(fēng)電場； 波動(dòng)功率平抑； 控制策略

1 課題背景

受風(fēng)力變化的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)較大。近年來，隨著風(fēng)力發(fā)電場的大量建設(shè)，風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動(dòng)給電網(wǎng)運(yùn)行帶來的不利影響日趨嚴(yán)重。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在發(fā)電時(shí)需要從電網(wǎng)中吸收無功功率，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)吸收感性無功功率時(shí)，由于輸電線路中存在電抗，風(fēng)電場與電網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓會(huì)下降。因此，為了獲得更好的控制性能和更高的發(fā)電效率，在風(fēng)電場運(yùn)行過程中進(jìn)行有功功率平抑和無功功率補(bǔ)償是十分必要的。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的論述，風(fēng)電場輸出的波動(dòng)功率可分為以下三類。

(1) 尖峰波動(dòng)功率。主要由風(fēng)速瞬時(shí)大幅度增大或減小引起，輸出功率峰值大，但持續(xù)時(shí)間較短。

(2) 穩(wěn)態(tài)波動(dòng)功率。主要由風(fēng)速持續(xù)增大或減小引起，輸出功率峰值小，但持續(xù)時(shí)間長。

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

采用儲(chǔ)能系統(tǒng)對上述三類波動(dòng)功率進(jìn)行平抑時(shí)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)兼具頻繁往復(fù)性充放電、尖峰功率吞吐、大容量能量吞吐等能力。在儲(chǔ)能特性方面，蓄電池能量密度大，但功率密度小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、循環(huán)壽命短，若單純采用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，為了應(yīng)對短時(shí)功率沖擊，往往要配置較大的儲(chǔ)能容量，導(dǎo)致成本過高，且頻繁充放電也會(huì)縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命。與之相反，超級電容器雖然儲(chǔ)能容量受限，但功率密度大、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長。若能將超級電容和蓄電池結(jié)合在一起，使超級電容承擔(dān)沖擊性和往復(fù)性波動(dòng)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(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用壽命，提高穩(wěn)定性。

近年來，已有不少學(xué)者對結(jié)合蓄電池儲(chǔ)能的靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/BESS)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2-4]的研究表明，STATCOM/BESS能夠快速吸收或發(fā)出有功功率和無功功率，實(shí)現(xiàn)雙向大功率調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[5-7]研究了STATCOM/BESS對風(fēng)電場的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償問題，指出STATCOM/BESS在穩(wěn)態(tài)情況下能夠平抑風(fēng)電場功率的波動(dòng)。上述研究中，儲(chǔ)能部分都只采用了蓄電池儲(chǔ)能，沒有論述混合儲(chǔ)能在靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8-9]對混合儲(chǔ)能如何平抑風(fēng)電場有功功率波動(dòng)進(jìn)行了重點(diǎn)論述，但是對風(fēng)電場的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償問題卻沒有進(jìn)行研究，其無功補(bǔ)償裝置還需額外建設(shè)，項(xiàng)目投資大，維護(hù)成本高。

2 混合儲(chǔ)能靜止同步補(bǔ)償器原理

混合儲(chǔ)能靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM/HESS)由傳統(tǒng)STATCOM和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，混合儲(chǔ)能部分由超級電容和蓄電池組成。系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，變流器選用電壓型橋式電路，通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，超級電容和蓄電池通過DC/DC功率變換器并聯(lián)在直流側(cè)。DC/DC功率變換器能夠通過調(diào)節(jié)占空比來控制儲(chǔ)能設(shè)備的輸出功率，因此，可以對儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行直接控制，靈活配置能量管理系統(tǒng)，優(yōu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)STATCOM主要與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率交換，引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的STATCOM/HESS則不僅可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率，還可以補(bǔ)償有功功率，從而可以提供更加靈活多樣的電能調(diào)節(jié)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(tǒng)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(yùn)行過程中產(chǎn)生的損耗。由圖2可看出，通過對電壓型橋式電路交流側(cè)輸出電壓幅值和相位的調(diào)節(jié)，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(chǔ)能部分的控制

在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中，超級電容用于補(bǔ)償波動(dòng)頻率大且幅值較大的功率分量，蓄電池用于補(bǔ)償波動(dòng)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(shè)置不同的濾波時(shí)間常數(shù)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(wǎng)側(cè)輸出功率的參考值可經(jīng)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(wǎng)側(cè)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(shí)間常數(shù)，PS為分布式電源總輸出，PS經(jīng)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(jīng)過二次低通濾波之后與自身的差值作為并網(wǎng)側(cè)輸出功率參考值Pref。

圖3 二級低通濾波原理圖

在混合儲(chǔ)能側(cè)，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(shí)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(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)策略來控制DC/DC變換器，并對輸出的參考電流進(jìn)行限幅。圖4為超級電容所接DC/DC變換器的控制結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jìn)行比較，再經(jīng)過電流控制器PI，產(chǎn)生占空比信號(hào)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(cè)DC/DC變換器控制結(jié)構(gòu)圖

圖5為蓄電池所接DC/DC變換器的控制結(jié)構(gòu)圖。為穩(wěn)定直流母線電壓及優(yōu)化蓄電池充放電，蓄電池側(cè)的DC/DC變換器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制策略，STATCOM/HESS直流側(cè)電壓Udc與參考電壓Uref比較，兩者誤差經(jīng)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(jìn)行比較后，再經(jīng)過電流控制器PI，產(chǎn)生占空比信號(hào)d控制DC/DC變換器。

圖5 蓄電池側(cè)DC/DC變換器控制結(jié)構(gòu)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(tǒng)的三相電壓和裝置流出的三相電流，對兩者進(jìn)行dq變換，變換矩陣T為：

(1)

可得：

(2)

(3)

STATCOM/HESS并網(wǎng)側(cè)輸出功率計(jì)算公式為：

(4)

若將電網(wǎng)電壓定向于d軸，有：

(5)

式中：Em為電網(wǎng)電壓幅值。

將式(5)代入式(4)，則功率計(jì)算公式可簡化為：

(6)

由式(6)可以看出，在電網(wǎng)電壓確定時(shí)，通過控制Id、Iq，即可實(shí)現(xiàn)對有功、無功功率的獨(dú)立控制。

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

(7)

風(fēng)電場功率電流ISabc經(jīng)過abc-dq變換得到ISq，乘以-1后作為q軸電流參考值，整個(gè)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(jié)構(gòu)圖

4 仿真研究

在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建了STATCOM/HESS模型，以一小型風(fēng)電場為功率平抑對象，其發(fā)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(jīng)STATCOM/HESS平抑后輸送至電網(wǎng)的功率，可以看到，風(fēng)電場輸出的波動(dòng)功率得到了明顯的平抑。

圖7 補(bǔ)償前后流入電網(wǎng)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(bǔ)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(dòng)，符合超級電容響應(yīng)速度快、功率密度大、可充放電次數(shù)多的特點(diǎn)；而蓄電池主要補(bǔ)償?shù)皖l率、低峰值的功率，可防止電池頻繁充放電，有利于保護(hù)蓄電池且發(fā)揮其容量大的優(yōu)勢。圖9是STATCOM/HESS直流側(cè)母線電壓的波形，由于蓄電池采用了電壓外環(huán)的控制策略，所以直流側(cè)母線電壓較為穩(wěn)定。

圖8 混合儲(chǔ)能側(cè)輸出有功功率對比

圖9 STATCOM/HESS直流側(cè)母線電壓

圖10(a)為風(fēng)電場所需的無功功率，隨風(fēng)速的變化而上下波動(dòng)。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(bǔ)償風(fēng)電場所需的無功功率。圖10(c)為風(fēng)電場與電網(wǎng)所交換的無功功率，由圖可見，在STATCOM/HESS的補(bǔ)償下，風(fēng)電場與電網(wǎng)基本不進(jìn)行無功功率的交換。

圖10 STATCOM/HESS對風(fēng)電場所需無功功率的補(bǔ)償情況

5 結(jié)束語

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

點(diǎn)，使整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高能量密度和高功率密度的特點(diǎn)。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(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流解耦控制方法對電壓型橋式電路進(jìn)行控制。仿真結(jié)果與理論分析一致，證明這一新型靜止同步補(bǔ)償器具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。

[1] 于芃，趙瑜，周瑋，等.基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的平抑風(fēng)電波動(dòng)功率方法的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(24)： 35-40.

[2] 薛暢，王建賾，紀(jì)延超，等.結(jié)合蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的STATCOM的電流解耦控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(6)： 43-48.

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

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

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

[6] 沈超.基于提高風(fēng)電場電能質(zhì)量的STATCOM控制方法研究[D].天津： 河北工業(yè)大學(xué)，2014.

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

[8] 陳稿.混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對風(fēng)電功率波動(dòng)的平抑作用研究[D].杭州： 浙江大學(xué)，2014.

[9] 于芃.基于混合儲(chǔ)能的風(fēng)電場實(shí)時(shí)功率調(diào)控系統(tǒng)研究[D].大連： 大連理工大學(xué)，2012.

[10] 夏紅燕.基于混合儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)功率平抑控制研究[D].濟(jì)南： 山東大學(xué)，2014.

[11] 丁明，林根德，陳自年，等.一種適用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，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(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)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(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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?yàn)槿嵝越涣鬏旊娂夹g(shù)、新能源發(fā)電等， E-mail： yzd@ncepu.edu.cn

TM614;TK83

A

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