計及風(fēng)儲拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)頻和平波抑動研究

陳長青，李欣然，黃際元

（1.湖南大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015）

隨著國家相關(guān)節(jié)能減排政策的出臺，風(fēng)電作為清潔能源被大規(guī)模并入電網(wǎng)。然而，風(fēng)電出力的隨機性[1]將引起電網(wǎng)頻率惡化等問題[2-3]。風(fēng)電并網(wǎng)給電網(wǎng)運行帶來機遇的同時，也帶來了挑戰(zhàn)[4]。

近年來，由于性能穩(wěn)定、響應(yīng)快等特點[5]，儲能（energy storage，ES）被廣泛應(yīng)用于平抑新能源出力波動[6]、輔助風(fēng)電機組（wind turbines，WTs）參與調(diào)頻[7]。因此，利用風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制來改善電網(wǎng)運行特性已成為眾多學(xué)者的研究重點。

調(diào)頻方面：文獻[8]通過對比多種不同ES 電池參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的經(jīng)濟性，驗證了ES 參與調(diào)頻的經(jīng)濟可行性；文獻[9]考慮儲能荷電水平（storage of charged，SOC）與充放電功率的關(guān)系，提出變下垂系數(shù)自適應(yīng)控制方法，有效提升了ES 容量維持效果；文獻[10]提出了一種虛擬負慣性控制策略，通過頻率偏差臨界值區(qū)分不同情況的調(diào)頻需求，選擇對應(yīng)的控制策略；文獻[11]采用日歷壽命模型對ES 評估使用年限，以全壽命周期內(nèi)凈現(xiàn)值最大為目標(biāo)，優(yōu)化ES 容量與調(diào)頻控制參數(shù)，進而實現(xiàn)ES 調(diào)頻控制。

平波抑動方面：文獻[12]采用模糊控制理論，將超出目標(biāo)值的功率偏差在蓄電池和超級電容之間進行分配，有效平抑了波動；文獻[13]在風(fēng)電預(yù)測基礎(chǔ)上，提出了一種電池ES 超前控制策略，可提高風(fēng)電平抑的可靠性；文獻[14]提出了一種基于風(fēng)電功率超短期預(yù)測和混合ES 系統(tǒng)實現(xiàn)平抑功率在電池和超級電容器之間有效分配的方法，有效抑制了風(fēng)電功率波動。

由上述研究可知，ES 能有效提升電網(wǎng)穩(wěn)定運行能力，但目前對其研究主要是將風(fēng)儲系統(tǒng)作為整體，而對風(fēng)儲系統(tǒng)中ES 安裝位置對其綜合應(yīng)用的影響研究尚顯不足。為此，本文通過對目前3 種典型風(fēng)儲結(jié)構(gòu)模型進行分析，在計及風(fēng)機直流側(cè)電容容量對調(diào)頻和平抑風(fēng)電波動影響的基礎(chǔ)上，提出ES參與調(diào)頻和平波抑動的風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略和性能評估指標(biāo)。最后，通過仿真實例表明：在計及風(fēng)機直流側(cè)電容容量影響下，安裝在風(fēng)機直流側(cè)更有利于提升ES 的綜合應(yīng)用能力。

1 典型風(fēng)儲結(jié)構(gòu)特點

目前，典型風(fēng)儲拓撲結(jié)構(gòu)主要有ES 安裝在風(fēng)機直流側(cè)（拓撲結(jié)構(gòu)1）、風(fēng)機輸出母線處（拓撲結(jié)構(gòu)2）和風(fēng)電場并網(wǎng)出口母線處（拓撲結(jié)構(gòu)3）3種[15]。

1.1 ES 安裝在風(fēng)機直流側(cè)

拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示，RSC 和GSC 分別表示轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器。ES 裝置經(jīng)雙向DC/DC 變流器與風(fēng)機直流側(cè)母線電容相連接，其充放電功率通過網(wǎng)側(cè)變流器直接流向負荷側(cè)。ES 與風(fēng)機直流側(cè)電容并聯(lián)，具有擴大電容的效果，可將風(fēng)機和ES 視為一個整體。其缺點是ES 輸出功率受網(wǎng)側(cè)變流器容量限制，控制復(fù)雜，不能獨立控制ES 裝置，同時需對風(fēng)機結(jié)構(gòu)進行改造。

圖1 ES 安裝在風(fēng)機直流側(cè)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the wind power storage system when the ES is installed at DC side of the wind turbine

1.2 ES 安裝在風(fēng)機輸出母線

拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。單臺風(fēng)機和ES 并聯(lián)安裝在輸出母線上，可獨立控制，ES 運行不受風(fēng)機影響，提高了ES 運行能力和可控性。也可將風(fēng)機母線部分作為一個整體，對外控制。其缺點是該處ES不具備擴充風(fēng)機直流側(cè)電容功能，對直流側(cè)電壓和風(fēng)速平抑功能減弱，同時安裝控制成本較高。

圖2 ES 安裝在風(fēng)機輸出母線處拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the wind power storage system when the ES is installed at the wind turbine output bus

1.3 ES 安裝在風(fēng)電場并網(wǎng)出口母線處

拓撲結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 ES 安裝在風(fēng)電場并網(wǎng)出口母線處拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3 Topology of the wind power storage system when ES is installed at the grid-connected outlet bus of the wind farm

以風(fēng)電場為單位，與ES 并聯(lián)安裝在并網(wǎng)母線上，獨立控制。該結(jié)構(gòu)提高了ES 控制和獨立運行能力，對外亦可將風(fēng)電場和ES 視為一個整體。其缺點是：該處ES 不具備擴充風(fēng)機直流側(cè)電容功能；同時，以風(fēng)電場為單位配置容量，降低了單臺風(fēng)機的抗擾性；ES 裝置作為一個整體，需同時投入或退出，影響ES 使用壽命，增加了控制成本。

2 風(fēng)機直流側(cè)電容應(yīng)用模型

2.1 調(diào)頻能力模型

WTs 主要通過釋放/吸收轉(zhuǎn)子動能來提供慣性響應(yīng)。但由于直流側(cè)電容可存儲能量遠小于風(fēng)機轉(zhuǎn)動慣量，且直流側(cè)電容在達到其運行電壓偏移限制（±0.1 pu）后會失去調(diào)頻能力，同時其可變?nèi)萘枯^小，其控制不影響最大功率點跟蹤控制[16-17]。其直流電壓動態(tài)表達式為：

式中：Pgsc為發(fā)電機側(cè)轉(zhuǎn)換器注入功率；Pgsi為電網(wǎng)側(cè)逆變器輸出功率；Cdc為電容，pu；Udc為直流環(huán)節(jié)電壓，pu；C為直流母線電容器的電容；UdcB為直流環(huán)節(jié)電壓基準值；SB為額定容量基準值。

直流側(cè)ES 存儲/釋放能量可由式(1)積分得到：

式中：Udc0和Udc1分別表示前一時刻和當(dāng)前時刻直流電壓。將Udc1用電壓偏差ΔUdc表示，則將Udc1=Udc0+ΔUdc，代入式(4)可得：

由于直流電壓允許偏差較小，電壓偏差二次項ΔU2dc可以忽略。整理可得直流電壓基準Udc1為：

由式(7)可知：直流電容調(diào)頻能力與其可釋放/存儲能量有關(guān)。因此，拓撲結(jié)構(gòu)2 和3 中，由于ES 安裝在WTs 外面，不能提供WTs 直流側(cè)擴容作用。而拓撲結(jié)構(gòu)1 可有效增大直流側(cè)存儲能量，增強其持續(xù)參與調(diào)頻的能力。

2.2 平波抑動能力模型

直流側(cè)電容平抑能力取決于電容釋放/存儲能量，考慮到直流側(cè)電容可用能量，t時刻直流側(cè)電容平抑波動能力與直流側(cè)電壓平方成正比[17]，可表示為：

式中：ΔPCmax為直流側(cè)ES 提供的最大有功功率；Udc(t)為t時刻電壓；ΔP為平滑命令與實際輸出功率的偏差；Udcmax和Udcmin為最大和最小電壓。

由風(fēng)儲拓撲結(jié)構(gòu)可知：拓撲結(jié)構(gòu)2 和拓撲結(jié)構(gòu)3 只能依靠第2 種方式平抑輸出功率，但拓撲結(jié)構(gòu)1 中的ES 能有效增大WTs 內(nèi)部平抑風(fēng)速波動能力，增大輸出功率，進而增大風(fēng)電上網(wǎng)量。

3 ES 應(yīng)用控制策略及評估指標(biāo)

3.1 調(diào)頻控制策略及評估指標(biāo)

3.1.1 風(fēng)儲調(diào)頻協(xié)調(diào)控制策略

風(fēng)機調(diào)頻與風(fēng)速有關(guān)，將風(fēng)速分成3 個區(qū)間：低風(fēng)速區(qū)（<11.7 m/s）、中風(fēng)速區(qū)（11.7～13.0 m/s）和高風(fēng)速區(qū)（>13.0 m/s）[18]。在低風(fēng)速區(qū)，為防止風(fēng)機發(fā)生脫機故障，不參與調(diào)頻；在中風(fēng)速區(qū)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提供系統(tǒng)慣量響應(yīng)；在高風(fēng)速區(qū)，由于轉(zhuǎn)子處于額定轉(zhuǎn)速，不宜支撐慣性響應(yīng)，但可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩角提供頻率恢復(fù)階段功率[19]?；诖耍疚母鶕?jù)風(fēng)機所處風(fēng)速區(qū)，提出一種風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略，實現(xiàn)思路如圖4 所示，圖中SSOC,min為SOC最小值，fmin為頻率死區(qū)值。具體實現(xiàn)過程如下。

圖4 風(fēng)儲協(xié)調(diào)控制策略Fig.4 The coordinated control strategy of wind power storage system

1）當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)頻率偏差Δf大于死區(qū)范圍時，風(fēng)儲調(diào)頻系統(tǒng)啟動。

2）慣量響應(yīng)階段：當(dāng)監(jiān)測到風(fēng)速為低、高風(fēng)速時，風(fēng)機保持原有工作狀態(tài)，風(fēng)儲系統(tǒng)慣量由ES 承擔(dān)（荷電狀態(tài)滿足要求）。若處于中風(fēng)速時，則由WTs 承擔(dān)風(fēng)儲系統(tǒng)慣量，ES 狀態(tài)不變。

3）轉(zhuǎn)速恢復(fù)階段：當(dāng)監(jiān)測到風(fēng)速為低風(fēng)速時，由于風(fēng)機保持原有工作狀態(tài)，無需進行轉(zhuǎn)速恢復(fù)。中風(fēng)速下，在ES 荷電狀態(tài)不低于最小值時，其提供額外有功功率，快速恢復(fù)風(fēng)機的MPPT 運行。

通過風(fēng)機與ES 之間的協(xié)調(diào)頻率控制策略，不僅能維持風(fēng)儲系統(tǒng)在不同風(fēng)速下的慣量響應(yīng)能力，而且可避免頻率二次跌落問題。其頻率控制過程如圖5 所示。高、低風(fēng)速下，選擇開關(guān)2 和3；中風(fēng)速下，選擇開關(guān)1 和4。

圖5 風(fēng)儲系統(tǒng)調(diào)頻控制框圖Fig.5 Frequency modulation control block diagram of the wind power storage system

3.1.2 調(diào)頻評估指標(biāo)

為衡量調(diào)頻效果，需要定義評價指標(biāo)對其進行量化。針對階躍負荷擾動，定義最大頻率偏差與穩(wěn)態(tài)頻率偏差分別為[20]：

式中：Δfmax與f0分別代表最大頻率偏差與基準頻率50 Hz，Hz，其值越小說明調(diào)頻效果越好。

式中：Δfsta為穩(wěn)態(tài)頻率偏差，Hz；fsta為穩(wěn)態(tài)頻率。Δfsta越小說明調(diào)頻效果越好。

針對連續(xù)擾動，用頻率偏差及SOC 均方根值作為調(diào)頻場景的評價指標(biāo)：

式中：fi與SSOC,,i為i時刻的頻率與SOC，Hz；SSOC,0為初始值，取0.5；Rf與Rsoc代表系統(tǒng)頻率及SOC偏離基準值的程度，偏離值越小說明調(diào)頻效果及SOC 維持效果越好。

3.2 平波抑動控制策略及評估指標(biāo)

3.2.1 平波抑動控制策略

為延長ES 使用壽命和平抑波動能力，對于風(fēng)電波動，只需緩沖結(jié)果滿足國家入網(wǎng)標(biāo)準[21]（有功功率變化率不超過10%裝機容量/min）即可，不必將其平抑成無波動狀態(tài)。

因此，可將儲能設(shè)定為4 種工作狀態(tài)，詳細過程如下：

1）風(fēng)電功率斜坡率小于國家入網(wǎng)標(biāo)準λB，且ES 剩余功率滿足下一時刻平抑能力，ES 進入風(fēng)電輸出穩(wěn)定期控制策略。

式中：Pw(t+Δt)為t+Δt時刻風(fēng)電輸出預(yù)測值，SSOC,max為SOC 最大值，η為ES 充放電效率，取0.9。

2）風(fēng)電功率斜坡率小于λB，但此時ES 剩余功率不滿足下一時刻緩沖要求，ES 動作，提前適當(dāng)充放部分功率。

ES 功率調(diào)整式如下：

式中：Pbess(t+Δt)為調(diào)整后ES 存儲功率；ΔPbess(t)為t時刻調(diào)整功率，正值為充電，負值為放電。

3）當(dāng)風(fēng)電功率斜坡率正向（上坡）大于λB，ES進入放電狀態(tài)。其公式如下：

為使并網(wǎng)風(fēng)電功率滿足當(dāng)前時刻和下一時刻緩沖要求，ES 充電公式如下：

4）當(dāng)風(fēng)電功率斜坡率反向（下坡）大于λB，ES進入放電狀態(tài)。其公式如下：

為使并網(wǎng)風(fēng)電功率滿足當(dāng)前時刻和下一時刻緩沖要求，ES 放電公式如下：

3.2.2 平波抑動評估指標(biāo)

為定量說明平滑效果，定義2 個評估指標(biāo)，且兩者越小表示平滑效果越好。

1）波動越限幅值總和ΔPS在運行周期T內(nèi)，任意相鄰采樣時刻功率波動超過目標(biāo)波動率的差值之和即為波動越限幅值總和ΔPS：

式中：ΔPk為第k次爬坡越限功率。

2）波動越限概率r在運行周期T內(nèi)，越限時間之和占總時間的比例即為波動越限概率r：

4 仿真分析

4.1 調(diào)頻效果分析

在MATLAB/Simulink 中建立含風(fēng)儲系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率特性仿真系統(tǒng)，如圖6 所示。其中，風(fēng)電場由50 臺1.5 MW 的WTs 組成。ES 最大功率為3.25 MW（按風(fēng)電場額定容量5%配置[22]），ES 充放電效率為0.9，SOC 初始值為0.5，上、下限約束為0.2 和0.8。電網(wǎng)慣性時間常數(shù)為1.90 s。假設(shè)在5 s 時，系統(tǒng)負荷驟升48 MW。系統(tǒng)頻率曲線如圖7 所示，WTs 直流側(cè)電壓變化曲線如圖8 所示。調(diào)頻效果見表1。

表1 調(diào)頻效果Tab.1 The frequency modulation effect

圖6 仿真系統(tǒng)模型Fig.6 The simulation system model

圖7 調(diào)頻曲線Fig.7 The frequency modulation curves

圖8 直流側(cè)電壓曲線Fig.8 The DC-link voltage curves

由圖7 和圖8 可知：在拓撲結(jié)構(gòu)2、3 中，由于ES 不參與直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)，WTs 直流側(cè)經(jīng)短暫放電后其電壓運行區(qū)間在邊界0.9 pu 處，從而失去繼續(xù)參與抑制頻率向下偏移的能力，造成WTs 慣量調(diào)節(jié)能力受限，頻率最大偏差值增大。對應(yīng)圖7 中頻率曲線。相比之下，拓撲結(jié)構(gòu)1 中ES 參與直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)，將增大其充放電能力，使其在大擾動后能繼續(xù)參與調(diào)頻，增大慣量響應(yīng)能力，有效提升頻率偏移最值。

由表1 可知：相比無調(diào)頻控制，3 種拓撲結(jié)構(gòu)的風(fēng)儲系統(tǒng)參與調(diào)頻均能有效改善系統(tǒng)頻率；但相比拓撲結(jié)構(gòu)2 和3，拓撲結(jié)構(gòu)1 改善效果更加明顯，改善效果達8.487%。

綜上，目前3 種典型風(fēng)儲拓撲結(jié)構(gòu)中，考慮到WTs 直流側(cè)電容容量對調(diào)頻的限制，拓撲結(jié)構(gòu)1 調(diào)頻效果最優(yōu)，能有效改善風(fēng)儲調(diào)頻性能。

4.2 平波抑動效果分析

取λB=2.4 MW/min。原始風(fēng)電及風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率波動如圖9 所示，平滑效果見表2。

圖9 原始風(fēng)電及不同風(fēng)儲結(jié)構(gòu)輸出功率Fig.9 The original wind power output curve and that of the wind power system with different wind storage structures

表2 風(fēng)電功率波動平抑效果Tab.2 Smoothing effect of wind power fluctuation

由圖9 可知：原始風(fēng)電波動較大，最大波動達5.4 MW；當(dāng)ES 參與風(fēng)電平抑后，越限概率明顯降低，其中拓撲結(jié)構(gòu)1 改善效果最明顯，最大波動值降到2.5 MW，降低了53.72%。這主要是因為WTs側(cè)直流電容容量直接影響風(fēng)電平抑輸出功率。在拓撲結(jié)構(gòu)1 中，由于直流側(cè)電容容量增大，平抑能力增強，平抑效果優(yōu)于其他2 種拓撲結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

1）在調(diào)頻場景中，由于WTs 轉(zhuǎn)子慣量輸出受直流側(cè)電容容量限制，因此，在相同背景下，拓撲結(jié)構(gòu)1 具有更好的調(diào)頻效果；

2）在平波抑動場景中，相比拓撲結(jié)構(gòu)2 和3，拓撲結(jié)構(gòu)1 中的ES 可以從內(nèi)部增大WTs 平抑能力，提高風(fēng)儲系統(tǒng)平波抑動能力。