超級電容器儲能系統在風電場中的應用研究

劉金龍，李國慶，王振浩，辛業春

(1.哈爾濱第二電業局，黑龍江哈爾濱150076;2.東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

目前風力發電技術已成為一種可大規模商業開發的再生能源發電技術。但風能是一種間歇性能源［1］，風速的隨機波動性導致風電場輸出功率的波動，風電場輸出功率的波動進一步會導致電力系統頻率振蕩。為抑制系統頻率振蕩，電力系統需采取頻率調節、運行調度等一系列措施。此外，風電場的功率波動會影響所在電網的電能質量，引起電壓波動與閃變［2］，如何抑制風電場輸出功率波動是目前風電并網運行中待解決的問題。

目前，抑制風電場輸出功率隨機波動的可行方法是在風電場配置電力儲能系統［3］。但現有的化學儲能系統大都是基于蓄電池充放電的形式，其工作效率偏低，不易實際應用。超級電容器［4～9］，由于其功率密度大［10］、循環壽命長、充放電效率高［11］、高低溫性能好等優點［12］，可有效延長儲能系統的運行時間、提高其經濟性能以及功率輸出能力［13］。

綜上所述，本文采用可大功率快速充放電的超級電容器儲能系統平抑并網風電場輸出功率的短時波動，并進行仿真研究，仿真結果驗證了該方法的有效性和可行性。

1 儲能系統配置方式

目前國內并網風電場的主流機型為變速恒頻風力發電機，部分為永磁直驅風力發電機，考慮到國內并網風電場風電機組大部分為異步電機、雙饋電機、永磁電機，并結合風力發電水平及儲能系統現狀，現有的儲能系統安裝位置有兩種方案，即每臺風電機組單獨配置儲能系統和風電場出口并網母線集中配置儲能系統。

1.1 超級電容儲能系統的安裝位置

圖1是分別為在雙饋感應電機提供低頻交流勵磁的兩個變流器中間直流母線上加入儲能系統和在永磁直驅電機整流逆變的兩個變流器的直流母線上接入儲能系統，對每一臺風電機輸出功率波動進行抑制。

圖2是在風電場輸出母線位置進行集中配置安裝一個單獨的超級電容器儲能系統，對整體并網風電場輸出功率波動進行抑制。

1.2 儲能系統的配置方式分析

從理論研究可知，這兩種安裝方式都可完成抑制并網風電場輸出功率波動。現結合風電場的實際情況就這兩種安裝方式進行分析總結如下:

分散配置:將雙饋機組的網側變流器和永磁電機變流器作為儲能的變流裝置，不需要單獨為儲能系統配置專用的變流器，減少了配置的部分經濟費用，而且分散配置對儲能系統的容量要求也較小。但是分散配置需要改變雙饋風電機組的勵磁控制方式，給實際運行帶來了復雜的技術要求。分散配置的同時也使儲能系統的檢修和維護具有分散性，不便于統一管理。

集中配置:僅需要在風電場輸出或并網母線上加裝儲能系統，不會因為單臺風電機的停運或檢修而退出運行，儲能系統的維護和管理方便，整體可靠性較高。圖3和圖4為黑龍江省大慶地區某風電場單臺和八臺機組型號為Vestas/V60風機一天當中實測輸出功率曲線。從圖中數據可以看出單臺風機輸出功率波動較大，但多臺風機輸出功率總和可使波動削弱。這也是集中配置的優勢所在。

綜合以上分析，本文采用在并網風電場輸出母線上集中安裝超級電容器的配置方式。

2 系統的工作原理與控制策略

2.1 儲能系統的運行原理

圖5為超級電容器儲能系統EDLC Energy Storage System(EESS)經電抗器及變壓器接入并網風電場輸出母線的結構示意圖，儲能系統主要由三部分構成即超級電容器組、雙向直流變換器、電壓源型變流器VSC。直流側電容器為變流器提供電壓支撐并緩沖各個橋臂關斷時的沖擊電流，減小直流側諧波。超級電容器在充放電過程中其端電壓發生變化，加入雙向直流變換器解決超級電容器端電壓波動問題，為直流母線提供平穩電壓，從而使得變流器VSC可工作在持續穩定狀態。

通過對四象限變流器VSC的有功、無功功率解耦控制可以實現對有功功率和無功功率波動進行分別抑制。當風電場輸出有功波動時，采用SPWM控制VSC和雙向直流變換器調節儲能系統快速吸收或輸出有功抑制母線上有功;當風電場輸出無功功率波動導致風電場輸出母線電壓不穩定時，通過控制超級電容器快速充放電吸收或輸出抑制風電場輸出無功功率波動，進而確保輸出母線電壓穩定。

2.2 超級電容器模型

本文采用的超級電容器為雙電層電容器EDLC(Electric Double Layer Capacitor)。由于EDLC內部結構復雜，動態特性很難描述，目前的模型都有局限性，一般根據儲能應用場合的不同選擇有針對性的模型。考慮EDLC充放電時的動態特性［15］，主要表征自放電現象的并聯等效電阻可予以忽略，因此可得超級電容器簡化等效模型如圖6所示。

2.3 儲能系統控制方式

儲能設備的控制系統主要是變流器VSC和雙向直流變換器的控制部分。變流器VSC的控制實際上是對交流側電流的控制，通過控制三相VSC輸入電感上電流的幅值和相位，控制整流器交流側與直流側之間的有功功率和無功功率的交換實現功率的四象限控制。圖5中的功率分配可表示如下:

式中，PE和QE為儲能系統吸收的有功和無功功率，PW和QW為風電場輸出有功和無功功率，PG和QG為注入電網的有功和無功功率。按照并網要求，當電網側要求的PG和QG值給定時，根據風電場實時輸出的PW和QW值可計算出PE和QE作為控制儲能系統充放電的參考值Pref和Qref。

超級電容器儲能系統控制框圖如圖7所示。通過對交流側電流的有功分量和無功分量的解耦控制來實現有功功率與無功功率的分別控制。由圖5可知，雙向直流變換器主要由S1和S2兩個IGBT開關器件組成，當超級電容充電時，通過S1構成的降壓斬波電路完成。當超級電容器放電時，通過S2構成的升壓斬波電路將超級電容器端電壓升至需要的直流母線電壓，并保持在規定的電壓值附近。二極管VD1和VD2用來保護超級電容器防止反向充電。對雙向直流變換器進行電壓外環與電流內環的控制方式，確保直流母線電壓穩定的同時使得超級電容器工作電流穩定。

3 系統仿真研究

本文以某實際風電場(含18臺單機容量為1.5 MW的風電機組)為例在DigSILENT/Power Factory上進行仿真分析。取此風電場某一短時風速作為仿真用風速曲線如圖8所示，根據整定計算，超級電容器參數為容量3000 F，額定電壓2.7 V，串聯等效電阻為0.045 mΩ，330串15并組成超級電容器組。系統仿真結構簡圖如圖9所示。

圖8中的風速下風電場輸出母線有功功率和無功功率曲線如圖10所示，在此風速下風場輸出母線公共連接點PCC處電壓出現如圖11所示波動。從圖10中可以看出，在一分鐘內風電場有功功率的最大變化量大于6 MW，超出了國家電網公司對風電場最大功率變化率推薦值要求的標準［16］。

通過在并風電場輸出母線上裝入超級電容器儲能系統進行快速功率調節后，儲能系統輸出有功和無功功率如圖12和圖13所示，風電場注入系統的有功功率和無功功率變化如圖14所示，一分鐘內有功功率的最大變化量被限制在了3 MW以內，達到了國家電網公司規定的推薦值標準。同時也使得風電場輸出的無功功率波動明顯降低。從圖15中可以看出通過超級電容器快速吞吐風電場輸出功率波動的同時也抑制了輸出母線電壓的波動。

4 結 論

本文針對并網風電輸出功率短時波動引起電力系統頻率振蕩、電壓波動和閃變，采用可大功率快速充放電的超級電容器儲能系統抑制并網風電場輸出功率的短時波動。根據實際風電場和風電機組的運行特點分析并確定了超級電容器儲能系統的具體安裝地點，結合有功功率和無功功率解耦控制策略，抑制風電場輸出有功功率和無功功率的波動，使風電場輸出母線電壓趨于平穩狀態通過。最后通過算例仿真研究表明，超級電容器儲能系統能在短時內快速的抑制并網風電場有功功率和無功功率波動，穩定風電場母線電壓。

［1］楊秀媛，肖洋，陳樹勇.風電場風速和發電功率預測研究［J］.中國電機工程學報，2005，25(11):1-5.

［2］孫濤，王偉勝，戴慧珠，等.風力發電引起的電壓波動和閃變［J］.電網技術，2003，27(12):62-66.

［3］楊素萍，劉中書，趙永亮，等.分散法典中儲能技術的研究［J］.電網技術，2006，30(增1):535-539.

［4］Mary Black，Goran Starbc.Value of bulk energy storage for managing wind power fluctuations［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(1):197 -205.

［5］Chad Abbey，Kai Strunz，Geza Joos.A knowledge-based approach for control of two-level energy storage for wind energy systems［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2009，24(2):539 -547.

［6］Kinjo T，Senjyu T，Urasaki N，et al.Output leveling of renewable energy by electric double-layer capacitor applied for energy storage system［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21(1):221 - 227.

［7］C Abbey，G.Joos.Supercapacitor energy storage for wind energy applications［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2007，43(3):769-776.

［8］Palma L，Enjeti P，Howze J W.An approach to improve battery run-time in mobile applications with supercapacitors［C］.Power Electronics Specialist Conference，2003，2:918 -923.

［9］B C Ummelsl，E Pelgrum，W L Kling.Integration of large scale wind power and use of energy storage in the Netherlands＇Electricity Supply［J］.IET Renew.Power Gener.，2008，2(1):34 -46.

［10］Gao L，Dougal R A，Liu S.Power enhancement of an actively controlled battery/ultracapacitor hybrid［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(1):236 -243.

［11］王云玲，曾杰，張步涵，等.基于超級電容器儲能系統的動態電壓調節器［J］.電網技術，2007，31(8):58-62.

［12］張文亮，丘明，來小康.儲能技術在電力系統中的應用［J］.電網技術，2008，32(7):1-9.

［13］朱武，操瑞發，應彭華，等.超級電容器系統在改善并網風電場輸出中的應用［J］.電網技術，2008，32(增2):256-259.

［14］張慧妍，韋統振，齊智平.超級電容器儲能裝置研究［J］.電網技術，2006，30(8):92-96.

［15］王振浩，張延奇，李國慶，等.基于超級電容器的直流系統混合儲能研究［J］.電網技術，2010，34(4):158-162.

［16］國家電網公司.國家電網公司風電場接入電網技術規定(試行).國家電網發展［2006］779號，2006.