風儲聯合并網發電系統建模與運行控制

李軍徽， 楊嫄嫄， 馮爽， 葛延峰, 金鵬

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110006)

風儲聯合并網發電系統建模與運行控制

李軍徽1， 楊嫄嫄1， 馮爽1， 葛延峰2, 金鵬3

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林132012；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國網遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110006)

針對并網風力發電的隨機波動，在風電場配置規模化電池儲能系統，采用結構簡單且控制性能良好的永磁同步風電機組，構建風儲聯合并網發電系統模型并實現其運行控制。基于最大功率捕獲和有功無功解耦控制設計風力發電機組的控制系統，釆用定周期比控制策略和反饋線性化理論實現電池儲能系統的功率傳輸控制。在PSCAD/EMTDC仿真軟件中搭建了風儲聯合發電系統仿真模型，結果表明，釆用定周期比控制策略和反饋線性化理論設計電池儲能單元可以快速跟蹤參考控制指令，實現對風電功率波動的平抑，進而驗證了所提出風儲聯合并網發電系統模型和控制系統的有效性。

風儲聯合發電；電池儲能；定周期比；反饋線性化；平抑功率波動

0 引 言

與火電等常規電源相比，風電的間歇性、波動性等特點，導致風電接入電網給電力系統的安全運行帶來了很大的挑戰。隨著風電在電源中的比例不斷增大，這種矛盾日益加大，如何改善風電的波動性已經成為風電等新可再生能源并網發電領域研究的熱點[1-2]。目前，一種有效的解決方案就是在風電場引入大規模電池儲能系統，構建風儲聯合并網發電系統，利用先進的儲能技術改善風電的波動特性，使得風儲聯合出力平穩可靠，從而提高風電的并網安全性[3-5]。

已有相關文獻對風儲聯合并網發電系統的建模與運行控制策略進行研究。文獻[6-7]提出了采用電解水制氫和蓄電池組合構成的蓄能獨立式風力發電系統模型，提高了蓄能的可靠性；文獻[8]基于帶混合儲能系統的雙饋電機的風電場，設計了模糊神經PID控制器，對混合儲能裝置的PID參數進行在線優化，仿真驗證了該控制策略能實現平抑風電波動；文獻[9]利用混合儲能基于移動平均算法對風光波動進行平抑，文獻[10]通過對區域電網負荷與風電出力數據的統計、分析，提出了協調兩者的儲能系統平滑風電場出力策略，并給出了數學模型；文獻[11-12]基于雙饋風電機組、光伏發電和儲能的單元級機電暫態模型，利用組合建模法得到風光儲聯合發電系統機電暫態模型，仿真結果對模型進行驗證；文獻[13]考慮棄風和儲能控制手段,以風儲聯合運行的效益最大化為目標,提出了抑制風電爬坡率的風儲聯合優化控制策略。文獻[14]提出一種新型風力發電機與FPC的聯合系統，實現有功和無功的優化控制，有效提高機組并網運行特性。文獻[15]建立了不同類型電池儲能電站的綜合兼容性模型，考慮電池的不同特性和經濟指標，從規劃角度給出應用場景，并未對接入風電后的儲能模型與特性進行研究。文獻[16]結合飛輪工作特性，為實現直流母線電壓恒定，分別在充放電過程提出了一種改進負荷控制策略和一種綜合優化弱磁控制策略，并通過仿真實驗和工程試驗得到驗證。

本文構建了風儲聯合并網發電系統模型并實現其運行控制，基于最大功率捕獲和有功無功解耦控制設計風力發電機組的控制系統，釆用定周期比控制策略和反饋線性化理論實現儲能系統的功率傳輸控制。最后基于PSCAD/EMTDC電磁暫態軟件搭建了風儲聯合并網發電系統仿真平臺，以平抑風電功率的波動為目標設計風速突變與隨機風速下的典型算例，驗證了模型和控制系統的正確性和有效性。

1 風儲聯合發電系統模型與控制

1.1 風力發電模型與控制系統

直驅永磁風力發電機具有轉速可調、效率高、控制靈活等特點[17-18]，因此，基于永磁風力發電機構建風力發電系統。直驅永磁風力發電系統結構圖如圖1，主要包括風力機，發電機和背靠背變流器等。

圖1 永磁風力發電機組結構Fig.1 Structure of permanent magnet wind turbine

風力機從空氣中捕獲的風能由下式可確定[19]

(1)

其中

(2)

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；R為風力機葉片半徑，m；vw為風速，m/s；Cp為風能利用系數；β為葉片的槳距角；λ為風力機葉尖速比；ω為風力機的轉速，rad/s。

同步旋轉坐標系下永磁同步發電機的電壓方程[20]：

(3)

磁鏈方程：

(4)

式中：Usd、Usq為定子電壓空間矢量的d、q軸分量，isd、isq為定子電流空間矢量的d、q軸分量，Rs為定子電阻，ωr為轉子旋轉的電角速度，Ld，Lq為定子d、q軸等值繞組自感；ψf為轉子永磁體產生的磁鏈。

同步旋轉坐標系下，背靠背變流器發電機側變流器與電網側變流器結構相同，下面僅給出網側變流器的數學模型為：

(5)

式中：u2d、u2q為分別為變流器d、q軸輸出電壓的基波分量；S2d、S2q為dq坐標系下的變流器開關量；udc為直流電壓；i2d、i2q為網側dq軸電流；ω為電網角頻率；L、R分別為網側變流器與電網之間的連接電感及等值電阻；ed、eq為電網d、q軸電壓，idc1為發電機側變流器流入直流電容的直流電流。

永磁風力發電系統的整體控制圖如圖2所示，主要由風力機的槳距角控制、發電機與網側變流器的控制組成。發電機側變流器控制的目標為將永磁同步發電機發出的頻率和電壓幅值均變化的交流電整流成直流電，控制風力機轉速，實現最優風能利用；網側變流器控制目標為將直流電逆變為與電網同頻率、同幅值的交流電，維持直流側電壓恒定，并根據電網需求實現與電網間的無功交換。

圖2 永磁風力發電機控制系統示意圖Fig.2 Diagram of permanent magnet wind generator control system

風力機的槳距角控制以轉速ω為反饋量，槳距角為控制對象。當風速高于額定風速時，風力機轉速將上升超過額定轉速，槳距角控制開始起作用，將發電機的實際轉速ω與額定轉速ωref比較，經PI控制器得到槳距角的控制信號，槳距角伺服系統執行后得到風力機葉片的實際槳距角；發電機側變流器控制采用雙閉環控制結構，外環根據轉速-功率最優曲線，得到轉速ω下有功功率參考值Pref，與經過濾波后的定子側實際的功率值P1比較后，得到q軸電流的參考值iqref，根據發電機的運行狀態得到d軸電流參考值idref，內環基于前饋解耦控制策略，得到變流器端口處dq軸分量的參考電壓ud2和uq2,再通過PWM控制得到變流器的脈沖控制信號，實現了對電流的跟蹤和解耦控制；網側變流器控制仍采用雙閉環控制，外環根據直流側電壓參考值Udcref和無功功率參考值Qref，與直流側電壓實際值Udc和網側無功功率Q2比較后，經PI控制器得到內環d軸、q軸電流的參考值idref、iqref，同樣基于前饋解耦控制策略，實現了內環對電流的跟蹤和解耦控制。

1.2 電池儲能模型與控制系統

電池儲能系統結構如圖3，主要由電池儲能單元與功率調節單元組成。其中電池組由多個電池串聯等效，功率調節單元包括升降壓斬波(Buck-Boost)電路、儲能并網變流器等。

圖3 電池儲能系統結構圖Fig.3 Structure of battery energy storage system

當電池儲能系統工作于放電狀態時，升降壓斬波電路工作于Boost模式，V1保持關斷，V2根據控制信號開通或關斷；當電池儲能系統工作于充電電狀態時，升降壓斬波電路工作于Buck模式，V2保持關斷，V1根據控制信號開通或關斷。選取d軸與電網電壓矢量重合，q軸超d軸90°，充/放電兩種方式下主電路的數學模型相似，下面僅給出Buck模式下電路的數學模型：

(6)

其中：

式(6)中：ω為交流系統相電壓的角頻率；id、iq分別為交流系統電流矢量的d、q 軸分量；Ed為交流系統電壓矢量的d軸分量；md、mq分別為儲能變流器開關函數的d、q軸分量，udc為儲能變流器直流側母線電壓。

電池儲能控制系統整體控制圖如圖4所示，包括Buck-Boost電路和儲能變流器的控制電路。Buck-Boost電路的控制目標為控制電池儲能系統按照給定功率充放電，儲能變流器的控制目標為實現直流側電壓和無功功率的恒定，實現電池單元、變流器和電網側有功功率的平衡直流電壓的恒定和傳輸功率因數的調節及并網點電壓的補償。

圖4 電池儲能控制系統示意圖Fig.4 Diagram of battery energy storage control system

Buck-Boost電路采用定周期比控制策略，即根據參考功率Pref和電池電壓Ub，與實際功率P2比較得到參考電流值Ibref，將實際電流Ib與參考電流Ibref比較，得到控制周期內PWM信號，對開關進行控制，使得實際電流跟蹤參考電流值。儲能并網變流器控制采用雙閉環結構，基于反饋線性化理論設計控制器[21]，外環根據電壓參考值、實際采集電壓值及給定無功功率參考值確定了d、q坐標軸下的電流參考值，并生成VSC控制輸入量：幅值m、相角δ，經PWM調控技術生成PWM脈沖，作用于變流器，實現了直流電壓和給定無功功率的跟蹤。

2 風儲聯合發電系統整體結構

圖5給出了風儲聯合并網發電系統整體結構圖，其中Pout為風儲聯合輸出功率，Pw、Pb分別為風電場和電池儲能系統輸出功率。電池儲能單元根據目標功率與風電場實際輸出功率差值，控制儲能裝置充放電運行。

圖5 風儲聯合系統結構圖Fig.5 Structure of wind-ES hybrid system

將目標功率設定為恒定值，當風電場輸出功率隨風速變化時，通過對儲能單元充放電功率傳輸控制，即當風電場實際輸出功率大于目標功率時，儲能單元充電，存儲多余的風電出力；當風電場實際出力小于目標功率時，儲能單元放電，釋放能量，補充功率差額，從而實現對風電功率波動的平抑，使得風儲聯合輸出恒定。

3 算例分析

本文基于PSCAD/EMTDC仿真軟件，根據所建立的模型與控制系統，參考1.5 MW永磁直驅風電機組的參數搭建風儲聯合并網發電系統仿真平臺，系統主要參數見表1。

為驗證所構建風儲聯合發電系統數學模型和控制策略的有效性，設計了恒定風速突變、隨機風工況下,儲能系統對風力機輸出功率進行平抑，風儲聯合發電輸出恒定功率的典型算例。

表1 風儲系統參數

3.1 恒定風速突變下仿真分析

當風速由當前值突變為另一值時，風電機組輸出功率發生變化，若設定風儲聯合發電系統目標功率為固定值，則儲能系統根據兩者差值進行功率傳輸控制，各時間段系統的運行條件見表2。

表2 風速突變仿真運行條件設定

圖6為恒定風速突變下風速、永磁風力發電系統輸出功率、風儲聯合運行并網功率和電池儲能系統輸出功率仿真波形圖。當風速發生突變時，風力機的輸出功率隨之變化，電池儲能系統根據所設定目標功率進行充放電功率傳輸控制，使得聯合運行并網功率跟蹤目標。

圖6 風/儲聯合運行仿真圖(t=2～18 s)Fig.6 Simulation results of wind power generator and energy storage system(t=2～18 s)

圖7為仿真I區的風速、永磁風力發電系統輸出功率，直流側電壓波形局部放大圖。由圖可知，經過約0.4 s后風電機組輸出有功功率穩定到新的值,輸出有功功率增加了310 kW，無功功率為0，實現發電機單位功率因數下運行，變流器直流側電壓最大波動值為19 V，這說明風電機組的控制器具有良好的功率跟蹤性能。圖8為風電機組輸出功率變化過程中的系統側相電壓和三相電流波形，由波形可見電流波形有較好的正弦度。

圖7 I區放大圖(4～6.5 s)Fig.7 Enlarged view of area I(4～6.5 s)

圖8 網側的三相電壓電流變化波形(5.18～5.27 s)Fig.8 Three-phase current and voltage curve at grid side(5.18～5.27 s)

圖9為風速由11 m/s突變至9 m/s時，仿真II區風速、儲能變流器直流側電壓、電池儲能系統輸出功率波形局部放大圖。由圖可知，電池儲能系統約需0.4 s由吸收風電機組發出的300 kW有功功率變為發出有功功率200 kW，儲能系統變流器直流側電壓最大波動值為240 V，但在0.6 s內可以穩定到參考值附近，可見儲能系統可以按照指定的功率指令運行，且直流側電壓在受擾情況下能夠較快的恢復到指令值附近。由圖6可見在t=13 s時，注入電網的參考無功功率由0突變為100 kVar，由于風電機組為單位功率因數控制，所以儲能系統快速響應輸出無功功率。

圖9 風/儲聯合運行仿真圖(8～13 s)Fig.9 Simulation results of wind-ES system(8～13 s)

3.2 風速隨機變化下仿真分析

當風速隨機變化時，設定風儲聯合系統的運行條件如表3，對系統的運行性能進行分析。

表3 隨機風速仿真運行條件設定

圖10為風速隨機變化時風速、永磁風力發電系統輸出功率、風儲聯合運行并網功率和電池儲能系統輸出功率仿真波形圖。

圖10 風/儲聯合運行仿真圖(3～12 s)Fig.10 Simulation results of wind power generator and energy storage system (t=3～12 s)

由圖10可見，在風速發生變化導致風電機組輸出功率也變化時，儲能系統能夠快速動作，吞吐功率保證了風儲聯合發電系統總輸出功率的恒定，且有功功率和無功功率解耦效果好。

4 結 論

本文構建了風儲聯合并網發電系統模型并實現其運行控制，基于PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了風儲聯合并網發電系統仿真平臺，驗證模型和控制系統的有效性，得出以下結論：

1)基于雙閉環控制策略的永磁風力發電機組輸出有功功率可快速跟隨風速變化，實現最大功率捕獲，發電機單位因數功率控制下的有功、無功解耦控制效果良好。

2)釆用定周期比控制策略和反饋線性化理論設計電池儲能單元的控制系統，通過功率傳輸控制可以實現對風電功率波動的有效平抑。

3)風儲聯合并網發電系統輸出穩定，整體控制性能良好，改善了風電的波動性，有利于電網的安全穩定運行。

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Modeling and operation control of wind-ES hybrid power system

LI Jun-hui1， YANG Yuan-yuan1， FENG Shuang1， GE Yan-feng2， JIN Peng3

(1.School of Electrical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China；2.Liaoning Province Electric Power Company of National Grid,Shenyang 110006,China；3.Shenyang Electric Power supply Company,State Grid Liaoning Electric Power Company,Shenyang 110006,China)

Because of volatility characteristics of wind power,the battery energy storage system is deployed in wind farms.And the permanent magnet synchronous generator was adopted due to its simple structure and reliable performance.Then a Wind-ES integrated generation model was established to control the operation of system.The control system of wind turbines was designed based on the maximum power tracking and active-reactive power decoupled control.The fixed period ratio control strategy and the feedback linearization theory was adopted to control the power transmission of battery energy storage system.A simulation model of Wind-ES integrated generation system was built by using the electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC.The simulation results show that the battery units based on the fixed period ratio control strategy and the feedback linearization theory quickly track the reference control instruction,and smooth the fluctuations of wind power.It proves effectiveness of the proposed Wind-ES integrated generation model and control system.

wind-ES hybrid power system;battery energy storage;fixed cycle ratio;feedback linearization;smooth power fluctuation

2014-09-29

國家重點基礎研究發展計劃(973 計劃)資助項目(2013CB228201)； 吉林省教育廳“十三五”科學技術研究項目(吉教科合字[2016]第88號)；國家電網公司科技項目資助(SGLNSY00FZJS1500191)

李軍徽(1976—)，男，博士，副教授，研究方向為風力發電運行與控制技術、大規模儲能技術應用； 楊嫄嫄(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為風力發電機組運行與控制技術； 馮 爽(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為電力系統運行控制技術； 葛延峰(1975—)，男，博士，高級工程師，研究方向為大電網運行，新能源接入電網與運行、儲能、儲熱； 金 鵬(1979—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為新能源接入電網與運行。

李軍徽

10.15938/j.emc.2017.05.008

TM 743

A

1007-449X(2017)05-0058-08