风力发电储能系统混合发电孤网运行控制.pdf-资料库

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中国科技论文在线风力发电储能系统混合发电孤网运行控制# http://www.paper.edu.cn 曹云峰，董建政* （上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240） 10 5 摘要：储能设备接入风电孤网发电系统中，可以提高孤网系统运行的稳定性，抑制风电的波动性。本文分析了风力发电储能系统混合发电孤网运行特性，建立了钠硫电池的修改模型，研究了双馈风机的定子磁链定向有功功率无功功率解耦矢量控制，提出了钠硫电池储能系统功率调节器的控制策略，建立了基于 PSCAD/EMTDC 的风力发电储能系统混合发电孤网仿真模型。仿真结果表明，储能系统通过电压直接控制和频率间接控制，使 PCC 点电压和频率保持稳定，从而提高整个孤网系统的稳定性。关键词：风力风电；电池储能系统；孤网系统；功率调节器；电力系统稳定性中图分类号：TM614 Operation Control of an Islanded Power System with Wind Power Generation and Battery Energy Storage System 15 20 25 30 35 40 (Electronic Information and Electrical Engineering School,Shanghai Jiao Tong CAO Yunfeng, DONG Jianzheng University,Shanghai 200240) Abstract: battery energy storage system ( BESS ) are required for stability maintenance in isolated power system . The influence of the wind fluctuations on the wind turbine generator system stability can be suppressed by inserting storage device into wind power isolated generation system. In this paper, the operation control of an islanded power system with wind power generation and battery energy storage system is researched deeply. The feature of NaS battery is investigated, the power decoupling control strategy based on static flux orientation of DFIG are studied. The control method for the power converter of battery energy storage system is also introduced. an islanded power system with wind power generation and battery energy storage system is modeled based on PSCAD/EMTDC to prove the control theory, the simulation results prove that the wind power isolated generation system with energy storage system can improve the voltage and frequency stability of isolated power system. Key words: wind power generation; battery energy storage system; isolated power system; power conditioning system; power system stability 0 引言分布式风力发电作为解决传统发电系统所带来的经济与环境等问题的方法，越来越收到重视，当分布式风力发电系统运行于孤网模式时，形成分布式孤立发电系统。在孤网运行时由于没有大电网的支撑以及风电自身的不稳定性，波动性，负载的扰动都会对具有高风能穿透比的孤立发电系统的电压和频率产生不利影响[1,2]。储能设备接入风电孤立发电系统中，可以提高孤网系统运行的稳定性，抑制风电和负载的波动性[3]。电池储能系统可以在高穿透比风能区间储存能量，在低穿透比风能区间释放能量，以提高风能利用率，起到稳定系统的作用。风力发电储能系统混合发电孤网系统主要包括双馈风力发电机组，电池储能系统，电动机负荷和一些阻抗负荷，电池储能系统主要由蓄电池组和功率调节器(power conditioning system，PCS)组成。本文对风力发电储能系统混合发电孤网运行特性进行了分析，建立了钠硫电池的修改模型，对双馈风机的定子磁链定向有功功率无功功率解耦矢量控制了研究，提出基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20110073120029）作者简介：曹云峰(1977-),男，助理研究员，主要研究方向：风力发电，微网. E-mail: yunfeng.cao@163.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 45 50 55 了钠硫电池储能系统功率调节器的控制策略，最终建立了基于 PSCAD/EMTDC 的风力发电储能系统混合发电孤网仿真模型，仿真研究了孤网运行特性。仿真结果表明，储能系统通过电压直接控制和频率间接控制提高了整个孤网系统的稳定性。 1 系统结构和运行特性图 1 是风力发电储能系统混合发电孤网系统结构图，系统主要包括双馈风力发电机组、电池能量存储系统、电机负荷、阻抗负荷和卸荷电阻。电池能量存储系统中的 PCS 采用电压和频率控制策略，对电池进行充放电管理，支承孤网系统的电压和频率稳定。双馈风力发电机组采用最大功率跟踪控制策略，最大效率的吸收风能，双馈电机控制采用定子磁链定向有功功率无功功率解耦矢量控制。当孤网系统运行时，首先钠硫电池储能系统的 PCS 在公共连接点(PCC)建立孤网系统的电压，为风机的启动提供支撑电压，当风机达到切入风速的时候，风机启动运行，PCS 和双馈风机联合运行为负载供电，电池能量存储系统根据风机输出的功率和负荷要求进行自动充电和放电，维持孤网系统 PCC 点的电压和频率在允许的范围内，保证整个系统稳定性。图 1 风力发电储能系统混合发电孤网系统结构图 Fig.1 Structure of the islanded wind-battery hybrid system 60 2 系统建模与控制策略研究 2.1 钠硫电池的特性图 2 为钠硫电池的修正模型，该模型考虑了钠硫电池在充放电过程中的非线性元素的特性，也考虑了内部不同电阻随温度及放电深度的变化。本文基于此模型对钠硫电池进行建模仿真。 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Rc Rd E Rlc Voc 图 2 钠硫电池模型 Fig.2 NAS battery model 图 2 中，充放电电阻 Rc&Rd 均为温度及放电深度的函数。用二极管的目的是使钠硫电池充放电时经由不同的内阻。充放电生命周期电阻 Rlc 表现的是基于充放电周期的增长而增加的恶化电阻，电池开路电压 E 表现的是电池单元的电动势，它是放电深度的函数。函数表述如下：E=E0，放电深度<60%；E=E0-K*F，放电深度>60%；其中 K、F 为通过实验得到的系数，E0 为满充时开路电压。图 2 所示的电池模型只表现了一个钠硫电池单元的性能，应用于储能系统的钠硫电池模块是由若干个电池单元串并联组成的。根据钠硫电池模块的串并联结构，钠硫电池模块的外特性可由电池单元的内阻和内电势乘以串并联系数估计得到。 2.2 双馈风机的模型和控制策略根据“等量”坐标变换方式，将交流励磁电机多变量数学模型变换至任意转速旋转的两相坐标系（d，q）中得到 d-q 坐标系下风力发电双馈电机的数学模型如下。 65 70 75 （1）电压方程如式： 80 （2）磁链方程如式：  qs ds u u u u              （3）电磁转矩方程如式：         dr qr 85 ds u   u  qs  u  u   dr qr 1 qs       R i    s ds ds R i    s qs qs R i    r dr dr R i    r dr dr     p p p p qr ds dr 1 s s (1)         ds    qs    dr    qr L p R  s n s L   s 1 L p  m n L  s m L i s ds L i s qs L i m ds L i m qs L i  m dr L i  m qr L i  r dr L i  r qr L  s 1 R L p  s s L  s m L p  m n  n L p m n L  m 1 R L p  r r L  s r n L   m 1 L p m n L   s r L p  r n R r       i ds i qs i dr i qr               (2) (3) (4) 基于定子电压定向的矢量控制的双馈电机的数学模型如下： T em  3 / 2 pL i i ( m ds qr  i i qs dr ) - 3 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn  1  L i s sq  L i m rq   L  r  L  r i d rd t d i d rq t d  L  s m L  s 1 u s   s L i r rq   s L i r rd (5) rd rq sd sq     0   u  u    u    u     sd    sq         rq        rd R i r rd R i r rq 0 u s  1 L i r rd L u m L  s 1   L i r rq s 双馈风机定子磁链定向有功功率、无功功率调节矢量控制系统结构图如图 3 所示。双馈风机的输出功率调节包括调节有功功率 Ps 和无功功率 Qs，即给定有功功率指令 Ps*、无功功率指令 Qs*，并使交流励磁电机定子侧输出的有功功率 Ps、无功功率 Qs 达到给定的指令值[4,5]。 90 1 r 1 s r s 1 1 图 3 双馈风机控制策略框图 Fig.3 Block diagram of control strategy of the DFIG 95 2.3 PCS 的模型与控制策略 PCS 结构和控制原理图如图 4 所示，PCS 的主电路是以 IGBT 为主要开关元件的三相桥式电压源变换器(voltage source converter，VSC)。VSC 采用脉宽调制策略(pulse width modulate，PWM)，直流侧连接蓄电池，交流侧连接电抗器 Xs [6,7] - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn SX aci P W MU abu bcu bi dcU mU * sin t m *U 100 图 4 PCS 结构和控制原理图 Fig.4 Schematic diagram of control scheme and structure of the PCS 图 5 PCS 单相等效电路 Fig. 5 Per phase equivalent circuit of the PCS 105 PCS 的单相等效电路如图 5 所示，由图 5，PCS 和 PCC 点间交换的功率可表示为： P      Q  U PCC U U PCC PWM X U ( S PCC sin  cos )  PWM  X U S (6) U PWM mU dc (7) dc m sin  (8) V ( PCC  mU dc cos )  根据 PWM 调制原理：式(6)中的 PQ 方程可改写为： 110 U S U PCC X   P  UQ   PCC X  S 由式(8)可见，PCS 通过改变变换器的调制比 m 和变换器交流侧基波电压 VPWM 与公共联络点(point of common coupling，PCC)电压 VPCC 的相角差 δ，使 VSC 四象限运行，如图 6 所示，因此， PCS 可以提供双向可控的有功、无功功率，在风速发生变化或负荷扰动时，PCS 可以平衡 PCC 点的潮流，使 PCC 点电压和频率的波动限制在可接受的范围内。 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ( 提供有功与无功 ) Q电 (提供无功+吸收有功) sI 容器 PWMV I X s s  ACV 电源 p (提供有功) 电阻器 (吸收有功) sI ACV PWMV  I X s s p PWMV  I X s s ACV 电 sI 感器 (吸收无功 +提供有功 ) Q ACV  sI PWMV I X s s 图 6 PCS 四象限运行向量图 (吸收无功 +吸收有功 ) Fig. 6 Four quadrant operation vector diagram PCS 通过电压闭环的 PI 调节器得到 m 的值，以调节 PCC 点电压，设定单位幅值正弦波的频率为 PCC 点参考频率 ωref，乘以 m 后得到调制波，输入 SPWM 脉冲发生器得到 IGBT 的驱动信号。 3 系统仿真及结果应用PSCAD /EMTDC对图1所示的风力发电储能系统混合发电孤网系统进行建模及仿真，系统选用1台1.5MW双馈风力发电机，钠硫电池储能系统，一些电机负荷以及阻抗负荷，对其进行仿真论证上述所提的控制策略。双馈风力机作为独立系统的自主电源，钠硫电池储能系统PCS作为平衡节点，在发生风速和负荷变化时，动态调节其潮流以稳定孤网系统PCC点的电压和频率，使其维持在额定值附近。下面进行了两个不同的仿真，一个风电穿透功率比小于1，一个风电穿透功率比大于1，通过这两个不同的仿真，验证风力发电储能系统混合发电孤网系统在不同的风电穿透功率比下，孤网系统的PCC点电压、频率波动范围是否超出设计标准，以研究孤网系统的稳定性。（1）孤网系统达到风能捕获起始风速（风电穿透功率比小于 1）此时风力机发出有功为 0.19MW，功率因数接近于 1。这时风力机输出功率小于负荷功率，风力机与钠硫电池储能系统共同承担系统所有负荷，钠硫储能系统 PCS 发出有功 0.16MW，无功 0.21Mvar，其中负荷无功全部由钠硫储能系统 PCS 提供。在钠硫电池储能系统支撑 PCS 电压的作用下，孤网系统 PCC 点电压波动为 0.5%，频率波动为±0.2Hz。其主要波形如图 7－10 所示。 - 6 - 115 120 125 130 135

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 7 DFIG 输出有功无功 Fig. 7 Active/reactive power output of the DFIG 140 图 8 PCS 输出有功无功 Fig. 8 Active/reactive power output of the PCS 图 9 PCC 点电压 Fig. 9 Voltage variations at PCC - 7 -

145 150 155 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 10 PCC 点频率 Fig. 10 Frequency variations at PCC （2）系统达到额定风速（风电穿透功率比大于 1）此时，双馈风力机满发，输出有功为 1.5MW，功率因数接近于 1，双馈风电机组承担所有负荷有功，多余的能量通过 PCS 向钠硫电池充电。负荷无功仍由钠硫电池 PCS 承担， PCS 吸收有功 1.2MW，发出无功 0.3Mvar。在钠硫电池 PCS 平衡潮流的作用下，PCC 点电压波动为 0.9%，频率波动为±0.2Hz。其主要波形如图 11－14 所示。图 11 DFIG 输出有功无功 Fig. 11 Active/reactive power output of the DFIG 图 12 PCS 输出有功无功 Fig. 12 Active/reactive power output of the PCS - 8 -

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