張冠鋒，朱鈺，王剛，戈陽(yáng)陽(yáng)，李勝輝

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為新能源發(fā)電中的一種，近幾年得到了迅猛的發(fā)展。2012年新增總裝機(jī)容量約為1 296萬(wàn)千瓦，至2012年底總裝機(jī)容量達(dá)到7 532.4萬(wàn)千瓦。風(fēng)能作為綠色可再生能源，其隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出有功和無(wú)功波動(dòng)較大，影響電網(wǎng)穩(wěn)定，并網(wǎng)困難問(wèn)題依然嚴(yán)重。2012年風(fēng)電“棄風(fēng)”超過(guò)200億kWh，極大的降低了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效益。

由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有慣性時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，通過(guò)控制，能夠使儲(chǔ)能系統(tǒng)快速地對(duì)電網(wǎng)吸收或釋放有功、無(wú)功功率。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的容量和不同的風(fēng)速狀況，在風(fēng)電集中地區(qū)配備一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠減小風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)，增強(qiáng)其自我調(diào)節(jié)能力。

儲(chǔ)能裝置與風(fēng)力發(fā)電結(jié)合的方式很多，文獻(xiàn)［1-2］歸納儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的主要作用有:平穩(wěn)風(fēng)電場(chǎng)輸出到電網(wǎng)的有功功率，提高電能質(zhì)量，增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗故障能力。根據(jù)不同的目的和應(yīng)用場(chǎng)合，儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式各不相同。文獻(xiàn)［3］采用基于平滑控制的超級(jí)電容與電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理方法，能夠很好地補(bǔ)償可再生能源輸出功率波動(dòng)的高頻分量與中低頻分量，但是由于系統(tǒng)中運(yùn)用了DC-DC雙向變換器，增加了投資成本和控制的復(fù)雜程度。文獻(xiàn)［4-5］將儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)置在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的全功率變換器直流母線(xiàn)上，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)分別采用基于規(guī)則控制(Rule-based control)和最優(yōu)控制(Optimal control)，使風(fēng)機(jī)并網(wǎng)輸出達(dá)到穩(wěn)定值，但是存在過(guò)于復(fù)雜模型難以設(shè)計(jì)出實(shí)用的控制策略的問(wèn)題。

本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)并聯(lián)的集中接入方式，設(shè)計(jì)了風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)用模型，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用DC-AC的控制方法，研究了DC-AC恒功率控制原理及控制方式，并給出儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)的仿真驗(yàn)證結(jié)果，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性及控制策略的可行性。

1 風(fēng)力發(fā)電與儲(chǔ)能裝置結(jié)合系統(tǒng)

目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的規(guī)模相對(duì)較大的儲(chǔ)能方式主要有抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、鈉硫電池、釩氧化還原液流電池(VRB)、大容量鋰電池、鋅溴電池等。

抽水蓄能以其容量大，成本低等優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)中已被廣泛使用，主要用作電力系統(tǒng)削峰填谷。純抽水蓄能與電池類(lèi)儲(chǔ)能方式相比，其反應(yīng)時(shí)間常數(shù)較大，效率較低，綜合效率大約在70%-80%左右，電站建設(shè)受地理?xiàng)l件限制較大。

在電池類(lèi)儲(chǔ)能方式中，釩流體電池清潔安全無(wú)污染，使用壽命長(zhǎng)，便于擴(kuò)容;鈉硫電池能量和功率密度大、效率高、維護(hù)方便;以磷酸鐵鋰為代表的鋰離子電池，原料來(lái)源豐富，具有高能量密度、快速充放電等特點(diǎn)。作為大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用，雖然目前成本都較高，但這三種方式都具有樂(lè)觀的前景［6］。系統(tǒng)模型中選取全釩液流電池為例進(jìn)行分析。

儲(chǔ)能裝置與風(fēng)力發(fā)電結(jié)合結(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)機(jī)經(jīng)AC-DCAC實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，儲(chǔ)能裝置并聯(lián)在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的交流母線(xiàn)上。儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由二部分組成:儲(chǔ)能單元、DC-AC變換器。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2 全釩液流電池模型

全釩液流電池(Vanadium Redox Battery，簡(jiǎn)稱(chēng)VRB)主要結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)分別裝有正負(fù)兩種不同的電解液罐和電池單元(電堆)組成，利用循環(huán)泵使電解液進(jìn)入電池反應(yīng)堆，電解液活性物質(zhì)在電極內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，在電池單元內(nèi)部使用離子交換膜將陰極和陽(yáng)極分開(kāi)。電池進(jìn)行充電時(shí)(Icharge＞0)，VO2+在正電極被氧化，同時(shí)釋放出電子，電子通過(guò)正極板傳到外電路，而V3+則從外電路得到電子，并且在負(fù)電極表面被還原為V2+。同理，電池進(jìn)行放電時(shí)(Idischarge＞0)，正負(fù)極溶液在電極表面發(fā)生如上反應(yīng)的逆過(guò)程，H+從負(fù)極遷移回正極，其工作原理如圖2所示［7-8］。

為了能夠反映出VRB的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、輸入輸出的伏安特性，且能夠反應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)功率互補(bǔ)過(guò)程，本文采用VRB簡(jiǎn)化等效電路如圖3所示。

電池的內(nèi)阻可分為由內(nèi)部損耗等效的Rrea和 Rres;外部損耗等效的 Rfixed與 Ipump;堆棧電壓等效為受控電壓源 Ustack，其大小與 Istack、SOC相關(guān)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力與Cele相關(guān)。

圖2 VRB工作原理示意圖

圖3 液流電池模型

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制模型

對(duì)于并網(wǎng)運(yùn)行的大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)而言，為了滿(mǎn)足平抑風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)的要求，本文采用電網(wǎng)電壓定向?qū)涣鳒y(cè)電流的有功分量和無(wú)功分量進(jìn)行功率解耦控制，并網(wǎng)模式下的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 三相橋式逆變器結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)為:

dq0坐標(biāo)下三相功率表達(dá)式為:

設(shè)定有功功率P和無(wú)功功率Q的參考值，根據(jù)電網(wǎng)電壓定向原理和式(3)式計(jì)算可得到dq軸電流的參考值id=2P/3ud和iq=2Q/3ud，又由于直流電壓由有功電流id控制，所以恒功率控制時(shí)，直流電壓也保持恒定。再由(2)式設(shè)計(jì)的電流內(nèi)環(huán)，可得到dq軸電壓參考值。控制原理如圖5所示。

圖5 三相DC-AC恒功率控制框圖

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)仿真，設(shè)置有功、無(wú)功階躍變化。

從圖6可以看出，有功功率目標(biāo)值階躍時(shí)，由于id的瞬時(shí)增加，導(dǎo)致無(wú)功功率稍有增加(感性無(wú)功)，但迅速恢復(fù)給定值。根據(jù)電網(wǎng)需要，儲(chǔ)能裝置還能隨時(shí)向電網(wǎng)發(fā)出一定的無(wú)功功率，圖7為儲(chǔ)能裝置輸出無(wú)功功率。當(dāng)t=1 s時(shí)，儲(chǔ)能裝置向電網(wǎng)注入無(wú)功功率4 Mvar，儲(chǔ)能裝置的無(wú)功功率調(diào)節(jié)作用使其可替代無(wú)功補(bǔ)償器。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)有功功率控制

圖7 控制無(wú)功功率

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)功率

儲(chǔ)能裝置與風(fēng)力發(fā)電結(jié)合系統(tǒng)各部分功率流向關(guān)系如圖1所示。不考慮風(fēng)電場(chǎng)本地負(fù)載的功率，電網(wǎng)、風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率滿(mǎn)足:

PBESS為儲(chǔ)能裝置輸出的功率，Pwind為風(fēng)機(jī)輸出的功率，Pgrid為電網(wǎng)接收的功率。

PBESS、Pwind輸出功率時(shí)符號(hào)為正，Pgrid輸入功率時(shí)符號(hào)為正。

假設(shè)DC-DC和DC-AC變換器的損耗不計(jì)，為使風(fēng)場(chǎng)輸送到電網(wǎng)的有功功率保持恒定，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用PQ解耦控制方式，有功功率目標(biāo)值為風(fēng)場(chǎng)輸出與電網(wǎng)目標(biāo)值的差值。

5 平抑波動(dòng)控制的仿真驗(yàn)證

對(duì)如圖(1)所示的風(fēng)電場(chǎng)-無(wú)窮大系統(tǒng)的時(shí)域仿真在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行。液流電池額定功率5 MW，容量10 MWh。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，額定電壓UN=690 V，單臺(tái)額定容量1.5 MW，由33臺(tái)并聯(lián)而成，額定容量49.5 MW，控制效果如圖10所示。

由圖8可以看出，由于風(fēng)速變化，風(fēng)機(jī)本身輸出到電網(wǎng)的功率波動(dòng)非常大，加入儲(chǔ)能裝置后，可較好地改善輸出到電網(wǎng)的功率波動(dòng)情況。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組有功輸出大于電網(wǎng)給定功率時(shí)，儲(chǔ)能裝置吸收功率;當(dāng)風(fēng)電機(jī)組有功輸出小于電網(wǎng)給定功率時(shí)，儲(chǔ)能裝置發(fā)出有功。

圖8 風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率和電網(wǎng)吸收功率

圖9 風(fēng)電場(chǎng)一分鐘有功功率變化值

圖10 風(fēng)電場(chǎng)十分鐘有功功率最大變化值

圖9 和圖10顯示了風(fēng)電場(chǎng)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)前后有功功率最大變化情況，補(bǔ)償前風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率每分鐘變化最大值為5.6 MW，而風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定要求并網(wǎng)容量49.5 MW的風(fēng)電場(chǎng)每分鐘有功功率變化最大為5 MW，超出了規(guī)定值，補(bǔ)償后每分鐘有功功率最大變化值降低到2.56 MW，整個(gè)平抑過(guò)程效果明顯;補(bǔ)償前風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率每十分鐘變化最大值為7.44 MW，補(bǔ)償后降低到6.45 MW，所以也可以看出一定容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間段平抑效果不夠明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)側(cè)增加儲(chǔ)能系統(tǒng)，并通過(guò)DC-AC與風(fēng)電場(chǎng)并聯(lián)。由理論分析和仿真結(jié)果看出，通過(guò)采用DC-AC的恒功率控制的能量管理方法，儲(chǔ)能系統(tǒng)能根據(jù)情況對(duì)電網(wǎng)吸收和釋放有功、無(wú)功功率，不但能夠有效平滑風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率波動(dòng)，使有功功率最大波動(dòng)幅值明顯減小，還能對(duì)電網(wǎng)提供無(wú)功支持。

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