储能系统在风电场闪变抑制中的应用

江海敏，袁 越，张新松，傅质馨

（1.河海大学能源与电气学院，南京211000；2.河海大学可再生能源发电技术教育部工程研究中心，南京210098）

由于能源短缺和环境污染，以风能为代表的可再生能源开发和利用受到了全世界的关注。在很多情况下，风电场一般位于电网末端，并与配电网直接相连，这就使得风电引起的电能质量问题显得尤为重要[1]。而电压波动和闪变则是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一[2]。随着风电容量在系统中比例的增加，在某些情况下闪变问题将成为制约风电场装机容量的主要因素[3]。

风速的快速变动以及塔影效应、风剪切、偏航误差等因素都会引起并网风电机组输出功率的波动[4]。现代风机一般采用定功率因数或单位功率因数控制，电压波动和闪变主要受有功功率波动影响，虽然单台风机闪变值很小，但当多台风机接入相对较弱的电网时产生的闪变值依然不可忽视[5]。当风机接入配电网时，由于配电网较之于输电网呈较大阻性，传统的基于无功补偿的闪变治理方法具有局限性[6]。当风速较大且网络阻抗角较小时，采用无功补偿的方法很难抑制闪变[7]。因此，本文采用调节有功功率的方法来抑制闪变。

目前解决风电场输出有功功率波动问题主要有两种思路：一是控制风力机的运行状态以平稳其输出功率[8]，但当风速波动较大时其调节能力有限；二是在风电场安装配套储能设备[9]，目前在此领域得到应用的储能技术包括：超导储能系统、电池储能系统、超级电容器储能系统等。从频域特性来看，风功率变化可分为两个部分：慢变功率和快变功率[10]。电压波动和闪变是由快变功率引起的，需储能系统具备毫秒级功率动态调节的能力，因而超级电容储能、超导储能是较合适的选择[11]。由于超导储能成本高，因此本文采用超级电容器储能来调节风电场输出的有功功率。

本文以考虑塔影效应和风剪切的风速模型作为输入，仿真比较了风电场采用储能调节有功功率前后的功率波动和闪变值。在超级电容器储能控制中，将低通滤波器滤过的风功率作为控制目标，对VSC 采用基于交流侧两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法，对DC/DC 变换器提出采用功率外环电流内环的双向闭环控制来实现对有功功率的追踪。利用Matlab/Simulink 软件进行仿真。

1 系统结构

图1 为超级电容器接入风电场的结构示意。风电场由多台风机组成，通过升压变压器连接到电网。风机侧连接电容器进行无功补偿，以实现风电场高压侧的单位功率因数控制。储能系统主要由三部分组成，即超级电容器组，双向DC/DC 变换器，VSC。储能系统通过升压变压器连接到风电场出口的高压侧。

风电场加入储能装置后，风电场输出功率为并网功率与储能单元系统的功率之和，即

式中：Pwind为风电场输出功率；Psc为储能系统所要平抑的功率；Pg为风电输出功率经过储能系统平抑后注入到电网的功率。

储能装置的输出功率要起到平抑风电输出的作用，即当风电出力骤升时，储能装置吸收功率，反之则输出功率。

图1 系统结构示意Fig.1 Schematic configuration of the system

1.1 VSC 模型及其控制

图2为VSC 结构示意。其中，R 为VSC 串联及线路损耗的等效电阻；L 为VSC 串联的等效电感；C 为直流侧的平波电容。

图2 VSC 结构示意Fig.2 Schematic configuration of the VSC

假设三相系统平衡并忽略开关器件的损耗，利用基尔霍夫定理以及派克变换可得VSC 同步旋转坐标系下的数学模型[12]，即

式中：ω 为交流系统相电压角频率；usd、usq为电网电压d、q 轴分量；Vd、Vq分别为VSC 交流侧电压d、q 轴分量；id、iq为VSC 交流侧电流d、q 轴分量。

式（2）表明，d、q 轴电流除受控制量Vd、Vq影响外，还受到电流交叉耦合项ωLid、ωLiq和电网电压usd、usq影响。

为消除d、q 轴之间电流耦合和交流系统电压扰动，采用前馈解耦控制方法，将与id、iq具有一阶微分关系的电压分量采用比例积分环节来实现，即将式（2）改为

对电网扰动电压usd、usq采取前馈补偿，不仅能实现d、q 轴电流的独立解耦控制，还能提高系统的动态性能[13]。根据前述的VSC 交流侧电流控制原理，可得到图3 所示的VSC 控制系统结构框图。图3 中，外环控制直流母线电压，uref为直流电压的给定值，udc为实际的直流输出电压，经PI 调节后的输出idref为d 轴电流参考值。本文研究储能单元提供的有功支持，所以设无功电流给定值iqref=0。内环控制VSC 变流器输出电流，将检测到的三相输入电流经三相静止坐标到两相旋转坐标变换，得到电流的d、q 轴控制分量id和iq，将d、q 轴参考电流与实际电流id、iq的偏差值经PI 调节，再按式（3）进行前馈解耦，得到VSC 交流侧输出电压Vd、Vq。然后将两相旋转坐标变换到三相静止坐标，最后经PWM 调制电路得到VSC 的驱动信号。

图3 VSC 控制系统结构框图Fig.3 Block diagram of VSC control system

1.2 风功率平抑的目标

在风机连续运行过程中，受风速的快速变动以及塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，叶轮在旋转过程中的转矩不稳定，从而引起了风电场输出功率的变化，按变化的频率可分为高频区和低频区[10]。文献[14]对风电功率做了频谱分析，指出0.01 Hz 以下的功率变化被与其相连的自动发电控制装置AGC（auto generation control）补偿，而0.01 Hz 以上的高频部分则需借助储能装置平抑。因此，本文中的超级电容器主要用于平抑风功率中的高频波动分量。

设计一阶低通滤波器，使得注入到电网的功率Pg为

储能需要平抑的功率为

1.3 储能系统DC/DC 变换器

超级电容器通过串并联构成储能阵列，由于超级电容器在充放电过程中，其两端电压变化范围很大，因此必须通过功率变换器接入直流母线，使并网变流器VSC 向电网输送功率时，功率变换器能够提供恒定的直流母线电压[15]。

由于超级电容储能具有功率双象限流动进行储能和释能的特点，因而本文采用非隔离型Buck-Boost 双向DC/DC 变换器。其结构如图4 所示。这种电路具有结构简单，有源器件少，控制容易，效率高等优点[16]。当风电场输出功率大于给定的并网功率时，超级电容器充电，此时双向DC/DC 变换器工作在Buck 电路模式；当风电场输出功率小于给定的并网功率时，超级电容器放电，此时双向DC/DC 变换器工作在Boost 电路模式。

针对恒功率控制不能实时调整并网功率的缺点，本文对双向DC/DC 变换器采用了功率和电流的双闭环控制策略，控制框图如图5 所示。

图4 基于非隔离型Buck-Boost 电路的DC/DC 变换器Fig.4 DC-DC converter based on non-isolated Buck-Boost circuit

图5 双向DC/DC 控制框图Fig.5 Bidirectional DC/DC converter control

外环为功率控制环，目的是实时控制超级电容器吸收和发出的有功功率。风电场输出功率Pwind经过低通滤波器滤波，滤除高频量、控制变化率。由于闪变是由风速中的高频分量引起的，因而将滤除高频分量后的值Pg作为并网功率的给定值，风电场的输出功率Pwind和并网参考功率Pg间的差值= Pwind- Pg即为超级电容器工作的参考功率；将与超级电容器工作的实际功率值Psc比较，误差e1经过PI 调节器，得到期望的超级电容器的电流参考值内环为超级电容器电流控制环，使超级电容器实际的工作电流值Isc跟踪外环给定的电流参考值最后经过PWM 调制得到开关管T1 和T2 的通断状态。

2 控制策略仿真验证

在Matlab/Simulink 仿真环境下建立了整个系统的仿真电路。风电场由6 台单机额定容量为1.5 MW 的异步风机组成，单台风机定子电阻rs=0.004 8 p.u.；定子漏抗xs=0.124 8 p.u.；转子绕组电阻rr=0.004 4 p.u.；转子漏抗xr=0.179 1 p.u.；激磁电抗xm= 6.77 p.u.。系统母线短路容量为2 500 MVA，系统阻抗为0.576+j0.02 Ω。超级电容器参数采用文献[9]中的产品数据，单体容量3 000 F，额定电压2.7 V，串联等效电阻0.045 mΩ，300 串10并组成超级电容器组。直流侧电感值为0.05 mH，直流母线电容为75 mF。控制系统参数：VSC 控制模块中，电压外环的PI 调节器参数为：kp=0.001 5，ki=0.5，电流内环的PI 调节器参数为kp=3，ki=5。DC/DC 变换器控制模块中，功率外环的PI 调节器参数为：kp=0.001，ki=0.9。为了验证超级电容器的功率跟踪响应，设置有功功率给定在1 s 时从0～1 MW 阶跃变化。超级电容器储能系统的功率跟踪相应曲线如图6 所示。

图6 超级电容器储能系统功率跟踪仿真结果Fig.6 Simulative results of power tracking for supercapacitor energy storage system

图6中，Pref为超级电容器给定功率，P 为超级电容器实际输出功率。由图6 仿真结果可知，利用本文的功率调节方法，超级电容器跟踪阶跃给定的功率所需的时间大约为30 ms，响应速度快，调节特性好，可满足快速补偿风电场功率波动的要求。

在风机连续运行中塔影效应和风剪切是引起闪变的主因[17]。现代风力发电系统研究中，大多采用平均风速分量与湍流分量相叠加的风速模型，本文在文献[18]建立的风速模型基础上考虑了塔影效应和风剪切，塔影效应和风剪切的数学模型参考文献[17]，参数如表1 所示，当轮毂高度处风速为8 m/s 时塔影效应和风剪切效应如图7 所示。

表1 风剪切和塔影效应模型参数Tab.1 Parameters of wind shear and tower shadow effects

图7 风剪切和塔影效应对风速的影响Fig.7 Effects of wind shear and tower shadow on the wind speed

图8为叠加塔影效应和风剪切后的600 s 风速曲线，平均风速为8 m/s，湍流分量In=0.1。

图8 600 s 等效风速曲线Fig.8 Equivalent wind speed in 600 seconds

图9为未安装储能时风电场功率输出曲线，从图中可以看出风电场功率波动幅度较大。图10为安装储能装置后的功率曲线，其中Pg为经过超级电容器平抑后的风功率曲线，Psc为超级电容器储能系统功率变化曲线。可以看出，经过储能系统平抑后，输入到电网的功率变得很平滑。

图11 为超级电容器的端电压响应，从图中可知，超级电容器端电压的变化与储能系统功率的变化相对应。当功率大于0 时超级电容器充电，功率小于0 时超级电容器放电。

图9 未安装储能时风电场功率输出曲线Fig.9 Output power curves of wind farm without supercapacitor energy storage system

图10 超级电容器储能系统功率变化曲线以及风功率平抑效果示意Fig.10 Output power curves of wind farm with supercapacitor energy storage system and smoothed wind power with energy storage system

图11 超级电容器端电压的响应Fig.11 Voltage response of supercapacitor energy storage system

3 闪变值比较验证

为了验证本文提出的采用储能平抑风电有功功率波动来减小闪变的方法，根据IEC 闪变仪原理框图，在Matlab 环境下建立了闪变测试系统。闪变仪具体参数参考文献[19]。

利用此闪变测试系统，本文对采用无功补偿抑制闪变以及采用储能抑制闪变这两种不同情况下的系统的短时闪变值进行了测试和分析。由于风况对风电机组引起的电压波动和闪变具有直接的影响，尤其是平均风速和湍流密度[1]，所以本文对不同平均风速和湍流密度条件下的短时闪变值进行了仿真比较，结果如表2 和表3 所示。

由表2 可知，当平均风速达到额定风速9 m/s前，闪变值随风速的增大而增大。湍流强度对电压波动和闪变的影响较大，两者几乎呈正比增长关系。湍流密度的增大使得风速的变化加剧，引起了输出功率的波动变大，从而使得闪变值增大。从表3 可看出，未安装储能时，随着湍流密度的增大，闪变值也增大。从表2 和表3 的数据可看出，STATCOM虽然可抑制闪变，但效果远远比不上采用储能抑制闪变的效果。安装储能设备后，由于风功率中引起电压闪变的快速波动成分被储能平抑，因而闪变值大大减小，远远低于国标的规定。从而验证了本文方案的有效性。

表2 不同平均风速下的闪变值比较（In=0.1）Tab.2 Comparison of flicker with different mean wind speeds（In=0.1）

表3 不同湍流密度下的闪变值比较（平均风速v=8 m/s）Tab.3 Comparison of flicker with different turbulence intensities（v=8 m/s）

4 结论

并网风电输出功率的快速波动会引起电网电压波动和闪变。很多文献提出采用实时无功补偿，使得电网阻抗角与功率因数角之差接近，进而抑制闪变。但是随着风电在电网中的比例越来越大，这种方法也体现出了局限性。本文提出采用超级电容器平抑风电有功功率快速波动从而抑制闪变的方法。本文设计了超级电容器的控制策略，以考虑塔影效应和风剪切的风速模型作为输入，并搭建了IEC 闪变仪，仿真比较了风电场采用储能调节有功功率前后的功率波动和闪变值。利用Matlab/Simulink 软件进行仿真，仿真结果表明了所提出的控制策略和方法的有效性。

[1]赵海翔（Zhao Haixiang）.风电引起的电压波动和闪变研究（Studies on Voltage Fluctuation and Flicker Caused by Integrated Wind Power）[D].北京：中国电力科学研究院（Beijing：China Electric Power Research Institute），2004.

[2]孙涛，王伟胜，戴慧珠，等（Sun Tao，Wang Weisheng，Dai Huizhu，et al）.风力发电引起的电压波动和闪变（Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generation）[J].电网技术（Power System Technology），2003，27（12）：62-70.

[3]王海云，王维庆，梁斌（Wang Haiyun，Wang Weiqing，Liang Bin）.风电场在公共连接点的闪变（Flicker at common coupling point of wind farm）[J]. 电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2008，28（12）：81-83.

[4]白鸿斌，王瑞红（Bai Hongbin，Wang Ruihong）.风电场并网对电网电能质量的影响分析（Influence of the gridconnected wind farm on power quality）[J]. 电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（1）：120-124.

[5]Sun Tao，Chen Zhe，Blaabjerg F.Flicker study on variable speed wind turbines with doubly fed induction generators[J].IEEE Trans on Energy Conversion，2005，20（4）：896-905.

[6]Scott N C，Atkinson D J，Morrell J E.Use of load control to regulate voltage on distribution networks with embedded generation[J].IEEE Trans on Power Systems，2002，17（2）：510-515.

[7]Hu Weihao，Chen Zhe，Wang Yue，et al.Flicker mitigation by active power control of variable-speed wind turbines with full-scale back-to-back power converters [J]. IEEE Trans on Energy Conversion，2009，24（3）：640-649.

[8]Luo Changling，Banaker Hadi，Shen Baike，et al.Strategies to smooth wind power fluctuations of wind turbine generator [J]. IEEE Trans on Energy Conversion，2007，22（2）：341-349.

[9]李霄，胡长生，刘昌金，等（Li Xiao，Hu Changsheng，Liu Changjin，et al）. 基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制（Modelling and controlling of SCES based wind farm power regulation system）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2009，33（9）：86-90.

[10]李强（Li Qiang）.储能技术在风电能量管理与电能质量中的应用研究（Research on Application of Energy Storage Technology in Energy Management and Power Quality of Wind Power）[D]. 南京：河海大学能源与电气学院（Nanjing：College of Energy and Electrical Engineering of Hohai University），2010.

[11]李强，袁越，谈定中（Li Qiang，Yuan Yue，Tan Dingzhong）.储能技术在风电并网中的应用研究进展（Progress on application of energy storage technology in wind power integration）[J]. 河海大学学报（自然科学版）（Journal of Hohai University（Natural Science）），2010，38（1）：115-122.

[12]王久和.电压型PWM 整流器的非线性控制[M].北京：机械工业出版社，2008.

[13]宇航（Yu Hang）.利用储能系统平抑风电功率波动的仿真研究（Simulation Research on Smoothing the Wind Power Fluctuation by Using Energy Storage System）[D].吉林：东北电力大学电气工程学院（Jilin：College of Electrical Engineering of Northeast Dianli University），2010.

[14]Wei Li，Joos G，Abbey C.Attenuation of wind power fluctuations in wind turbine generators using a DC bus capacitor based filtering control scheme[C]//IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting，Tampa，USA：2006.

[15]马奎安（Ma Kuian）.超级电容器储能系统中双向DC/DC变流器设计（The Design of Bi-directional DC/DC Converter Applied in Super-capacitor Storage Systems）[D].杭州：浙江大学电气工程学院（Hangzhou：College of Electrical Engineering of Zhejiang University），2010.

[16]王云玲，曾杰，张步涵，等（Wang Yunling，Zeng Jie，Zhang Buhan，et al）.基于超级电容器储能系统的动态电压调节器（Dynamic voltage conditioner based on ultracapacitor energy storage system）[J].电网技术（Power System Technology），2007，31（8）：58-62.

[17]Dolan D S L，Lehn P W.Simulation model of wind turbine 3p toque oscillations due to wind shear and tower shadow[J]. IEEE Trans on Energy Conversion，2006，21（3）：717-724.

[18]李东东，陈陈（Li Dongdong，Chen Chen）.风力发电系统动态仿真的风速模型（Wind speed model for dynamic simulation of wind power generation system）[J]. 中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2005，25（21）：41-44.

[19]赵海翔，陈默子，戴慧珠（Zhao Haixiang，Chen Mozi，Dai Huizhu）. 风电并网引起闪变的测试系统仿真（Simulation of the flickermeter suitable for measuring the flicker produced by integrated wind power）[J].太阳能学报（Acta Energiae Solaris Sinica），2005，26（1）：28-33.