考虑飞轮储能的风电场有功功率平滑控制

刘颖明，徐中民，王晓东

（沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110021）

由于风的随机性、间歇性、波动性特点，风电机组输出的有功功率常常随着风速的变化而波动。随着风电系统的大规模并网，风力发电系统对电网的影响越来越突出，大的功率波动会对电网的电压和频率带来显著影响，引起诸如系统电压频率波动、失衡、谐波、畸变及闪变等一系列问题，严重时甚至会使电网崩溃。因此，平滑风电机组输出的有功功率，对于提高电网的风电接纳能力具有重要的 意义[1]。

目前平抑风电场功率波动的方法主要有两种。一种是通过对风电机组的控制，利用风机自身的转动惯性存储或舍弃部分风能，达到平滑风电功率波动的目的，但是该方法调节能力有限且不能充分利用风能[2-4]；另一种是给风电场配置储能装置，可以在风能利用最大化的条件下有效减小风电功率的随机性和波动性给电网造成的影响[5-7]。由于飞轮储能系统具有功率密度高、无污染、能量转换效率高以及使用寿命长等优点，其非常适合于为风能等间歇式能源提供瞬时功率支持[6]。

本文通过分析风电系统和飞轮储能装置的特性及其控制方式，提出了一种含飞轮储能装置的风电系统控制策略。对风电场输出到电网的有功功率进行滤波处理，利用飞轮储能装置来补偿风电系统输出功率中的波动成分，以实现风电系统输出有功功率的平滑控制。最后通过仿真验证了所提出的飞轮储能系统控制策略平滑有功功率的有效性。

1 含飞轮储能装置的风力发电系统

1.1 系统结构和工作原理

含飞轮储能装置的风力发电系统结构如图1所示。

图1 含飞轮储能装置的风力发电系统Fig.1 Wind farm with flywheel energy storage device

系统由风电场、电网和飞轮储能装置组成，风电场主要由风轮机、双馈感应发电机等组成。在风电场出口母线处引入飞轮储能装置。在这种采用集中配置的连接方式下，飞轮储能系统与风力发电系统可以独立控制，并且与采用分布式配置方式相比，风电场所需的总储能容量也会有所降低[7]。

飞轮储能装置主要由飞轮转子、支撑轴承、能量转换系统、电动/发电机、真空室组成，可以通过对永磁同步电机的控制来实现飞轮装置的加速充电和减速放电，从而实现电能和机械能的转换[8]。当风力发电系统的输出功率不能满足电网的需求时，以风力发电系统母线上的有功功率作为变流器的控制信号，进而驱动储能系统向风力发电系统供电；反之，当风力发电系统输出的电能多于电网所需的电能时，储能装置处于充电状态，吸收多余的电能，从而平抑系统的输出功率，提高输入电网的电能 质量。

1.2 飞轮储能装置模型

飞轮驱动电机采用面装式永磁同步电机，采用转子磁场定向的矢量控制方式，在dq同步旋转坐标系下的数学模型可以表示为

式中，ufd、ufq分别为d、q轴电压；ifd、ifq分别为d、q轴电流；Lfd、Lfq分别为定子直轴电感、交轴电感，Lfd=Lfq；pf为飞轮驱动电机极对数；ωf为电机机械转速；fψ为转子永磁体励磁磁链；Rf为定子电阻。

忽略损耗和飞轮系统的动态过程，可以将飞轮系统的模型等效简化为一个单质量块，飞轮的转矩方程可以表示为

式中，feT为飞轮驱动电机的电磁转矩，fJ为飞轮转子和飞轮驱动电机的总转动惯量。对于面装式永磁同步电机，其转矩方程又可以表示为

忽略飞轮驱动电机损耗，则其输出功率可以表示为

由式(3)、式(4)可知，通过对飞轮驱动电机q轴电流fqi进行控制即可控制电磁转矩，使飞轮系统工作于充放电状态，实现储能系统与电网之间的能量交换。

1.3 电网侧模型

网侧采用电压定向，电网侧变流器的数学模 型为 式中，Rg、Lg分别为电网电抗器的电阻和电感；ugd、ugq分别为网侧变流器交流端d、q轴电压和电流分量；egd、egq分别为电网电压矢量的d、q轴分量。

2 含飞轮储能装置的风电系统有功功 率平滑控制策略

含飞轮储能装置的风电系统的控制主要包括风电机组控制、电网侧控制和飞轮储能侧控制3部分。其中风电机组采用传统的转速、电流双闭环的控制方式向电网输出功率，本文只对电网侧和飞轮侧控制进行研究。

2.1 电网侧变流器控制策略

电网侧变流器主要有两个功能：一是保持变流器直流侧电压稳定，实现稳定的功率传输；二是控制电网侧无功功率。根据瞬时功率理论、电网侧有功瞬时功率和无功瞬时功率可以表示为

变流器采用电网电压矢量定向的方式，电网电压矢量沿d轴方向定向，则有egd=0。电网侧变流器输出的有功功率和无功功率可以表示为

电网侧变流器外环采用无功功率和定直流电压控制，内环为电流环，通过对直流侧电压和无功功率指令值的快速跟踪来确定内环的电流参考值。对d、q轴参考电流进行解耦控制和坐标矢量变换，可以得到电压控制信号uα、uβ，最后利用SVPWM控制技术产生脉冲信号，控制变流器的工作[9]。原理如图2所示。通过控制电网电流的d、q轴分量即可实现P、Q的独立控制，控制流向飞轮的有功功率和流向电网的无功功率。由式(7)可知，只需控制q轴电流igd=0，即可实现单位功率因数运行。

2.2 飞轮侧控制策略

由于风能具有随机性、间歇性特点，在实际情况中往往难以准确预测，直接以风速作为功率的平滑指令准确度并不高[10]。本文利用网侧有功功率来获得飞轮侧功率平滑的指令值，实现网侧有功功率的平滑输出的关键在于如何对飞轮电机外环输入的有功功率进行处理。

图2 电网侧变流器控制框图Fig.2 The control block diagram of grid side converter

传统方式直接采用低通滤波器来获得有功功率的平滑值，这与实际情况并不相符合。本文考虑利用高通滤波器引入网侧有功功率的扰动成分，通过高通、低通滤波器来获得飞轮装置的补偿功率，达到对网侧有功功率波动进行抑制的目的。

飞轮电机侧变流器外环控制如图3所示。图中fP为飞轮电机外环有功功率给定指令，可由式(8)得到

式中，gP为风电场实际输出到电网侧的有功功率；wrefP-为风电场额定功率，即6 MW。

将fP分别送入低通滤波器和高通滤波器进行处理，可以得到比较平滑的功率Pref和快速波动成分Phigh。通过式(7)可以确定igd。将Phigh单独作为扰动信号进行控制，由式(3)和式(4)可得扰动电流ihigd。二者求和可以得到电流环的给定信号*fqi。飞轮电机采用转子磁场定向的矢量控制方式，。同理，飞轮电机侧变流器的内环控制与电网侧变流器内环控制相似。

图3 飞轮电机侧变流器控制框图Fig.3 The control block diagram of flywheel motor side converter

3 含飞轮储能装置的风电系统仿真

对上述含飞轮储能装置的风电系统的控制策略进行仿真验证，仿真系统中风电场由4台额定功率为1.5 MW的双馈风机组成，飞轮储能系统由3台0.3 MW的储能装置组成。

从图4、图5、图6中的仿真可以看出，飞轮转速随风速变化而变化，飞轮转速高于10000 r/min时，飞轮装置处于充电状态，从电网中吸收有功功率，平抑电网侧有功功率波动；飞轮转速低于10000 r/min时，飞轮装置处于放电状态，对电网有功功率进行补偿。直流侧电压能够稳定在1.2 kV，波动较小。

图4 风速Fig.4 Wind speed

图5 飞轮转速Fig.5 The rotational speed of flywheel

图6 直流侧电压Fig.6 The voltage of DC side

图7分别给出了无飞轮储能系统以及采用普通平滑方法[11]和采用新型平滑方法时的飞轮储能系统网侧有功功率P1、P2、P3，由图7可知采用新型平滑方法时，风电系统网侧有功功率波动最小。仿真结果表明采用新型平滑方法的飞轮储能系统，可以明显提高风电场输出功率的质量。

4 结 语

本文通过分析风力发电系统和飞轮储能装置的特性，根据瞬时功率理论对网侧功率进行跟踪控制，提出了一种利用高、低通滤波器来实现网侧有功功率平滑的方法，有效抑制了由于风速随机波动而导致的风电系统输出到电网侧的有功功率的波动，提高了风电系统输出的电能质量。

图7 电网侧有功功率Fig.7 Active power of grid

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