用于平抑风电波动功率的混合储能静止同步补偿器

尹忠东， 王 超

华北电力大学 电气与电子工程学院 北京 102206

用于平抑风电波动功率的混合储能静止同步补偿器

尹忠东， 王 超

华北电力大学 电气与电子工程学院 北京 102206

针对传统静止同步补偿器(Static Synchronous Compensator， STATCOM)只能补偿无功功率的不足，提出一种新型混合储能静止同步补偿器(STATCOM/HESS)，通过在直流侧增加混合储能装置，可快速补偿系统所需要的有功功率和无功功率。相比于有关学者之前提出的蓄电池储能静止同步补偿器(STATCOM/BESS)，采用STATCOM/HESS可充分利用超级电容功率密度高及蓄电池能量密度高的特点，储能系统的动态响应特性和运行寿命得到极大改善。对STATCOM/HESS的拓扑结构进行了研究，并对其应用于风电场的协调控制策略进行了分析，在PSCAD/EMTDC中建立了STATCOM/HESS的仿真模型。结果表明，STATCOM/HESS在稳态情况下能够有效平抑风电场的有功功率波动，并能够根据需要发出感性和容性无功功率，优化风电场的并网运行。

混合储能； 静止同步补偿器； 风电场； 波动功率平抑； 控制策略

1 课题背景

受风力变化的影响，风力发电机输出功率的波动较大。近年来，随着风力发电场的大量建设，风力发电输出功率的波动给电网运行带来的不利影响日趋严重。风力发电机在发电时需要从电网中吸收无功功率，当风力发电机吸收感性无功功率时，由于输电线路中存在电抗，风电场与电网接入点的电压会下降。因此，为了获得更好的控制性能和更高的发电效率，在风电场运行过程中进行有功功率平抑和无功功率补偿是十分必要的。

根据文献[1]的论述，风电场输出的波动功率可分为以下三类。

(1) 尖峰波动功率。主要由风速瞬时大幅度增大或减小引起，输出功率峰值大，但持续时间较短。

(2) 稳态波动功率。主要由风速持续增大或减小引起，输出功率峰值小，但持续时间长。

(3) 频繁往复波动功率。主要由风速快速往复变化引起，输出功率主要在某一固定值附近上下波动。

采用储能系统对上述三类波动功率进行平抑时，需要储能系统兼具频繁往复性充放电、尖峰功率吞吐、大容量能量吞吐等能力。在储能特性方面，蓄电池能量密度大，但功率密度小、动态响应慢、循环寿命短，若单纯采用蓄电池储能系统，为了应对短时功率冲击，往往要配置较大的储能容量，导致成本过高，且频繁充放电也会缩短储能系统的使用寿命。与之相反，超级电容器虽然储能容量受限，但功率密度大、响应速度快、循环寿命长。若能将超级电容和蓄电池结合在一起，使超级电容承担冲击性和往复性波动功率，这样不仅可以大大减小蓄电池的配置容量，减少投资，还可以延长整个储能系统的使用寿命，提高稳定性。

近年来，已有不少学者对结合蓄电池储能的静止同步补偿器(STATCOM/BESS)进行了研究，文献[2-4]的研究表明，STATCOM/BESS能够快速吸收或发出有功功率和无功功率，实现双向大功率调节。文献[5-7]研究了STATCOM/BESS对风电场的动态补偿问题，指出STATCOM/BESS在稳态情况下能够平抑风电场功率的波动。上述研究中，储能部分都只采用了蓄电池储能，没有论述混合储能在静止同步补偿器(STATCOM)中的应用。文献[8-9]对混合储能如何平抑风电场有功功率波动进行了重点论述，但是对风电场的动态无功补偿问题却没有进行研究，其无功补偿装置还需额外建设，项目投资大，维护成本高。

2 混合储能静止同步补偿器原理

混合储能静止同步补偿器(STATCOM/HESS)由传统STATCOM和混合储能系统组成，混合储能部分由超级电容和蓄电池组成。系统的拓扑结构如图1所示，变流器选用电压型桥式电路，通过电抗器并联在电网上，超级电容和蓄电池通过DC/DC功率变换器并联在直流侧。DC/DC功率变换器能够通过调节占空比来控制储能设备的输出功率，因此，可以对储能设备进行直接控制，灵活配置能量管理系统，优化蓄电池的放电电流，并使蓄电池和超级电容深度放电[9]。

图1 STATCOM/HESS拓扑结构图

传统STATCOM主要与系统进行无功功率交换，引入混合储能系统的STATCOM/HESS则不仅可以快速补偿系统无功功率，还可以补偿有功功率，从而可以提供更加灵活多样的电能调节功能[10]。图2为STATCOM/HESS工作原理图。图中U、E分别为装置电压与系统电压的相量，I为输出电流相量，X为连接电抗，电阻R代表装置运行过程中产生的损耗。由图2可看出，通过对电压型桥式电路交流侧输出电压幅值和相位的调节，可以使电路吸收或放出指定的有功功率P和无功功率Q。

图2 STATCOM/HESS的四象限工作模式

3 控制策略

3.1 混合储能部分的控制

在混合储能系统中，超级电容用于补偿波动频率大且幅值较大的功率分量，蓄电池用于补偿波动频率小且幅值较小的功率分量。为了满足要求，采用二级低通滤波方法，通过设置不同的滤波时间常数来为蓄电池和超级电容分配合适的输出功率参考值[11]。超级电容及并网侧输出功率的参考值可经二级滤波后直接确定，蓄电池的作用为维持直流母线电压恒定，其输出功率接近等于并网侧输出功率减去超级电容输出功率。如图3所示，TSC和Tbat分别为第一次滤波和第二次滤波的时间常数，PS为分布式电源总输出，PS经过一次低通滤波之后所得值与自身的差值作为超级电容的输出功率参考值PSC_ref，PS经过二次低通滤波之后与自身的差值作为并网侧输出功率参考值Pref。

图3 二级低通滤波原理图

在混合储能侧，超级电容和蓄电池通过双向半桥DC/DC变换器连接到直流母线，DC/DC变换器在充放电时分别工作于降压模式和升压模式[12-13]。为了防止流过超级电容的电流过大，采用功率外环、电流内环的双环策略来控制DC/DC变换器，并对输出的参考电流进行限幅。图4为超级电容所接DC/DC变换器的控制结构图，从图中可看出，DC/DC变换器的输出功率PSC跟踪功率参考值PSC_ref，两者误差经电流控制器PI后形成电流参考值ISC_ref，新形成的电流参考值ISC_ref与输出电流反馈ISC进行比较，再经过电流控制器PI，产生占空比信号d控制DC/DC变换器，从而放出或吸收指定功率。

图4 超级电容侧DC/DC变换器控制结构图

图5为蓄电池所接DC/DC变换器的控制结构图。为稳定直流母线电压及优化蓄电池充放电，蓄电池侧的DC/DC变换器采用电压外环、电流内环的控制策略，STATCOM/HESS直流侧电压Udc与参考电压Uref比较，两者误差经电流控制器PI后形成电流参考值Ib_ref，新形成的电流参考值Ib_ref与蓄电池输出电流Ib进行比较后，再经过电流控制器PI，产生占空比信号d控制DC/DC变换器。

图5 蓄电池侧DC/DC变换器控制结构图

3.2 电压型桥式电路部分的控制

图1中Eabc、Iabc分别为系统的三相电压和装置流出的三相电流，对两者进行dq变换，变换矩阵T为：

(1)

可得：

(2)

(3)

STATCOM/HESS并网侧输出功率计算公式为：

(4)

若将电网电压定向于d轴，有：

(5)

式中：Em为电网电压幅值。

将式(5)代入式(4)，则功率计算公式可简化为：

(6)

由式(6)可以看出，在电网电压确定时，通过控制Id、Iq，即可实现对有功、无功功率的独立控制。

根据图3，容易得到并网输出有功功率指令Pref，再根据式(6)，可得d轴电流参考值：

(7)

风电场功率电流ISabc经过abc-dq变换得到ISq，乘以-1后作为q轴电流参考值，整个控制过程的框图如图6所示。

图6 电压型桥式电路的控制结构图

4 仿真研究

在PSCAD/EMTDC环境下搭建了STATCOM/HESS模型，以一小型风电场为功率平抑对象，其发电曲线如图7中PS所示，最大输出功率10.8MW，最小输出功率0.4MW，平均功率5.8MW。图7中PL是经STATCOM/HESS平抑后输送至电网的功率，可以看到，风电场输出的波动功率得到了明显的平抑。

图7 补偿前后流入电网的有功功率对比

图8(a)和图8(b)分别为超级电容和蓄电池的输出功率，从图中可以看出： 超级电容补偿有功功率的频率和峰值都比蓄电池大得多，并且功率主要在0值附近波动，符合超级电容响应速度快、功率密度大、可充放电次数多的特点；而蓄电池主要补偿低频率、低峰值的功率，可防止电池频繁充放电，有利于保护蓄电池且发挥其容量大的优势。图9是STATCOM/HESS直流侧母线电压的波形，由于蓄电池采用了电压外环的控制策略，所以直流侧母线电压较为稳定。

图8 混合储能侧输出有功功率对比

图9 STATCOM/HESS直流侧母线电压

图10(a)为风电场所需的无功功率，随风速的变化而上下波动。图10(b)为STATCOM/HESS所提供的无功功率，从图中可看出，STATCOM/HESS可以很好地跟踪并补偿风电场所需的无功功率。图10(c)为风电场与电网所交换的无功功率，由图可见，在STATCOM/HESS的补偿下，风电场与电网基本不进行无功功率的交换。

图10 STATCOM/HESS对风电场所需无功功率的补偿情况

5 结束语

提出一种混合储能静止同步补偿器，不仅可以补偿风电场所需的无功功率，还可以平抑风电场的输出功率波动，并且充分利用了不同储能元件的优

点，使整个储能系统具有高能量密度和高功率密度的特点。该装置用二级低通滤波的方法分别为超级电容和蓄电池提供参考功率，并采用旋转坐标系下电流解耦控制方法对电压型桥式电路进行控制。仿真结果与理论分析一致，证明这一新型静止同步补偿器具有理论价值和实际意义。

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Aiming at the shortage of traditional STATCOM(Static synchronous compensator) that has no option but to compensate reactive power, a new style of hybrid energy storage STATCOM(STATCOM/HESS) was proposed. By adding the hybrid energy storage device at DC side it is possible to compensate quickly the active power and reactive power required by the compensation system. Compared to the accumulator battery energy storage STATCOM(STATCOM/BESS) proposed by relevant scholars before, STATCOM/HESS can make maximum use of the features i.e. high power density of super capacitor and high energy density of the batteries with great improvement of dynamic response and service life of the energy storage system. By exploring STATCOM/HESS topology and analyzing its coordinated control strategy applied to wind power firlds, a simulation model of STATCOM/HESS was established in PSCAD/EMTDC. The results show that STATCOM/HESS in steady state can effectively stabilize the active power fluctuations in wind power fields, and can send out the inductive and capacitive reactive power as required to optimize the on-line operation of wind power fields.

Hybrid Energy Storage； STATCOM； Wind Power Fields； Stabilization of Power Fluctuation； Control Strategy

2016年1月

尹忠东(1968— )，男，博士，教授，主要研究方向为柔性交流输电技术、新能源发电等， E-mail： yzd@ncepu.edu.cn

TM614;TK83

A

1674-540X(2016)03-004-05