SCESS-DFIG发电系统宽时间尺度功率波动的平抑控制方法

孙东阳，孙立志，吴凤江

哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

随着风电渗透率的不断提高，风电的功率波动将给电力系统的稳定运行带来挑战[1-3]。由于风速具有宽时间尺度变化的特点，这必然会导致风电机组输出功率的大波动和高随机性。在规模化风电机组集中接入的电力系统中，风电机组输出功率变化的这些特点会直接影响到所连电力系统的弹性，从而对高渗透率风电并网下电力系统的稳定性及安全性产生威胁[4]。

为了增强高渗透率风电接入电力系统的稳定性，国内外学者对于风电机组输出功率波动的平抑控制进行了研究并取得了一些成果。文献[5-10]利用储能系统作为功率滤波器对风电功率波动进行平抑控制；文献[11]通过增加由储能系统的能量状态和一阶滤波输出值组成的比例反馈环节，一定程度上解决了长时间运行过程中由于储能系统过充、过放导致的平抑控制失效问题，但类似上述文献绝大多数未对滤波后的风速曲线是否符合规则的要求进行比较说明。文献[12]提出风电机组功率波动经平抑控制后的指标应满足《风电场接入电力系统技术规定》[13]，同时结论中也指出风电场在秒级时间尺度下的功率波动概率及波动幅度都较大，导致配置的储能系统连续充放电频繁。文献[14]指出具有高比功率、循环寿命长的超级电容，更适合作为平抑短时间尺度风电功率波动的储能装置。文献[15-17]提出由超级电容和蓄电池组成的混合储能系统，以增加平抑风电功率波动的时间尺度，但其控制系统更为复杂，且在工程应用中通常选用的超级电容及蓄电池总容量有限，仅依靠储能系统进行功率波动平抑存在一定难度。文献[18]提出采取变桨控制与储能技术相结合，但未提及具体的协调控制方法。文献[19]提出将超级电容储能装置与直流母线支撑电容经由DC-DC变流器相连接，通过双馈风力发电机(DFIG)网侧变流器对风力发电机单机输出功率进行平抑控制，但文献中未考虑风电场聚合效应以及平抑低频时间尺度功率波动的问题。

综上所述，利用储能装置在公共连接点(PCC)处进行功率波动平抑的研究较多，但受拓扑结构的限制，较难实现采用储能装置与风机自身控制相结合的方法进行功率波动平抑控制。本文针对直流母线具有超级电容储能的DFIG(SCESS-DFIG)发电系统，展开了输出功率波动平抑控制的研究。提出一种将超级电容储能与变桨控制相结合的风电输出功率波动平抑控制策略。该控制策略通过利用超级电容储能系统以及变桨控制协调工作，调节SCESS-DFIG发电系统输出功率，使其满足并网规定要求；采用超级电容电压反馈，调节SCESS-DFIG发电系统瞬时输出功率，使每台机组超级电容的电压值更趋近于合理电压范围；通过减载变桨控制，增加了SCESS-DFIG发电系统功率波动平抑时间尺度；通过不同风速下SCESS-DFIG发电系统的变流器功率分析，对超级电容瞬时吐纳功率进行限制，以防止网侧变流器功率饱和。本文利用MATLAB/Simulink搭建了由3台SCESS-DFIG发电系统组成的小型风电场模型。通过在它们具有相同额定参数、不同风速曲线给定、不同的超级电容初始电压的运行状态下的模拟，验证提出的控制策略的有效性。

1 SCESS-DFIG发电系统

1.1 SCESS-DFIG发电系统的拓扑结构及变流器功率分析

SCESS-DFIG发电系统的拓扑结构如图1所示，其直接将储能单元输出端口通过DC-DC变流器连接至DFIG背靠背变流器中的直流母线上，构成了储能、发电一体化系统。这种拓扑便于采集单机配置超级电容电压作为储能与变桨协调控制的参考量；该拓扑通过共用网侧变流器(GSC)节省了成本，降低了储能系统变流器故障对于发电系统功率辅助调节能力的影响，不需要额外的占地面积，减少了所需线缆的费用，在经济性和安全可靠性方面具有优势。

SCESS-DFIG发电系统中的功率关系如图2所示。在加入超级电容储能单元后，转子侧变流器(RSC)与网侧变流器可以不再保持功率平衡，此时的功率关系如式(1)所示。

PDFIG_SCg-PDFIG_SCr=Psmo

(1)

其中，PDFIG_SCr为SCESS-DFIG发电系统转子侧变流器流动功率；PDFIG_SCg为SCESS-DFIG发电系统网侧变流器流动功率；Psmo为SCESS-DFIG发电系统超级电容平抑功率波动的瞬时吐纳功率。

图2 SCESS-DFIG发电系统转子侧变流器功率关系Fig.2 Power relationship of SCESS-DFIG power generation system rotor-side converter

SCESS-DFIG发电系统瞬时输出功率PSCESS_DFIG的范围为：

k1PDFIG

(2)

其中，k1=1-|(ωs-ωm_min)/ωs|+(ωs-ωm)/ωs，k2=1+|(ωs-ωm)/ωs|+(ωs-ωm)/ωs，ωs为电网角速度，ωm为转子转动的电角速度，ωm_min为SCESS-DFIG发电系统最低转速。

1.2 不同转速下SCESS-DFIG发电系统的输出功率

DFIG与SCESS-DFIG发电系统输出功率、转子转速、桨距角随风速变化情况如图3所示,图中PN为DFIG额定功率。不同风速下DFIG有功参考指令PDFIG可由风力机转子转动的电角速度ωm计算得到，如式(3)所示。

(3)

其中，kopt为最大功率跟踪曲线的比例系数；ω1为切入电角速度；ω2为进入转速恒定区时的电角速度；ω3为进入功率恒定区时的电角速度；ωm_max为ωm的限幅值；PDFIG_max为DFIG输出有功功率的限幅值。

图3 DFIG与SCESS-DFIG发电系统运行状态图Fig.3 Operating state diagram of DFIG and SCESS-DFIG power generation system

(4)

从而得到SCESS-DFIG发电系统瞬时最大的补偿功率Psmo满足式(5)。

(5)

2 SCESS-DFIG发电系统输出功率波动平抑控制策略

2.1 SCESS-DFIG发电系统的功率波动平抑规则及功率补偿范围

国家电网公司在《风电场接入电力系统技术规定》中指出，风电场应具备有功功率调节能力，同时允许风电场接入电力系统时有功功率在一定限值内变化，本文将允许功率波动的幅度设置为ΔP(ΔP=δNPN,其中δ为瞬时允许波动功率与DFIG额定功率之比)，如表1所示。

表1 风电场有功功率调节能力要求Table 1 Requirement for active power regulation of wind farm

对于1 min尺度内，设定风电场N台风力发电机输出总功率的目标值Ptotal为：

(6)

此时风电场目标输出功率的标幺值aobj为：

(7)

经过一个采样间隔Δt后，风电场输出总功率Ptotal_1为：

(8)

实时风电场输出功率的标幺值breal为：

(9)

由式(7)、(9)可知，储能系统平抑功率范围Ptotal_smo为：

(-δ+aobj-breal)NPN≤Ptotal_smo≤(δ+aobj-breal)NPN

(10)

对于每一个SCESS-DFIG发电系统而言，其瞬时的补偿功率为：

(-δ+aobj-breal)PN≤Psmo≤(δ+aobj-breal)PN

(11)

2.2 计及超级电容容量利用率的平滑功率控制策略

超级电容在容量设计时，不仅要考虑当风速降低时的功率补偿，也要考虑到风速突增时吸收功率的情况。因此，超级电容在一定的容量下，需要面对不同工况的功率平滑需求。通过式(12)可以确定优化目标电压值Vsc_opt，使超级电容充放电容量空间裕度相同。系统运行过程中，期望通过调整补偿功率的方式，使得超级电容电压Vsc更趋近于Vsc_opt。

(12)

其中，Csc为超级电容容量。

不同风速工况下及实时状态下，SCESS-DFIG发电系统的运行转速不同，其超级电容的电压状态亦有所不同。如图4(a)、(b)及式(13)所示可以分别对瞬时功率是否超出表1规定进行讨论。

(13)

图4 超级电容输出功率规则Fig.4 Output power rule of super-capacitor

由式(13)及图4(a)可知，如果SCESS-DFIG发电系统瞬时输出功率在规定范围内，当超级电容电压在[Vsc_down,Vsc_up]之间时，可认为超级电容充放电容量适当，超级电容不进行功率调节。当超级电容的电压处于较低区域[Vsc_min,Vsc_down)时，SCESS-DFIG发电系统输出功率应趋近于(aobj-δ)PN；当超级电容电压处于较高区域(Vsc_up,Vsc_max]时，DFIG输出功率应趋近于(aobj+δ)PN，通过控制SCESS-DFIG发电系统的输出功率，在满足表1所示的功率输出范围规定的前提下使超级电容电压趋近于Vsc_opt。由图4(b)可知，如果SCESS-DFIG发电系统瞬时输出功率超出规定范围，超级电容需要吸收或补偿双馈发电机输出功率使其最终输出功率满足规定要求。当超级电容电压处于(Vsc_up,Vsc_max]时，SCESS-DFIG输出功率为(aobj+δ)PN；当超级电容电压处于[Vsc_down,Vsc_up] 时，SCESS-DFIG输出功率瞬时输出功率为aobjPN；当超级电容电压处于[Vsc_min,Vsc_down)时，SCESS-DFIG输出功率为(aobj-δ)PN。

2.3 基于变桨减载的SCESS-DFIG发电系统输出功率波动平抑控制策略

2.3.1 变桨距角的减载控制策略

对于超短时间尺度的功率波动，可以通过超级电容及直流变流器功率控制，平滑风机输出功率，以满足规定要求。但当功率长时间单趋势波动或风速大幅度变化时，超级电容需要与变桨系统通过协调控制，达到平滑输出功率的目的。

SCESS-DFIG发电系统变桨系统的控制框图如图5所示。桨距角β与最大风能跟踪曲线比例系数kopt及叶尖速比λ之间的数学关系为：

(14)

其中，ρ为空气密度，取1.122 5 kg/m3；R为桨叶半径。

图5 传统桨距角控制框图Fig.5 Control block diagram of conventional pitch angle

在上述传统功率控制策略下，变速风电机组遵循最大功率跟踪控制指令向电网输送功率。当超级电容调节SCESS-DFIG发电系统功率使电压达到电压阀值时，SCESS-DFIG发电系统无法提供额外的功率帮助超级电容电压恢复以及平抑输出功率波动。

图8 变桨及超级电容协调控制框图Fig.8 Coordinated control block diagram of variable pitch and super-capacitor

本文通过减载控制，配置SCESS-DFIG发电系统桨距角裕度，提供额外的功率维持超级电容电压以及平抑波动功率。为得到风能利用系数Cp与桨距角β的直接关系，首先通过式(14)得到Cp-λ-β之间的关系，如图6所示。同时：

∂Cp/∂λ=0

(15)

图6 Cp-λ-β特性曲线Fig.6 Characteristic curves of Cp-λ-β

故可以求得最大风能利用系数的最优叶尖速比λopt=6.87，进而求得在λopt下不同桨距角所对应的风能利用系数Cp。通过数据拟合，得到Cp-β之间的线性关系如图7所示。通过拟合曲线的对比，将Cp-β拟合为二阶方程如式(16)所示，更贴近实际曲线。

Cp=-(0.022 36β-0.628 4)2+0.835

(16)

若风机减载10%运行，Cp=0.44×(1-10%)=0.396,β应留有1.528°的余量。

图7 最优叶尖速比下风能利用系数Cp与桨距角β之间的拟合曲线Fig.7 Fitting curve of Cp and β under optimal tip speed ratio

2.3.2 变桨及超级电容协调控制策略

变桨及超级电容协调控制策略如图8所示，当超级电容电压在[Vsc_min,Vsc_max]范围内时，根据风电场目标输出功率aobj与实时输出功率breal、允许瞬时功率波动容量比例δ以及瞬时超级电容电压VSC，通过式(13)及变流器输出限制式(5)得到瞬时补偿功率Psmo。当超级电容电压低于Vsc_down2或者高于Vsc_up2时，设置S1=1启动变桨距角控制策略，通过变桨距角平抑功率。通过式(3)、(14)、(16)可以得到桨距角所需调整的补偿角度Δβ，作为桨距角控制的补偿量。变桨及超级电容协调控制平抑风电功率的流程图如附录A所示。

3 仿真分析

本文采用MATLAB/Simulink搭建了SCESS-DFIG发电系统发电机、直流变换及超级电容仿真模型，如附录B中图B1所示。为了验证本文协调控制策略的有效性，仿真中选取3台具有相同额定电气参数的SCESS-DFIG发电系统，其电气参数如附录B中表B1所示，以模拟风电场中不同位置的风力发电机。

每台机组采用基本风、阵风、渐变风和随机风叠加的风速模型作为不同的风速给定，如附录C中图C1所示。可见，1号SCESS-DFIG发电系统的风速曲线在2 s时有一个3 m/s的向下阶跃，之后匀速恢复到起始风速；2号SCESS-DFIG发电系统风速曲线呈上升趋势；3号SCESS-DFIG发电系统风速曲线变化较为平稳。

仿真中设定风电场期望总输出功率为2 MW，风电场装机容量为7.5 MW，为了能够使该控制策略适用于更高容量的风电场，按照《风电场接入电力系统技术规定》，选择波动功率幅值为装机容量的1/10(即0.75 MW)，因此设定风电场瞬时输出功率的下限为1.25 MW、上限为2.75 MW时满足要求。

本文分别采用无功率波动抑制策略(策略1)、文献[16]波动功率抑制策略(策略2)及本文控制策略(策略3)，对风电场输出功率平滑效果进行了比较，功率平抑前后风电场总输出功率对比如图9所示。可见，当DFIG不具有超级电容平滑功率时，风电场总输出功率最大达到4.8 MW，超过了输出功率上限2.75 MW，因此不能满足规则要求，证明3台机组在给定风速工况下，需要抑制功率波动才能符合规则要求；当SCESS-DFIG发电系统利用文献[16]控制策略时，风电场总输出功率被限制在了1.25～2.75 MW之间，符合《风电场接入电力系统技术规定》要求；本文所提控制策略下，当风电场风速大幅度变化时，可以很好地平抑风电场功率，具有比文献[16]更宽的平抑功率波动的时间尺度。

图9 功率平抑前后风电场总输出功率对比Fig.9 Comparison of total output power of wind farm before and after smoothing

附录C中图C2为SCESS-DFIG发电系统无储能功率波动平抑控制和采用文献[16]功率平滑控制策略以及采用本文所提控制策略下，1号、2号、3号单机输出功率对比曲线。

图10为本文控制策略下SCESS-DFIG发电系统所配置的超级电容在平抑功率波动过程中的输出功率曲线。可见，平滑输出功率时，仿真初始阶段总输出功率平滑效果较好，但当超级电容电压越限退出功率平滑后，总输出功率超过了规则要求。附录C中图C3为3台SCESS-DFIG发电系统桨距角变化曲线。可见，由于3号SCESS-DFIG发电系统所配置的超级电容在仿真起始阶段处于低电压范围，因此变桨系统进行变桨控制此时桨距角为0°；当其超级电容电压恢复至300 V进入次低电压区域时，变桨系统恢复减载控制，桨距角恢复至1.58°。

图10 超级电容输出功率对比Fig.10 Comparison of output power among super-capacitors

图11 超级电容工作电压曲线Fig.11 Operating voltage curves of super-capacitors

图11为当采用本文控制策略与文献[16]所提控制策略时，超级电容在初始电压相同的条件下电压曲线对比图。由图10及图11可知，由于起始阶段1号及3号超级电容电压处于次低电压状态，因此其吸收能量高于2号超级电容电压值，并达到380 V(最优电压区间内)。2～4 s期间，当风电场总输出功率在限定范围内时，1号、2号超级电容电压在最优电压区间，因此超级电容与电网不进行能量交换。相比之下，3号超级电容此时处于次低电压区域，直流变流器调节吐纳功率，使超级电容电压趋向于最优电压区间，证明本文所提控制策略具有根据超级电容电压调节吐纳功率的功能。当2号超级电容电压超过420 V进入次高电压区间后，直流控制器根据超级电容电压调节平抑功率，其吸收能量低于1号机组储能系统(如图10所示)。仿真临近结束阶段，在无功率波动平抑控制下风电场输出功率超过了2.75 MW(风电场输出功率上限)，此时3台超级电容都处于次高电压区域，因此风电场平滑后输出功率临近规定范围允许上限。由图11(a)可以看出，本文提出的控制策略与文献[16]控制策略相比，其电压曲线更趋近于最优电压范围，同时超级电容的电压波动幅度低于文献[16]所提控制策略下超级电容电压波动幅度。对比图11(b)、(c)电压曲线可见，当初始电压相同时，文献[16]控制策略下电压更容易达到了电压限值，限制了功率波动平抑的时间尺度，而本文所提控制策略下超级电容的电压依然有较大的充放电裕度，证明本文控制策略在平抑风电场输出功率波动符合规范要求的基础上，优化了超级电容的能量利用率，使得风电机组具有了更宽的功率波动平抑尺度。

4 结论

本文采用DFIG转子侧变流器、DC-DC变流器及超级电容储能单元构成的SCESS-DFIG发电系统拓扑结构，分析了该发电系统的功率关系，以《风电场接入电力系统技术规定》为标准，利用超级电容电压反馈作为调节参量，将DFIG单机配置超级电容功率控制与其变桨控制相结合，提出了一种新的适用于风电场的功率波动平抑策略。利用超级电容对于风电短时间尺度、大幅值的功率波动进行平抑，同时通过减载变桨距角控制，优化了超级电容的能量管理，增加了发电机组功率平抑控制的时间尺度。通过搭建由3台SCESS-DFIG发电系统组成的小型风电场仿真模型，将本文提出的控制策略与文献[16]的控制策略进行对比验证，仿真结果表明本文所提控制策略在满足风电场整体输出功率要求的基础上，能使得单机配置的超级电容电压曲线更趋近于合理电压范围，拓宽了功率波动平抑的时间尺度。

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