用于平抑风电波动的飞轮储能阵列容量配置方法

仵华南，张鹏，王国成，于明双 ,李洋涛

(山东中实易通集团有限公司 ，山东 济南 250003)

0 引 言

近年来，随着全球气候的变化，我国的能源结构也在不断改变，风力发电作为一种可再生能源被大力发展，但由于风的随机性，导致风电场出力波动和电能质量下降，储能系统其短时快速吸收或释放电量的能力成为了解决此问题的有效手段。目前提出的可行的储能措施包括飞轮储能系统(flywheel energy storage system，FESS)[1]、电池储能系统[2]、压缩空气储能系统[3]、超级电容储能系统[4]等。FESS本身充放电循环次数大，快速响应和环境友好性等特点使其成为风力发电领域的理想选择。根据FESS的自身特性，得到其充放电指令，被广泛接受的方法包括一些滤波算法[5]、鲁棒控制[6]和模型预测控制[7]，然而，在一个模型中同时兼顾FESS平滑性能、投资成本、控制性能荷电状态(state of charge,SOC)，以及储能系统的充放电利用率却很少被考虑到。

本文采用FESS对风电场输出功率波动进行平抑：首先,建立了飞轮储能单元模型以及阵列模型，对其动态特性进行了仿真分析，估算了储能单元的初始投资成本；然后，基于低通滤波方法，在考虑储能充放电效率以及荷电状态的条件下对其容量配置计算进行了研究，针对充放电效率影响引发的容量配置过大的问题，提出了一种储能电量调节控制策略和容量配置方法，通过调整系统充放电功率指令，减少所需的储能单元，增大系统的利用率并降低初始投资成本；最后，结合储能单元模型、阵列控制器和山东某35 MW装机容量的风电场历史运行数据，对飞轮储能阵列的容量配置方法和平抑效果进行了仿真验证。

1 飞轮储能阵列

本文飞轮储能阵列以集中接入且采用交流母线并联的方式，不考虑与风机之间的配合控制，由飞轮本体、电机、变换器组成模块化飞轮储能单元。运行中首先经由功率分配控制器，得到飞轮阵列的参考输入功率pf，再经上层阵列控制器，得到nf个飞轮储能单元的充放电功率指令[Pf(1),…,Pf(d),…,Pf(nf)]，飞轮储能单元将输出功率PFESS进行补偿。

1.1 飞轮储能单元控制模型介绍

某公司250 kW/50(kW·h)飞轮储能单元采用异步电机和合金钢飞轮转子，由于其转速范围较宽，在电机侧采用转子磁场定向的矢量控制方式，以电流闭环控制作为控制内环，按转子磁链定向同步旋转坐标系下，交流异步电机模型[8]如下：

G2=Lm/Lr;

ω、ω1—转子和定子的电角速度；

usd、usq、isd、isq—电机电压与电流的d、q轴分量；

φr—转子磁链；

Rr、Rs—转子和定子绕组电阻；

Lr、Ls—转子和定子等效两相绕组自感；

Lm—定子与转子同轴等效绕组间互感。

基于式(1)对定子电压之间的交叉耦合分量引入反馈电压进行补偿，功率控制部分采用功率转换为转矩的控制策略，并且考虑到磁链动态与d轴电流之间的关系，φr和isq采用级联形式。

网侧部分，首先假设直流母线电压稳定，对电网侧变流器采用电网电压定向矢量控制的方式，取d轴为电压矢量位置，其与电网之间交换的有功功率P与无功功率Q的状态方程如下：

式中：ud、uq、isd、isq—网侧电压与电流的d、q轴分量；

eg—电网电压矢量幅值；

ωg—电网电气角频率；

L，R—滤波电感值及其等效电阻，对于其耦合量同样采用反馈电压的形式补偿。

为了保持直流母线电压的稳定，在原电机控制的基础上引入母线电压的闭环控制，将其输出补偿在电机侧q轴电流参考值之上。

1.2 飞轮储能阵列控制策略和模型仿真验证

以各储能单元可充放电量占总储能系统可充放电量的比值进行功率分配，基本原则为充电时转速越低的飞轮储能单元分得的功率越多，转速越高的分得的越少，放电时相反。当某单元分配功率达到最大值时，将超额参考功率分量分配到其他单元，各单元基本分配功率如式(3)所示：

式中：Pf—储能系统总参考输入功率;

Ec(d),Ef(d)—第d个飞轮储能单元当前可充、放电量。

采用MATLAB/Simulink建立模型，由4台飞轮单元组成1 MW/200(kW·h)飞轮储能阵列，其主要参数见表1。

表1 飞轮储能单元模型主要参数

在参考信号达到1 MW时，4个飞轮储能单元都以额定功率运行。在参考信号未达到额定功率的时候，转速较高的飞轮储能单元相比较于转速较低的飞轮储能单元能够释放更多的电量，而吸收的电量较少。在10 min的工作时间中，4个飞轮储能单元的状态逐渐趋于一致，由此，验证了本文飞轮储能模型的有效性。飞轮储能单元的成本在2.26元/W[32.45元/(W·h)][9]，再结合变流器费用(1.08元/W)以及相关辅助设施的费用(0.18元/W)[10]，得到此飞轮储能单元的初始投资成本在193.5万元。

给定参考功率pref时，4个飞轮储能单元输出功率与当前转速如图1所示。

图1 飞轮储能单元动态性能

2 飞轮储能阵列容量配置方法

2.1 飞轮储能阵列的功率分配策略

本文基于低通滤波的方法得到储能阵列的充放电功率指令。风电系统输出功率pw(k)作为输入，风加储理想输出功率pl(k)作为输出，可以得到：

(4)

pf(k)=-pw(k)+pl(k)

(5)

式中：τ=RC,系统的时间常数;

2.2 基于电量调节控制策略的飞轮储能阵列容量配置方法

本文设计了对网侧功率的控制结构，经由低通滤波器分配得到的功率视为本文储能单元的额定功率，再考虑到储能阵列的充放电效率以及SOC，储能充放电需求电量Ef计算公式为

(6)

(7)

式中：n=[1,2,…N]，N为采样数据的个数；

pf[n]—飞轮储能单元充放电功率；

ηd—放电效率;

ηc—充电效率；

Smax，Smin—储能SOC上下限值；

fs—采样频率;

Sref—储能阵列初始SOC；

Erated,f—配置的储能电量。

考虑到投资成本，本文储能配比的目标以最大配比为风电装机容量的20%为基础，最大程度平抑风力发电输出功率。在此过程中，根据式(6)可知，由于储能阵列在充放电过程中的损耗，造成储能阵列实际放电电量普遍大于充电电量，而飞轮储能阵列属于功率型储能设施，其容量相对较低，其可持续放电的时间较短，基于低通滤波的方法提出一种协同优化控制的电量调节控制策略进行平抑。由2.1节的分析可知，在经由低通滤波器后得到的功率指令会对整个时间段进行补偿，但是对于部分时间段，本身已满足并网标准，无需进行补偿，由此可根据当前储能阵列的充放电功率指令pf(k)以及1 min级的并网要求对充放电指令进行一次调节，得到当前储能阵列的充放电功率指令，pf(k1)基本关系如式(8)所示：

(8)

经一次调节之后，可使储能充放电时间减小，但由于依旧受到充放效率以及飞轮储能自身能量特性的影响，储能阵列整体充放电状态依旧呈现为放电，所以考虑引入二次调节，得到当前储能阵列的充放电功率指令pf(k2)，在储能未参与调节的时间段中对储能阵列分配一定值的充电指令ε(ε<0)以补偿部分受充放电效率影响而损失的电量，但若未调节前的放电指令(pf(k)>0)此时在一定区间内pf(k2)>0时，|pw(k)-pl(k-1)|>|pl(k)-pl(k-1)|，即引入储能使得功率波动减小；pf(k2)<0时，|pw(k)-pl(k-1)|<|pl(k)-pl(k-1)|，即引入储能使得功率波动增大，而ε<0，因此只对充电指令(pf(k)≤0)时的情况进行调节，从而得到一种电量调节控制策略用于调整充放电功率指令，如式(9)所示：

(9)

根据式(6)—(9)，本文在提出的电量调节控制策略基础上，发展了一种飞轮储能阵列容量配置方法，通过调整系统充放电功率指令，减少储能单元数量，增大储能利用率，降低初始投资成本。

3 实例分析

本文数据采集于山东某35 MW风电场SCADA系统，采样时间34 s，其典型日有功功率的输出如图2中pw曲线所示，最大值和最小值分别为35.18 MW和0.27 MW，其中1 min最大波动率为18.51%，10 min最大波动率44.03%。首先，对数据进行频谱分析，确定低通滤波器的截止频率的大致范围。由图3可以看出随着频率的不断增大，其幅值呈现快速下降的趋势，约在0.005 Hz之后，幅值保持在同一数量等级，由此选择初始截至频率0.005 Hz。

图2 储能阵列补偿前后的风电并网功率曲线

图3 风力发电输出功率幅频特性曲线

通过计算不同的低通滤波器截止频率时，风加储系统并网功率波动率的变化，以及储能功率配比如图4所示，在截止频率不高于0.000 7 Hz时，方可满足风电场接入电力系统的标准，而随着截止频率的降低，储能的功率配比也相应地增大，在0.000 44 Hz时，储能功率配置达到20%风电场装机容量，经此分析，低通滤波器截止频率应当选择在0.000 44～0.000 7 Hz之间。

图4 低通滤波器截止频率与储能功率配比、风-储并网功率波动率关系曲线

选择低通滤波器截止频率为0.000 7 Hz进行仿真计算，本文中飞轮储能单元的状态设定的放电深度分别为5%～95%，初始SOC为50%，放电效率为90%，充电效率为90%。若根据功率指令计算所需配置的储能单元数量，则选择24台即可满足最大功率需求，继而根据储能阵列的功率指令计算得到储能阵列电量需求变化Ef，如图5所示，其中，正数表示此时间段最终表现为放电，负数表示此时间段最终表现为充电，电量变化最大差值为3.954 5(MW·h)，计算储能阵列额定容量为8.518 6(W·h)；因此，需要171台容量为250(kW·h)的飞轮储能单元，初始投资成本为33088.5万元。

图5 引入电量调节控制策略前后飞轮储能充放电电量对比

根据提出的电量调节控制策略，对储能阵列的充放电功率指令进行调整。充电功率指令(ε≤0)的取值与储能配置额定容量之间的关系如图6所示。在ε =-0.097 MW时，配置的储能阵列容量达到最低1.291 4(MW·h)。以此值进行充放电功率指令调整后，只需配置27台飞轮储能单元，整体配置依旧在风电场装机容量20%(28台)以下。由此选择27台飞轮单元的储能阵列配置，组成6.75 MW/1.35(MW·h)的飞轮储能阵列，其初始投资成本仅1 986万元，大幅少于由171台飞轮储能单元组成的飞轮阵列的初始投资成本(33 088.5万元)。

图6 充电功率指令ε与飞轮储能阵列额定容量之间的关系

如图7所示，对于单位采样时间内，波动幅值较小的数值，储能阵列的放电功率切换为0，充电功率指令切换为-0.097 MW，而波动较大的风电有功功率输出，依旧能够有效补偿。由此，通过调整系统充放电功率指令，不但对与波动较大的风电输出功率进行了补偿，而且大量减小了飞轮储能阵列的充放电切换时间，从而减小了飞轮储能阵列的循环次数，延长了储能阵列的使用寿命。

图7 飞轮储能阵列充放电功率

4 结 论

1)建立了飞轮储能单元以及阵列控制模型，对其快速充放电切换控制的功率动态特性进行了分析，对阵列控制其功率分配方法进行了验证。

2)基于低通滤波器，在考虑SOC以及充放电效率的情况下基于一种电量调整控制策略，提出了一种飞轮储能阵列容量配置的方法。

3)通过所建立的仿真模型，对提出的理论进行了验证，在满足风电并网标准以及20%装机容量的基础上，通过调整系统充放电功率指令，成功减小了飞轮储能阵列中的储能单元数量，实现了储能阵列利用率的增大并降低了初始投资成本。