基于恒功率控制的风电场储能系统研究

张冠锋，朱钰，王刚，戈阳阳，李胜辉

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110003)

0 引言

风力发电作为新能源发电中的一种，近几年得到了迅猛的发展。2012年新增总装机容量约为1 296万千瓦，至2012年底总装机容量达到7 532.4万千瓦。风能作为绿色可再生能源，其随机性和间歇性特点，导致风力发电机组的输出有功和无功波动较大，影响电网稳定，并网困难问题依然严重。2012年风电“弃风”超过200亿kWh，极大的降低了风电场的运行效益。

由于电池储能系统具有惯性时间常数小，反应迅速的特点，通过控制，能够使储能系统快速地对电网吸收或释放有功、无功功率。根据风电场的容量和不同的风速状况，在风电集中地区配备一定容量的储能系统，能够减小风电场输出功率波动，增强其自我调节能力。

储能装置与风力发电结合的方式很多，文献［1-2］归纳储能系统在风力发电系统中的主要作用有:平稳风电场输出到电网的有功功率，提高电能质量，增强电力系统稳定性和抗故障能力。根据不同的目的和应用场合，储能系统的结构形式各不相同。文献［3］采用基于平滑控制的超级电容与电池混合储能系统的能量管理方法，能够很好地补偿可再生能源输出功率波动的高频分量与中低频分量，但是由于系统中运用了DC-DC双向变换器，增加了投资成本和控制的复杂程度。文献［4-5］将储能设备设置在风机并网的全功率变换器直流母线上，对储能系统分别采用基于规则控制(Rule-based control)和最优控制(Optimal control)，使风机并网输出达到稳定值，但是存在过于复杂模型难以设计出实用的控制策略的问题。

本文结合实际工程应用，采用储能系统与风电场并联的集中接入方式，设计了风电场储能系统的实用模型，对储能系统采用DC-AC的控制方法，研究了DC-AC恒功率控制原理及控制方式，并给出储能系统对风电场功率调节的仿真验证结果，验证了该模型的准确性及控制策略的可行性。

1 风力发电与储能装置结合系统

目前在电力系统中应用的规模相对较大的储能方式主要有抽水蓄能、飞轮储能、超导储能、钠硫电池、钒氧化还原液流电池(VRB)、大容量锂电池、锌溴电池等。

抽水蓄能以其容量大，成本低等优势，在电力系统中已被广泛使用，主要用作电力系统削峰填谷。纯抽水蓄能与电池类储能方式相比，其反应时间常数较大，效率较低，综合效率大约在70%-80%左右，电站建设受地理条件限制较大。

在电池类储能方式中，钒流体电池清洁安全无污染，使用寿命长，便于扩容;钠硫电池能量和功率密度大、效率高、维护方便;以磷酸铁锂为代表的锂离子电池，原料来源丰富，具有高能量密度、快速充放电等特点。作为大规模的储能应用，虽然目前成本都较高，但这三种方式都具有乐观的前景［6］。系统模型中选取全钒液流电池为例进行分析。

储能装置与风力发电结合结构如图1所示。风机经AC-DCAC实现并网，储能装置并联在风机并网的交流母线上。储能系统主要由二部分组成:储能单元、DC-AC变换器。

图1 储能系统与风力发电系统

2 全钒液流电池模型

全钒液流电池(Vanadium Redox Battery，简称VRB)主要结构是由两个分别装有正负两种不同的电解液罐和电池单元(电堆)组成，利用循环泵使电解液进入电池反应堆，电解液活性物质在电极内发生氧化还原反应，在电池单元内部使用离子交换膜将阴极和阳极分开。电池进行充电时(Icharge＞0)，VO2+在正电极被氧化，同时释放出电子，电子通过正极板传到外电路，而V3+则从外电路得到电子，并且在负电极表面被还原为V2+。同理，电池进行放电时(Idischarge＞0)，正负极溶液在电极表面发生如上反应的逆过程，H+从负极迁移回正极，其工作原理如图2所示［7-8］。

为了能够反映出VRB的动态响应特性、输入输出的伏安特性，且能够反应风电场与储能系统功率互补过程，本文采用VRB简化等效电路如图3所示。

电池的内阻可分为由内部损耗等效的Rrea和 Rres;外部损耗等效的 Rfixed与 Ipump;堆栈电压等效为受控电压源 Ustack，其大小与 Istack、SOC相关，动态响应能力与Cele相关。

图2 VRB工作原理示意图

图3 液流电池模型

3 储能系统控制模型

对于并网运行的大容量储能系统而言，为了满足平抑风电场输出功率波动的要求，本文采用电网电压定向对交流测电流的有功分量和无功分量进行功率解耦控制，并网模式下的储能系统控制结构示意图如图4所示。

图4 三相桥式逆变器结构

系统电流内环的设计为:

dq0坐标下三相功率表达式为:

设定有功功率P和无功功率Q的参考值，根据电网电压定向原理和式(3)式计算可得到dq轴电流的参考值id=2P/3ud和iq=2Q/3ud，又由于直流电压由有功电流id控制，所以恒功率控制时，直流电压也保持恒定。再由(2)式设计的电流内环，可得到dq轴电压参考值。控制原理如图5所示。

图5 三相DC-AC恒功率控制框图

对储能系统进行单独仿真，设置有功、无功阶跃变化。

从图6可以看出，有功功率目标值阶跃时，由于id的瞬时增加，导致无功功率稍有增加(感性无功)，但迅速恢复给定值。根据电网需要，储能装置还能随时向电网发出一定的无功功率，图7为储能装置输出无功功率。当t=1 s时，储能装置向电网注入无功功率4 Mvar，储能装置的无功功率调节作用使其可替代无功补偿器。

图6 储能系统有功功率控制

图7 控制无功功率

4 储能系统调节风电场功率

储能装置与风力发电结合系统各部分功率流向关系如图1所示。不考虑风电场本地负载的功率，电网、风电机组、储能系统的功率满足:

PBESS为储能装置输出的功率，Pwind为风机输出的功率，Pgrid为电网接收的功率。

PBESS、Pwind输出功率时符号为正，Pgrid输入功率时符号为正。

假设DC-DC和DC-AC变换器的损耗不计，为使风场输送到电网的有功功率保持恒定，储能系统采用PQ解耦控制方式，有功功率目标值为风场输出与电网目标值的差值。

5 平抑波动控制的仿真验证

对如图(1)所示的风电场-无穷大系统的时域仿真在MATLAB环境下进行。液流电池额定功率5 MW，容量10 MWh。风力发电机为双馈风力发电机，额定电压UN=690 V，单台额定容量1.5 MW，由33台并联而成，额定容量49.5 MW，控制效果如图10所示。

由图8可以看出，由于风速变化，风机本身输出到电网的功率波动非常大，加入储能装置后，可较好地改善输出到电网的功率波动情况。当风电机组有功输出大于电网给定功率时，储能装置吸收功率;当风电机组有功输出小于电网给定功率时，储能装置发出有功。

图8 风机、储能系统输出功率和电网吸收功率

图9 风电场一分钟有功功率变化值

图10 风电场十分钟有功功率最大变化值

图9 和图10显示了风电场加入储能系统前后有功功率最大变化情况，补偿前风电场输出有功功率每分钟变化最大值为5.6 MW，而风电场接入电力系统技术规定要求并网容量49.5 MW的风电场每分钟有功功率变化最大为5 MW，超出了规定值，补偿后每分钟有功功率最大变化值降低到2.56 MW，整个平抑过程效果明显;补偿前风电场输出有功功率每十分钟变化最大值为7.44 MW，补偿后降低到6.45 MW，所以也可以看出一定容量的储能系统在长时间段平抑效果不够明显。

6 结束语

在风电场并网侧增加储能系统，并通过DC-AC与风电场并联。由理论分析和仿真结果看出，通过采用DC-AC的恒功率控制的能量管理方法，储能系统能根据情况对电网吸收和释放有功、无功功率，不但能够有效平滑风电场输出有功功率波动，使有功功率最大波动幅值明显减小，还能对电网提供无功支持。

［1］D L YAO，S S CHOI，K J TSENG，et al.A statistical approach to the design of a dispatchable wind power-battery energy storage system［J］.IEEE Trans.Energy Conversion，2009，24(4):916-925.

［2］贾宏新，张宇，王育飞.储能技术在风力发电系统中的应用［J］.可再生能源，2009，27(6):10-15.

［3］张野，郭力，贾宏杰，等.基于平滑控制的混合储能系统能量管理方法［J］.电力系统自动化，2012，36(16):36-41.

［4］SERCAN TELEKE，MESUTEBARAN，SUBHASHISHBHATTACHARYA，et al.Rule-based control of battery energy storage for dispatching intermittent renewable sources［J］.IEEE Trans.Energy Conversion，2010，1(3):117-124.

［5］SERCAN TELEKE，MESUTEBARAN，SUBHASHISHBHATTACHARYA，et al.Optimal control of battery energy storage for wind farm dispatching［J］.IEEE Trans.Energy Conversion，2010，25(3):787-794.

［6］FRANCISCO DĪAZ-GONZ?LEZ，ANDREAS SUMPER，ORIOL GOMISBELLMUNT，et al.A review of energy storage technologies for wind power applications［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16(4):2154-2171.

［7］毕大强，葛宝明，王文亮，等.基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制［J］.电力系统自动化，2010，34(13):72-78.

［8］丁明，陈中，林根德.钒液流电池的建模与充放电控制特性［J］.电力科学与技术学报，2011，26(1):60-66.