风力机与储能系统协调控制降低风电波动

风力机与储能系统协调控制降低风电波动

1王新泽2张巍

1国家电投内蒙古察哈尔新能源有限公司012299

2国家电投内蒙古霍煤鸿骏铝电公司电力分公司029200

摘要:风电高度依赖于风速，由于风速变化很大，因此会给电力系统带来严重的稳定性问题。为减小ESS的成本和风电功率波动，提出了一种浆距角与ESS协调控制的方法，根据转速的大小，进行浆距角控制和ESS控制，在减小电网测风电波动的同时，能降低ESS的容量。在Matlab环境下，搭建了风电系统模型，仿真结果表明，与传统ESS控制相比，功率波动下降了5.6%，ESS容量降低了50%，证明了该控制策略在降低功率波动方面的有效性。

关键词:风电波动;浆距角控制;ESS控制

引言

随着传统能源的逐渐枯竭和其对环境的污染，使风能等可再生清洁能源得到广泛运用，但其自身发电的不稳定性会为电力系统的安全稳定运行带来困扰。本文提出了一种风机和ESS的协调控制方法，可有效地减小风速突然变化时的风电波动。根据风速变化，改变风轮机浆距角，从而改变转速，使转子转速始终在一个很小的范围内变化，可以提高电网的可靠性。在这个转速变化范围内，ESS独立工作调节功率波动，有效降低了ESS的容量，同时，经验证分析，该方法调节功率波动效果较为理想。

1风电功率特性

图1描述了不同风速下的WP(WindPower)曲线，WP随风速的增加而增加。风机的有功功率能被控制，不同速度的风机能改变运行方式。当电网频率出现偏差时，不同风速下的风机通过调节其发电水平抑制电力系统的频率偏差。笔者所提控制方式与最大功率点追踪的控制方式不同，有功功率控制在风机运行在低载区时得以实现，即使降低功率有一定的缺点，但WP可根据电网需求灵活调整。此外，通过突出低负载区的优势，引入一种新的策略，即使用WT和ESS的混合生成减小WP的波动。、

图1风电功率与转速、风速的关系

图1同时还给出了不同风速下的功率与转子转速的关系。从图1可以看出，与其他运行区域相比，较高的转子转速或最大功率点运行方式比较低的转子转速区域的功率波动小。因此，当发生较大的风向变化时，在较低的转子转速范围下运行效果更好，所以笔者提出了一种变桨距控制转速，使转速在较低的速度下运行。采用这种控制方案，可以减轻ESS的负担，使ESS成功管理荷电状态aSOC，避免aSOC极端值的出现，延长了ESS的寿命，同时减小了ESS的容量，节约了成本。

2风速模型和控制原理及策略

2.1风速模型

为搭建仿真模型，验证笔者所提方法的正确性，风速模型是该控制系统必不可少的一个环节。笔者为验证所提的控制策略的有效性所选择的风速模型为

v=(t－10)2(1)

2.2浆距角转速控制

变桨距控制，可通过桨距角调节风能利用率，进而调节转子转速。

h=(Kpφ(ωm－ωref)－h)/Tp(2)

其中h为桨距角;ωref为转速参考值;Kp为浆距角控制的增益;Tp为桨距角控制的时间常数;φ为定义一个函数跟踪桨距角的变化以判断桨距角控制系统是否运行。通过转速调节桨距角，使转速在期望值附近，通过降低转速减小功率波动。图2为桨距角控制系统。当测量的转速变化量超过Δω时，桨距角控制系统开始运行，该控制系统的结构框图如图3所示。

图2桨距角控制系统图3浆距角控制结构图

2.3ESS控制

笔者采用半桥型双向DC/DC变换器作为储能装置与电网能量传递的桥梁，通过控制S1和S2的导通和关断实现电池的充电和放电。系统主要根据负荷用电量、机组发电量和蓄电池中剩余能量对储能系统进行合理的充放电控制，从而满足负荷用电量的要求。设P是负载需要的功率，P是风机发出的功率，P是常规机组发出的功率，ΔP=Pref－Pw－P。由于蓄电池的充放电功率受电池中剩余容量的限制，控制策略可分为以下4种情况:当ΔP＜0，BamaxU＜U时，对蓄电池充电;当ΔP＞0，Bamin＞U时，控制蓄电池放电;当ΔP＞0，BaminU≤U时，此时负荷用电量较大，而蓄电池剩余电量较小，要向负荷发出有效的警告;当ΔP＜0，Bamax≥U时，此时负载用电量较小，而蓄电池的电量已经达到最大，需要根据负载的用电量控制风机的发电功率。以上4种情况在整个系统运行过程中是相互转化的，图4为双向变流器控制原理图。

图4双向变流器控制原理图

3系统仿真及运行结果

3.1系统的SIMULINK仿真

为验证笔者提出的控制方法的性能，用Matlab/Simulink搭建了系统的仿真模型。该模型主要包括风速、风轮机、双馈感应发电机、机侧变流器、网测变流器、三相电网、储能及其控制系统模型以及上文提到的控制方法。仿真所用电网、电机、蓄电池、变流器参数设置如下:三相电网电压为220V，频率为50Hz，电网电感和电阻为默认值，转子电阻0.08Ω，定子电阻0.005Ω，定子电感0.2mH，转子自感2mH，定转子间互感3mH，极对数3。蓄电池容量10A·h，额定电压600V，初始荷电状态0.5。直流母线电容值0.002F，双向DC/DC变流器，电感1mH，电容100μF。

3.2仿真结果分析

基于Matlab/Simulink软件对系统进行了仿真研究，主要对风电功率随时间变化的规律，电网侧的功率随时间的变化关系，以及蓄电池的SOC进行了仿真分析。从仿真结果可看出，风力发电机有功功率值较小，电网侧功率波动整体较小。与单独使用ESS控制相比，网测功率波动下降5.6%。与蓄电池的单独考虑相比，既节约了成本，又能很好地管理aSOC，使蓄电池使用寿命延长。笔者所提出的控制策略虽然降低了风能利用率，但却减少了储能系统的容量，降低了成本。鉴于风力发电的出力不足，可通过常规发电机增加出力，满足负荷的需求。

结语

风能作为一种清洁能源，有效地应用于发电领域，风能发电的特点，使其并入电网后产生功率波动问题，为减小功率波动，前人从很多方向做了不同的研究，如对并网的变流器进行控制，该方法需要进行坐标变换，公式繁琐。储能系统因其良好的储流能力被广泛应用于新能源发电并网系统中，利用储能系统的储流能力进行功率的暂时存储与输出，使系统的有功功率平衡，频率维持稳定，传统的ESS容量大，成本较高。笔者所采取的变桨距角和ESS结合的控制策略实现了网测功率的低波动，有效的减小了对电网电能质量的影响，同时减小了蓄电池容量，提高了蓄电池的利用率，减少了投资成本，通过对SOC的管理，延长了蓄电池的使用寿命。不足的是风机的风能利用率有所降低，可以采取风光联合发电弥补对风能利用率降低的影响。

参考文献:

［1］唐西胜，苗福丰，齐智平.风力发电的调频技术研究综述［J］.中国电机工程学报，2014，34(25):20-30.

［2］李晶.变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制策略的研究［D］.北京:华北电力大学电气与电子工程学院，2004.

［3］张雪，王维庆，王海云.考虑风切和塔影效应的风力机风速模型［J］.电测与仪表，2015，52(8):56-60.