风电机组与储能装置的协调平滑控制策略

夏安俊, 乔颖, 鲁宗相, 闵勇, 黄良毅

(1.电力系统国家重点实验室 清华大学电机系,北京 100084;2.海南电网有限责任公司,海南 海口 570203)



风电机组与储能装置的协调平滑控制策略

夏安俊1, 乔颖1, 鲁宗相1, 闵勇1, 黄良毅2

(1.电力系统国家重点实验室 清华大学电机系,北京 100084;2.海南电网有限责任公司,海南 海口 570203)

储能和机组的联合运行可以降低风电出力的波动,然而所需的储能容量太大。为了降低储能装置的容量,提出了一种风电机组与储能装置的协调平滑控制策略。在机组的功率控制中引入了一个低于机组固有频率的低通附加控制环节,利用机组的惯性平抑风电功率的高频分量,而风电功率的中频分量采用储能装置进行补偿控制。机组与储能装置的协调控制能够实现对风电功率的较大范围频率分量的平滑,同时可有效降低储能装置的容量。采用2MW风电系统及0.3MW/0.2MWh ESD模型对控制方法进行了仿真对比研究。仿真结果表明,所提出的控制策略对机组输出的有功功率有较好的平滑效果。

风力发电; 功率平滑; 协调控制; 最优转矩控制; 低通滤波器

0 引 言

风电的波动性和随机性对电网的安全稳定运行产生了较大影响,增加了电网有功平衡和调度的难度,成为制约风电进一步发展的瓶颈。

目前,研究抑制风电有功功率的波动问题已有较多成果,方案可分为两类:1)优化风电机组的控制策略[1-4],采用变桨控制或机组惯性等对有功功率进行平滑控制;2)增加储能设备,如飞轮储能系统[5-7]、静态储能装置[8-11]等。

通过机组控制策略的优化来抑制风电有功功率波动的研究主要集中在转矩控制和变桨控制两个方面。转矩控制主要是采用对机组转矩或有功功率指令进行低通滤波的方法[12-13]或使机组输出的有功功率跟踪给定的平滑功率曲线的方法[14-15]来降低由风速引起的机组有功功率的波动。该方法使机组的转速波动增大,当风速变化幅度较大时可能使机组进入不稳定运行区域[16-17],同时抑制的风电功率的频段越宽,机组出现不稳定的可能性就越大[13]。变桨控制主要是根据机组有功功率给定值与实际输出值之间的偏差来调节叶片的桨距角,实现对风电功率低频部分的抑制。变桨控制法能够抑制的风电功率最高频率分量受到变桨执行机构响应速度的限制,而且需要机组留有一定的变桨角度余量,该余量的大小将直接影响到机组的发电效率[16]。采用转矩控制和变桨控制相结合的方式可以有效降低机组有功功率的波动,同时能够可靠地限制发电机转速运行范围,但是该方法会导致机组风能利用率的大幅降低[18]。

采用储能对风电功率进行的平滑控制,其基本的思路是一致的即利用储能装置的充放电功能来平抑风电功率的一部分频率分量,如带通法[18]、带阻法[19]、高通法[5]等。单一储能装置在平抑风电功率的波动时很难同时满足功率与能量两方面的要求[20]。对风电场输出功率信号进行多尺度分解,并根据不同类型储能装置的特点分别选择与其频率范围适应的储能设备,可实现多种储能装置在风电功率平滑控制中的合理利用[21]。采用外部储能装置来平滑风电有功功率的方案的最大优点是不需对风电机组的控制策略进行修改,是平滑风电功率波动的有效手段,但是在实际应用中储能装置的成本将是一个不容忽视的重要因素。

因此,本文在分析风电机组引入低通附加控制环节后运行特性的基础上,提出了一种机组与储能装置的协调平滑控制策略。建立了机组及储能装置协调控制模型,提出了能够表征风电功率平滑特性的评估指标,最后以2 MW风电系统为基础进行仿真对比,验证本文所提出的控制方法及平滑特性评估指标的有效性。

1 机组与储能装置协调控制

采用机组与储能装置协调控制对有功功率进行平滑的基本思想是:1) 机组在最优转矩控制方式下附加一个低通滤波控制,利用机组自身的惯性来抑制风电功率的高频分量;2) 利用外部储能装置对风电功率的中频分量进行补偿控制。

本节以图1(a)所示风电系统为例对机组与储能装置的协调控制方法进行详细介绍。储能装置与机组输出端并联连接,风电机组通过机端升压变压器及输电线连接到公共连接点PCC上。

图1 含储能装置的风电系统

忽略电力电子器件及线路的能量损耗,则

Psys=Pe+Pbattery。

(1)

式中:Psys为系统并网功率;Pe为机组输出功率；Pbattery为储能装置输出功率。风电机组用来抑制风电功率的高频分量,电池储能装置用来补偿风电功率中的中频分量,最后在系统的并网功率中将只包含风电功率的低频分量。

图2 幅频特性

曲线1、2、3分别为高通滤波器、机组、低通滤波器的幅频特性图。ω0为机组的低通截止频率,ωc1为储能装置采用的高通滤波器截止频率,ωc2为机组采用的低通滤波器截止频率。理论上讲,ω0随着机组运行状态而变化,所以机组传递函数H(jω)在幅频特性中表现为一族曲线。由图2可知,机组引入低通滤波器后,系统的截止频率由ω0降低到ωc2,使机组可抑制角频率大于ωc2的风电分量;而储能装置可以补偿角频率大于ωc1的频率分量。因此,可采用机组与外部储能装置对风电功率的不同频段进行抑制,进而实现较大范围频率分量的平滑控制。

2 协调控制模型

2.1 风电机组运行特性分析

风力机从外界自然风中捕获的机械功率可表示为

(2)

式中:Pmech为风轮捕获的机械功率;ρ为空气密度;A为风轮扫风面积;Cp(λ,β)为风能转换系数;λ为叶尖速比;β为叶片的桨距角;v为风速。

风电机组的传动链采用单质量块模型表示为

(3)

式中:Twt是风力机捕获的气动转矩;Te是发电机的电磁转矩;Ω是风轮转速;Jwt是机组总的转动惯量;Dmec是传动链阻尼系数。将风电系统在某一稳态点(v0,Ω0,β0)作线性化处理,可得相应的转速传递函数。当风速低于额定时机组的桨距角保持不变。

由式(2)可知,风电机组捕获的机械功率是风速和转速的函数,可用增量的形式表示为

(4)

式中:ΔΩ表示转速增量;Δv表示风速增量;下标0表示稳态量,下同。由于稳态时∂CP-0/∂λ=0,所以上式可化简为

(5)

对发电机的有功功率指令进行线性化处理,略去高次项,得

(6)

式中,kopt为风电机组最优转矩控制系数。

由于发电机的电磁转矩响应速度较快,为了方便系统的分析,这里忽略发电机及变流系统的电磁响应时间。将式(5)、式(6)代入传动链方程(3),经过拉氏变换并化简,可得机组转速对风速的传递函数为

(7)

由上式可知,采用最优转矩控制时机组转速对风速的响应表现为一阶低通滤波特性。截止频率为ω0=3koptΩ0/Jwt,与机组的转动惯量、控制参数及转速相关。当机组的转速Ω0变化时,截止频率ω0将随着机组运行状态而变化,变化范围约为3.6 rad/s～7.2 rad/s,该频率对于抑制风电功率波动而言较高,需要进一步增加低通滤波环节,以提高机组对风电高频分量的平滑能力。

2.2 储能装置模型

由于风电功率的高频分量由机组抑制,因此本文采用能量型电池组作为机组的储能滤波装置,拓扑结构[20]如图3所示。

图3 储能装置拓扑结构图

2.3 协调控制

由式(7)可得风电机组电磁功率对风速的传递函数

(8)

电池储能装置对风速的传递函数可表示为

(9)

即储能装置的输出功率表现为对风速的带通滤波。

因此通过调节低通滤波器的截止频率ωc2,就能将风电机组捕获的机械功率中(0-ωc2)的频率分量转换成电磁功率输出,而高于频率ωc2的分量则由机组的惯性来平滑。由上节的分析可知,降低截止频率ωc2可提高机组转速对风速变化的响应速度,但是也会导致机组转速波动增加,降低机组的稳定性,因此截止频率ωc2不能选择的太低。为了达到理想的功率平滑效果,采用截止频率为ωc1的高通滤波器滤除机组电磁功率中的高于频率ωc1的分量,将(ωc1-ωc2)的频率分量用储能装置来补偿,则系统输出的功率中将只包含(0-ωc1)的频率分量。通过对滤波器截止频率ωc1和ωc2的调节,可分别控制由机组和储能装置抑制的风电功率的频率范围,达到两者的协调优化控制。

2.4 附加控制对机组的影响

本节主要讨论附加控制即在最优转矩控制方式下对机组有功功率给定进行低通滤波处理,对机组的运行特性所产生的影响。

对机组的有功功率指令进行一阶低通滤波处理,由式(7)可得,转速对风速的传递函数为

(10)

由上式可知,引入低通滤波后转速传递函数增加了一个零点(ωc2,0),随着低通截止频率ωc2的降低,该零点逐渐靠近虚轴,使机组的转速响应迅速且具有较大的超调量,进而导致机组转速对风速的变化更敏感。

降低截止频率ωc2可提高机组转速对风速的响应速度。但是截止频率ωc2选的过低,会引起机组转速的大幅波动,因此采用机组对风电功率进行滤波控制,可滤除的风电功率的频率范围将会受到机组转速波动范围的限制。

3 仿 真

为验证本文提出的风电机组与储能装置的协调平滑控制策略的有效性,采用Matlab/SINMULINK仿真软件建立了2 MW双馈型风电机组模型,同时在机组并网端并联了电池储能装置,系统拓扑结构见图1。机组低通滤波器截止频率ωc2取0.04π;储能装置高通滤波器截止频率ωc1取0.02π,以确保并网功率中频率在0.02π以上的分量被储能装置补偿。

为表征风电系统有功功率的平滑程度,定义平滑度系数S为

(11)

式中,Prated为机组额定功率。S值越小,说明风电系统输出的有功功率越平滑。

3.1 与无储能装置的机组相比

本节对协调控制、常规最优转矩控制和引入低通滤波器的3种机组(分别以WT1,WT2和WT3表示)进行了仿真对比和分析。图4为仿真采用的随机风速。图5～图7为3种风电系统的仿真结果对比。

图4 风速

图5 并网功率

图6 S值曲线

图7 机组转速

从图5可以看出,采用协调控制策略的机组WT1并网功率波动明显减小,风电功率的中频及高频分量得到了很好的抑制。引入低通滤波器的机组WT3并网功率的高频部分得到了很好的抑制。由图6所示的3种机组并网功率的平滑系数S值可知,WT1的S值明显小于WT2和WT3的S值。WT2的S值不但幅值较大且变化较为剧烈,这是风电功率中还有大量高频分量所导致的。由此也可看出协调控制策略对风电功率的中频及高频部分具有良好的平滑作用。

从机组转速波形(如图7)可知,由于WT1和WT3都引入了低通滤波器,因此机组转速波形是相同的。与采用常规控制的机组WT2转速相比,WT1和WT2的波动幅度相对较大。引入的低通滤波器提高了机组转速对风速的响应速度,也导致了机组转速波动幅度的增加。

3.2 与完全由储能装置平波的风电系统相比

完全由储能装置平波的风电系统WT4其风电机组采用常规最优转矩控制,而机组的出力完全由外部储能装置平滑,因此机组各状态量的输出与3.1节中的WT2一致,这里主要对储能装置的输出进行对比分析。

图8和图9为采用协调控制的机组WT1与完全由储能装置平波的风电系统WT4两者储能装置的输出仿真结果对比。仿真仍采用图4所示的随机风速。

图8 储能装置有功功率

图9 储能装置有功功率的变化率

从图8和图9可以看出,采用协调控制的机组储能装置的有功功率波动幅度相对较小且有功功率的变化率较为平稳,从而充分说明了协调控制能够降低储能装置所承担的滤波负荷以及储能装置的充放电速度和频率,有利于延长装置的使用寿命。

4 结 论

风电机组与储能装置的协调平滑控制能够有效地平抑风电功率的波动,同时降低储能装置的容量。本文结合机组及储能装置各自对风电功率的滤波特点及滤波能力,提出了风电机组与储能装置的协调平滑控制策略,建立了机组及储能装置协调控制模型,并从物理特征角度提出了风电功率波动的评估指标。分别对协调控制、常规最优转矩控制且无储能装置、引入低通附加控制且无储能装置、完全由储能平波等几种类型的机组进行了仿真对比和分析,验证了本文所提出的协调平滑控制策略和风电功率平滑特性评估指标的有效性,主要有以下特点:

1)引入低通附加控制环节可降低机组的低通截止频率,利用机组惯性抑制高频风电功率的高频分量,从而提高机组对风电功率的平滑能力。

2)机组与储能的协调控制能够对较大范围的风电功率频率分量进行有效平滑,同时降低了储能容量及有功功率的变化率。

3)提出了表征风电功率平滑程度的评估指标,可量化衡量风电功率波动的物理特性。

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(编辑：刘琳琳)

Coordinated smoothing control strategy of wind turbine and energy storage device

XIA An-jun1, QIAO Ying1, LU Zong-xiang1, MIN Yong1, HUANG Liang-yi2

(1.State Key Lab of Power Systems, Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;2. Hainan Power Grid Company Limited, Haikou 570203,China)

The energy storage device (ESD) can be combined with the wind turbine to smooth its power variation, but too much storage capacity is needed for effects. In order to reduce the capacity of ESD, a coordinated smoothing control strategy of wind turbine and ESD was proposed. The low-pass supplementary control with the cut-off frequency which is lower than the natural one of the wind turbine was added into the power control loop of the wind turbine, and the low-frequency components of wind power were suppressed by the inertia of wind turbine. The intermediate-frequency components are compensated by the ESD. As a result, the coordinated control of wind turbine and ESD smoothes a large range of frequency components of wind power, and the capacity of ESD is decreased effectively. The combined model with 2MW wind power system and 0.3MW/0.2MWh ESD was used to validate the strategy by the comparison research. Simulation results show that the proposed control strategy takes better effects than the individual control.

wind power generation; power smoothing; coordinate control; the optimal torque control; low pass filter

2015-06-18

“863”计划(2013BAA01B03)

夏安俊(1981—)，男，博士，研究方向为风电场建模及其优化控制；

乔 颖(1981—)，女，副教授，研究方向为风电、太阳能发电并网分析、电力系统安全与控制；

夏安俊

10.15938/j.emc.2016.01.001

TM 614

A

1007-449X(2016)01-0001-06

鲁宗相(1974—)，男，副教授，研究方向为电力系统可靠性、风电/太阳能发电并网分析与控制、分布式电源及微电网、能源与电力宏观规划；

闵 勇(1963—)，男，教授，研究方向为电力系统频率动态过程分析和控制、电厂自动化、电力系统多功能监测装置的研制和同步相里量监测技术、电力系统区域稳定控制；

黄良毅(1971—)，男，硕士，研究方向为调度自动化系统。