基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制
基于混合储能的风电场实时功率调控系统研究
基于混合储能的风电场实时功率调控系统研究一、研究背景混合储能技术是一种将多种储能方式(如电池、超级电容器、压缩空气储能等)相结合的储能策略，旨在提高储能系统的效率、性能和可靠性。
在风电场中，混合储能技术可以有效地平滑风力发电的波动，提高电网对风电的调度能力，降低弃风率，从而实现风电场与电力系统的高效协同运行。
实时功率调控是指通过对风电场内各种设备的控制策略进行优化，实时调整风电机组的出力，以满足电力系统对电能的需求。
传统的风电场功率调控方法主要依赖于静态预测模型和人工干预，这种方法存在预测精度低、响应速度慢、难以应对复杂工况等问题。
因此研究一种基于混合储能技术的实时功率调控系统具有重要的理论和实践意义。
1. 风电场的发展现状和存在的问题随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严重，风电作为一种清洁、可再生的能源形式，得到了越来越多的关注和支持。
近年来我国风电产业取得了显著的发展，风电装机容量逐年攀升，已经成为全球最大的风电市场。
然而风电场在运行过程中也面临着一些问题，如风电资源分布不均、弃风现象严重、风电场对电网的影响等。
这些问题不仅影响了风电场的经济效益，还对电网的安全稳定运行造成了一定程度的影响。
首先风电资源分布不均是一个亟待解决的问题，我国风能资源主要集中在北方地区，而南方地区由于地理环境和气候条件的限制，风能资源相对较少。
这导致了风电资源的开发利用存在较大的不均衡性，一些地区风电资源过剩，而另一些地区则面临风电资源短缺的问题。
此外由于风电场的建设成本较高，风电资源的开发利用往往受到经济条件的限制，导致风电资源的开发利用效率不高。
其次弃风现象严重，由于风电场的输出功率与风速之间存在一定的关系，当风速低于设计风速时，风电场的发电量会大幅降低，甚至出现弃风现象。
据统计我国弃风电量占全国总发电量的约5,这一比例在国际上处于较高水平。
弃风现象的存在不仅浪费了宝贵的能源资源，还增加了风电场的运行成本，影响了风电产业的可持续发展。
超级电容储能系统在并网型风力发电系统中的应用
供配用电产品与技术PRODUCT & TECHNOLOGY２０世纪８０年代中期以来，风力发电进入高速发展的时期。
我国目前的风力发电设备多采用异步发电机，而异步发电机运行时发出有功功率的同时还要从系统吸收无功功率，会给电网造成负担。
另外，风速的不稳定会引起风电输出电压频率的变化。
异步发电机的使用还会使电网在发生大扰动后引起暂态电压失稳。
因此，研究并网风电场的运行特性以及如何改善其运行的稳定性是风力发电技术中的重要问题。
储能系统作为电力系统的能量缓冲环节，其作用越来越重要，储能系统在系统中起稳定作用。
适量的储能可以在电网非正常运行时起到过渡作用，使系统在负荷波动较快和较大的情况下能够有一个稳定的电能输出，对配电网电能质量的提高也具有非常重要的作用。
通过对储能系统的控制从而实现其与大电网的并网运行，可达到向电网提供削峰、应急功率等作用。
超级电容器为一种新兴的储能元件，其功率密度大，储能效率高，安装简易，能够适应不同的环境而无需维护，可以单独储能，可以与其他储能装置混合储能。
超级电容器将能量以电场能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或需要时，再将存储的能量通过控制单元释放出来，可以对系统起到瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和可靠性，实现电能的平衡、稳定控制。
超级电容储能系统的优点超级电容储能系统主要由超级电容组件、双向ＤＣ－ＤＣ变换器组成。
１． 超级电容器超级电容也称为电化学电容，它具有优良的脉冲充放电和大容量储能性能，单体的容量目前已经做到万法拉级，是一种介于静电电容器与电池之间的新型储能元件。
超级电容最大充放电性能由活性物质表面的离子取向和电荷转移速度控制，因此可在短时间内进行电荷转移，得到很高的放电比功率；同时，由于电极上没有发生决定反应速度与限制电极寿命的活性物质的相应变化，因此它具有很好的循环寿命。
与电池相比，超级电容具有许多电池无法比拟的优点。
１）具有非常高的功率密度。
一种基于超导磁储能装置的新型风电场功率控制仪的设计
７０ ５ ；． ３０ ０ ２ 甘肃 兰州超高压输变 电公 司 ， 兰州
摘
要： 风电系统输出功率 的波动性 和间歇性——作为制约风 电系统 大规模并 网的关键 因素 ， 电网带来的不 给
利影 响越来越受到重视 。为 了降低风电场并 网对 电网稳定性 的影 响 ， 阐述 了一种 基于超导磁 储能装 置 的风 电场功 率控制仪 。利用仿真软件 ｍ ｔ ｂ ｓ ｕ ｎ ａｌ ／ｉ ｌ ｋ对风 电并 网系统进行 了仿真分析 ， ａ ｍ ｉ 验证 了所提 出功率控制仪 的有效性和可
３ 风 电场功率波动 的抑制策略
以上推 导 出了 Ｓ Ｓ有 功功率 的 闭环 模 型传 递 ＭＥ 函数 ， 由此来 表示 图 ２中的超 导储 能功率 控制模 块 ， 得 到 简化 后 的 从 风 电 场 到 电 网 的有 功 功 率 信 号 流
２１ ０ ２年
第 ２期
移
动
电
源
与
车
辆
３ ３
定 的无功功 率 ， 由 电容器 组 提 供 的 无 功对 异 步 发 可 电机 和变压 器进 行无 功 补 偿 ， 现 风 电场高 压 侧 的 实
单位 功率 因数 。Ｓ Ｓ通 过 一个 升 压 变 压器 连 接 到 ＭＥ 风 电场 出 口的 高压侧 。 从 图 １ 根 据 功率平衡 定 理有 ： ，
信号的幅值和相位完全相 同， 载波信号的幅值也相 同， 但是各个 模块 载波信 号 的相 位均匀错 开 ９ 。 ０。 同时 ， 了平 衡 电流 型变 流 器 的 ４个 模块 之 间 的功 为
率 出力 ， 用基 于 载 波轮 换 的均 流方 法 。为 了实 现 采 电流 和 电压 的精 确 控 制 ， 文 结 合 文 献 ［ ］ 出 的 本 ４提
利用储能系统平抑风电功率波动的仿真研究
利用储能系统平抑风电功率波动的仿真研究一、综述随着可再生能源在电力系统中的渗透率不断提高，风能作为一种广泛分布且可再生的能源形式，其发电量波动对电网的稳定运行带来了严峻挑战。
风电功率波动不仅会影响电网的电能质量，还可能对电网的调度和控制产生不良影响，甚至可能导致整个电网的崩溃。
如何有效利用储能系统平抑风电功率波动，提高电网的稳定性和可靠性，已经成为当前研究的热点问题。
如抽水蓄能、压缩空气储能、电池储能等，在电力系统中具有调节电网功率、平衡能源供需的重要作用。
通过合理地配置储能系统，可以在风力发电功率较高或较低时，吸收或释放电能，从而实现对风电功率波动的有效平抑。
这种平抑手段对于保障电网的稳定运行、提高电力系统的供电质量具有重要意义。
利用储能系统平抑风电功率波动是提高电网稳定性和可靠性的重要手段之一。
本文将对相关领域的文献进行综述，分析储能系统在平抑风电功率波动方面的研究现状及存在的问题，并探讨未来可能的研究方向和应用前景。
1. 风能作为一种可再生清洁能源，在全球范围内得到了广泛关注和快速发展。
随着全球能源需求的不断增长，传统化石能源的枯竭以及环境污染问题的日益严重，可再生能源的开发和利用受到了各国政府和企业的高度重视。
风能作为一种可再生清洁能源，在全球范围内得到了广泛关注和快速发展。
风能资源丰富。
我国海岸线长达数千公里，可开发的风能资源储量巨大。
我国地域辽阔，从东北平原到华南沿海，地形复杂多样，风能资源分布广泛，具有较高的开发价值。
风力发电具有清洁环保、可持续发展的特点。
与火力发电相比，风力发电过程中不产生有害气体排放，对环境污染较小，有助于改善大气环境质量。
风力发电作为一种可再生能源，资源丰富且可持续利用，有利于保障国家能源安全。
国家对风力发电产业给予了大力支持。
我国政府出台了一系列政策措施，如加大财政投入、优化电网接入、推动技术创新等，以促进风力发电产业的快速发展。
在政策的推动下，我国风力发电市场呈现出巨大的发展潜力。
一种基于混合储能的风电功率平抑系统协调控制
2电工电气 (20 7 No.2)基金项目：河南省高等学校重点科研项目(16A470024、15A470022)作者简介：王武(1978- )，男，副教授，硕士，研究方向为控制理论与控制工程、电气自动化。
一种基于混合储能的风电功率平抑系统协调控制王武，张元敏(许昌学院 电气(机电)工程学院，河南 许昌 461000)摘 要：设计了一种由钒氧化还原液流电池(VRB)和超级电容器组合的混合储能系统，给出了风电功率平抑系统结构图，制定了风电功率平抑协调控制策略。
通过采用分层控制结构，由系统上层实现系统功率优化和混合储能装置的功率分配；系统底层实现逆变器和DC/DC 变换器输出控制，实现系统功率输出。
该系统兼顾了功率和容量要求，响应速度明显提高，降低了系统成本。
关键词：功率平抑；混合储能；协调控制；风电波动；荷电状态中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2017)02-0024-03Abstract: A hybrid energy storage system was designed with the combination of vanadium redox battery (VRB) and super capacitor and the structure diagram for wind power smoothing was presented with the coordinated control strategy. By hierarchical control structure, the system upper layer realized the system power optimization and the hybrid energy storage power distribution. The system bottom layer realized the output control of inverter and DC/DC converter and the system power output. The hybrid energy storage system has both power and capacity requirements, and the response speed is obviously increased, which greatly reduces the cost of the system.Key words: power smoothing; hybrid energy storage; coordinated control; wind power variation; state of chargeWANG Wu, ZHANG Yuan-min（School of Electrical Engineering and Mechano-Electronic Engineering, Xu Chang University, Xuchang 6 000, China ）Kind of Coordinated Control for Wind Power SmoothingSystem Based on Hybrid Energy Storage0 引言风能具有间歇性、随机性特点，会导致风电场输出功率的波动，进而引起电网波动，增加电网运行成本。
基于超级电容储能的风力发电技术研究
⑥
２ ０ １ ３ Ｓ ｃ ｉ ． Ｔ ｅ ｃ ｈ ． Ｅ ｎ ｇ ｒ ｇ ．
机 电技 术
基 于超级 电容储 能的风力发 电技术研究
胡 国文 ， 陈 伟 杨 根 李 超
（ 盐城工学 院电气工程学 院 ， 盐城 ２ ２ ４ ０ ５ １ ； 江苏大学 电气信息工程学院 ， 镇江 ２ １ ２ ０ １ ３ ； 安微理 工大学电气 与信息工程学 院 ， 淮南 ２ ３ ２ ０ ０ １ ）
供 直 流 电源 ； 超 级 电容 储 能 系统 并 联 在 直 流侧 母 线
入风 力发 电技 术 ， 能有效地 抑制风 电功率波动 ， 平 滑功率 响 应 曲线 ， 提高 电能质量 ， 是 保 证 风 力 发 电
并 网运 行 、 促 进 风 能 利 用 的 关 键 技 术 和 主 流 方 式 Ｊ 。超 级 电容 器作 为 一 种 新 型 的 储 能 器 件 ， 由于
图２ 风 电 系 统 与超 级 电容 协 调 控 制 系 统不 意 图
力 发 电技 术 的 重 要 发 展 方 向。把 电力 储 能 系 统 引
Ｐ ＷＭ逆 变器 ； 储 能系 统主要 包括 双 向 Ｂ ｕ ｃ ｋ — Ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 斩 波 电路和 超级 电容器 。前 级 为最 大 风 能 捕 获 电路 ， 采用 Ｂ Ｕ Ｃ Ｋ斩波 电路 作 为 主 电路 ， 通过 控制 Ｂ Ｕ Ｃ Ｋ 驱动 脉 冲 占空 比， 使 风 电机 组输 出最 大 功 率 ， Ｃ ’ 起 到稳定 直 流 电 压 ， 使前后级 近似解耦 ， 向 逆 变 桥 提
摘
要
风速变化具有不 可预 知性 ， 会导致风 电机 组输 出功率 频繁波 动， 对 电 网质量 产 生影 响； 使 用储 能装 置可 以有效 改善
风电场有功与无功功率控制系统的智能控制与优化
风电场有功与无功功率控制系统的智能控制与优化随着全球能源需求的增加和环境问题的日益突出，可再生能源成为解决能源危机和环境污染的重要途径。
其中，风能作为一种清洁、可再生的能源，正逐渐成为主流。
为了提高风能的利用效率，风电场的有功与无功功率控制系统的智能控制与优化变得尤为重要。
有功功率是风电场向电网输送的实际能量，而无功功率是风电场对电网提供的无效能量。
有功功率控制是通过调节变速变桨风力发电机组的发电功率来实现的，而无功功率控制则是通过调节风电场的千伏安电压和功率因数来实现的。
为了实现风电场有功与无功功率的智能控制与优化，首先需要建立一个准确的模型。
这个模型需要包括风机、发电机、桨叶、齿轮传动装置等组件的物理特性，并考虑到风速、风向、温度、湿度等外部环境参数对风机发电的影响。
通过对这个模型的分析，可以确定风电场在不同工况下的最佳有功和无功功率输出。
在模型确定后，智能控制系统可以基于机器学习、人工智能等技术来进行优化。
通过学习历史数据和不断的实时监测，系统可以自动调整风电场的运行参数，以使风电场的发电效率最大化。
例如，通过改变桨叶的角度和提前调整发电机组的转速，可以提高风电场的有功出力。
同时，通过调整电压和功率因数，可以控制风电场的无功功率，以满足电网对无功功率的要求。
智能控制系统还可以通过预测风速和风向的变化来优化风电场的运行。
通过使用气象数据和统计算法，系统可以预测未来一段时间内的风能资源，并相应调整风电场的发电参数。
这种预测优化方法可以减少风电场的波动性，提高发电的可靠性和稳定性。
此外，智能控制系统还可以与其他风电场相互协作，通过共享数据和资源来实现集群运作。
通过集群运作，风电场可以更好地适应电网的负载变化，并提供更加稳定的电力输出。
同时，集群运作还可以实现对电网的功率贡献的优化，使得风能的利用更加高效。
然而，要实现风电场有功与无功功率控制系统的智能控制与优化，还存在一些挑战。
首先，智能控制系统需要具备高度可靠和鲁棒性，以应对各种突发情况和故障。
新能源发电与储能系统建模与控制
新能源发电与储能系统建模与控制随着全球化和环境保护意识的提高，越来越多的国家开始重视新能源发电和储能系统的建设和控制。
新能源发电包括太阳能、风能、水能、地热能等诸多类型，对于环境保护来说，新能源发电已经成为一个重要的手段。
除此之外，当新能源过剩或者设备故障时，储能系统就要发挥作用，保证电力系统的可靠性和稳定性。
因此，新能源发电与储能系统建模与控制研究显得非常重要。
一、新能源发电系统建模与控制新能源发电系统的建模主要包括以下几个方面：1. 常规发电机组模型常规发电机组是传统电力系统的主要组成部分之一。
常规发电机组建模需要考虑机械部分、电磁部分、稳定器以及励磁系统等方面。
建模分析主要包括发电机组转动特性、电极系统特性、电网响应特性以及能量转移与控制技术等。
2. 非同步发电机组模型非同步发电机组是新能源发电系统的重要组成部分，如风力发电机组、小水电发电机组等。
非同步发电机组建模需要考虑电气部分、机械部分以及控制系统等方面。
建模分析主要包括风力发电机组功率特性、小水电发电机组传动环节特性、控制系统特性以及系统稳定性分析等。
3. 逆变器及通信控制模型逆变器通常是用于将直流电源转换成交流电源的重要元器件。
逆变器的作用是保证新能源发电系统的可控性和稳定性。
逆变器的建模需要考虑电气部分、机械部分以及控制系统等方面。
建模分析主要包括逆变器电路原理、通信控制原理、实现技术以及系统稳定性分析等。
新能源发电系统的控制主要包括以下几个方面：1. 风电场并网控制与稳定性风电场并网控制与稳定性是新能源发电系统的关键技术之一。
新能源发电系统通过并网技术实现多台发电机组与电力网络之间的协调运行。
风电场并网控制需要结合风电机组特性和电力系统特性分析，综合考虑并网运行模式、并网电缆容量、线路电压限制以及电池存储能力等问题。
2. 太阳能发电系统控制与优化太阳能发电系统控制与优化主要是针对太阳能电池板的特性和电平运行模式进行控制和管理。
VRB 储能系统有2 种工作模式
VRB 储能系统有2 种工作模式:调节风电场功率模式:当风电场出口并网处的功率波动时,VRB 储能装置通过DC/ AC 变换器快速吞吐有功功率的波动成分,平滑风电场输出有功功率,需要时还可以在一定范围内调节电场输出的无功功率,为电网提供一定的无功支持。
VRB 充放电模式:在临界荷电状态下,由于电量很低,为VRB 非工作态,由辅助的充电电路完成预充电,达到工作态后,再切换为主变换器工作模式。
非工作态一般只有在电池安装初期或放电检修后才会发生,因此,辅助充电电路很少使用,性能要求也不高,这样大大提高了VRB通过并网风电场输出的有功功率和电网所需无功功率给定作为控制信号,由双向DC/ AC 变换器控制VRB 储能系统的有功功率和无功功率。
电网正常运行时,通常控制各台直驱风力发电机组的并网逆变器输出无功功率为0 ,使机组在单位功率因数下运行,风电场的无功功率对电网的影响较小。
根据电网的需要,通过控制储能系统的DC/ AC 变换器,设定无功给定值Q*ref,控制VRB 储能系统向电网提供一定的无功功率支持,平衡电网所需无功功率。
研究表明风电场输出的有功功率中频率在0.01Hz以上的成分对电网影响较大,应该控制VRB储能系统来消除0.01Hz以上的功率波动成分。
本系统采用一阶巴特沃斯高通滤波器来滤掉0.01Hz以下的波动成分,风电场输出的有功功率经滤波处理后,作为功率调节系统有功功率环给定参考信号P*ref。
VRB 储能系统在进行吞吐风电场输出的功率波动时,VRB电压会随之迅速变化,可能会导致过充放电。
VRB在过充时会严重影响使用寿命,一般单体VRB 充电电压上限不能超过1.75 V；VRB在过放时,端电压会降落很快,采用一级DC/ AC 变流器进行充放电时,其端电压必须要大于变换器交流线电压的峰值,才能使变换器工作在逆变状态。
因此,在平滑电场输出功率波动的同时,要对电池进行能量管理,避免VRB 过充放电,并限制充放电功率在额定功率范围内,以保证VRB 系统的正常运行。
风力发电机组的电力调节与功率控制模型
风力发电机组的电力调节与功率控制模型1. 引言风力发电是一种可再生的清洁能源，在全球范围内得到了广泛的应用和发展。
然而，由于风力发电的依赖性和不稳定性，需要对风力发电机组进行电力调节和功率控制，以确保电网的稳定性和安全性。
本文旨在讨论风力发电机组的电力调节与功率控制模型，并提出一种有效的解决方案。
2. 风力发电机组的电力调节风力发电机组的电力调节是指根据电网负荷需求和风速变化，调整风力发电机组的输出功率。
在电网负荷低于风力发电机组的输出功率时，需要将多余的电力存储起来或者将其余放入电网；当电网负荷高于风力发电机组的输出功率时，需要从电网中补充额外的电力。
因此，电力调节对于维持电网的平衡和稳定非常重要。
3. 风力发电机组的功率控制风力发电机组的功率控制是指根据电网负荷需求和风速变化，控制风力发电机组的输出功率稳定在一个预设的目标范围内。
一方面，功率控制需要使风力发电机组的输出功率与电网需求保持一致，以满足电网的需求；另一方面，功率控制还需考虑风速变化对风力发电机组的影响，以确保风力发电机组的安全运行和寿命。
4. 电力调节与功率控制模型为了实现风力发电机组的电力调节与功率控制，需要建立相应的数学模型。
常用的模型有以下几种：4.1 传统PID控制模型PID控制模型是最常用和经典的控制模型之一。
它通过测量误差（电网需求功率与风力发电机组输出功率的差值）和控制器得到控制信号，从而实现对风力发电机组输出功率的调节和控制。
PID控制模型简单且易于实现，但在面对复杂动态环境和大幅风速变化时，可能无法满足精确控制的要求。
4.2 模糊控制模型模糊控制模型利用模糊逻辑和模糊规则对风力发电机组进行调节和控制。
由于模糊控制模型可以处理模糊性和不确定性，因此在对风力发电机组进行控制时更具适应性和鲁棒性。
但是，模糊控制模型需要事先确定模糊规则和隶属函数，对于复杂系统和精确控制要求较高的环境可能存在一定的局限性。
4.3 预测控制模型预测控制模型通过预测风速变化和电网负荷需求，得到风力发电机组的最优输出功率。
基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制
基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制李 霄,胡长生,刘昌金,徐德鸿(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)摘要:随着风电装机容量的不断提高,风电输出功率的波动性给电网带来的不利影响越来越得到重视。
文中介绍一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统,利用超级电容器组作为储能元件,平抑风电场有功、无功功率波动,维持风电场输出端电压,降低风电场对电网电能质量的影响。
基于功率调节系统的结构特点和工作原理,提出了一种网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,并建立了变流器的动态小信号模型,进行了环路控制器设计。
利用仿真软件PSCAD/EM TDC 对系统的控制策略进行了仿真分析,仿真结果验证了该装置具有良好的运行性能。
关键词:风力发电;超级电容储能;电能质量;小信号模型;控制设计中图分类号:TM614;TM46;TM743收稿日期:2008212204;修回日期:2009201219。
国家电网公司科技项目(SGK J [2007]120)。
0 引言风力发电是当前发展最快的可再生能源发电技术[1]。
但是,风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响[2]。
因此,研究并网风电场的输出功率调节成为风力发电技术中的重要问题。
目前风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平滑其输出功率[3],但该方法的功率调节能力有限;无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节[4],但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。
附加储能设备既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压[526],又能在较宽范围内调节有功功率,是当前的一个研究热点。
风力发电研究表明位于0.01Hz ～1Hz 的波动功率对电网电能质量的影响最大[728],平抑该频段风电波动采用较短时间的能量存储就可以达到目的[9],因此能够实现短时能量存储的较小容量的储能设备对风力发电具有更高的实用价值。
超级电容在风力发电功率调节系统中的应用
超级电容在风力发电功率调节系统中的应用陶梦江;张晓;呼小亮;秦魏【摘要】风力的间歇性导致风电机组输出功率波动,会影响风机并网.将超级电容储能系统应用在风电系统中调节输出,使注入电网的功率平稳.超级电容器储能技术在短时大功率应用中具有良好的经济性,符合微电网运行对瞬时功率平衡控制的要求.介绍了超级电容模型,双向直流变换器的原理及互补PWM控制技术,同时采用电流前馈解耦和有功无功算法控制并网逆变器.设计基于超级电容的风力发电功率调节系统模型,并仿真验证系统的正确性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2013(043)011【总页数】5页(P30-34)【关键词】超级电容;双向直流变换器;电流前馈解耦;功率调节【作者】陶梦江;张晓;呼小亮;秦魏【作者单位】中国矿业大学信电学院,江苏徐州221116;中国矿业大学信电学院,江苏徐州221116;中国矿业大学信电学院,江苏徐州221116;中国矿业大学信电学院,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】TM3151 引言风力发电是技术最成熟、经济效益最好的新能源技术。
但是由于风能的间歇性导致风电机组输出功率不稳定，影响风机并网。
且并网风机容量越大，对电网的稳定运行危害也越大，所以保证风机组输出功率稳定是风电技术推广的关键。
目前，调节风机功率技术主要有直接调节风力涡轮机、并联无功补偿装置等，但上述方法在调节能力、平抑有功上无法进一步满足系统要求［1］。
储能技术是目前调节功率的重要手段，可以对风机组输出的功率削峰填谷，使注入电网的功率稳定。
相对于蓄电池、飞轮和超导储能技术，超级电容作为新兴储能元件，具有循环寿命长、充放电快等特点［2］。
在风电系统中，可以对系统进行瞬时功率平衡控制，提高稳定性。
超级电容储能系统可以保持直流母线电压稳定，平衡系统功率，结构简单，控制方便［3］。
超级电容储能系统能量在并网时可采用电流前馈解耦和有功无功控制，对风电系统发出的功率进行削峰填谷，使并入电网的功率恒定，具有良好的应用前景。
一种利用超级电容储能系统实现直驱风电机组高电压穿越的新方案
一种利用超级电容储能系统实现直驱风电机组高电压穿越的新方案蒋永梅;张谦;金武杰;金晨星;徐宁;叶自强【摘要】传统的风电机组高电压穿越方法大多采用直流母线加装卸荷装置,以热能形式消耗多余的能量,降低了发电机组效率,增加了机组散热.为解决该问题,以直驱风电机组高电压穿越为研究对象,提出一种基于超级电容器储能系统的高电压穿越方案.利用超级电容器快速充放电的特点,实现高电压故障中风电机组波动功率的控制;给出了超级电容储能装置详细方案,以及风电机组在高电压穿越期间有功功率、无功功率协调控制方法.仿真结果表明,超级电容储能系统能够更好地提升机组高电压穿越能力,并加速系统有功恢复.【期刊名称】《浙江电力》【年(卷),期】2018(037)008【总页数】5页(P54-58)【关键词】风电并网;超级电容储能系统;高电压穿越;直驱风电机组【作者】蒋永梅;张谦;金武杰;金晨星;徐宁;叶自强【作者单位】国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江舟山 316021;国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江舟山 316021;国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江舟山 316021;国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江舟山316021;国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江舟山 316021;国网浙江省电力有限公司舟山供电公司,浙江舟山 316021【正文语种】中文【中图分类】TM6140 引言风力发电规模逐年扩大，风电机组安全稳定运行已经受到广泛关注[1-2]。
并网准则要求并网型风电机组具有低电压穿越能力，但近些年发生的大规模事故多数还伴有HVRT（高电压穿越）的情况。
目前针对机组HVRT的研究已经得到国内外学者的广泛关注。
文献[3-4]分析了双馈风电机组的HVRT过程，采用Crowbar+DC Chopper组件可以有效地实现HVRT；文献[5]采用Crowbar电路实现直驱风电机组的HVRT。
这两种方法不仅需要加装硬件，而且主要是把故障期间的有功功率消耗掉，降低了发电效率。
基于超级电容储能的风电并网功率调节控制系统
基于超级电容储能的风电并网功率调节控制系统郭学英;郑建勇;梅军;徐友【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2011(029)002【摘要】风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响,使用储能装置可以改善风电质量.通过在风电场并网的交流侧母线上并联超级电容储能单元,能实现对风电场功率的调节,减小功率的波动.文章设计了风电场并网及储能系统各部分的控制策略,在Matlab/Simulink仿真环境下创建了系统的仿真模型,验证了控制策略的正确性.仿真系统最终实现了电机侧变流器最大风能跟踪、电网侧变流器单位功率因数并网和超级电容储能单元对风电场并网功率的调节.【总页数】5页(P28-32)【作者】郭学英;郑建勇;梅军;徐友【作者单位】东南大学电气工程学院,江苏南京210096;苏州市电气设备与自动化重点实验室,江苏,苏州,215123;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;苏州市电气设备与自动化重点实验室,江苏,苏州,215123;东南大学电气工程学院,江苏南京210096;东南大学电气工程学院,江苏南京210096【正文语种】中文【中图分类】TK89;TM712【相关文献】1.一种基于超级电容储能系统的新型铁路功率调节器 [J], 马茜;郭昕;罗培;张志文2.基于STATCOM的超级电容储能系统的风电并网 [J], 李洪珠;张馨瑜;孙佳月3.基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略设计 [J], 马茜;郭昕;罗培;张志文4.基于CAN现场总线城市轨道交通超级电容储能控制系统的研究 [J], 刘红兵5.基于超级电容储能系统的不对称故障下PMSG控制策略研究 [J], 张超;陈永强;鲍晓婷;方勇;杨骏华因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制李 霄,胡长生,刘昌金,徐德鸿(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)摘要:随着风电装机容量的不断提高,风电输出功率的波动性给电网带来的不利影响越来越得到重视。
文中介绍一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统,利用超级电容器组作为储能元件,平抑风电场有功、无功功率波动,维持风电场输出端电压,降低风电场对电网电能质量的影响。
基于功率调节系统的结构特点和工作原理,提出了一种网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,并建立了变流器的动态小信号模型,进行了环路控制器设计。
利用仿真软件PSCAD/EM TDC 对系统的控制策略进行了仿真分析,仿真结果验证了该装置具有良好的运行性能。
关键词:风力发电;超级电容储能;电能质量;小信号模型;控制设计中图分类号:TM614;TM46;TM743收稿日期:2008212204;修回日期:2009201219。
国家电网公司科技项目(SGK J [2007]120)。
0 引言风力发电是当前发展最快的可再生能源发电技术[1]。
但是,风能是一种随机变化的能源,风速变化会导致风电机组输出功率的波动,对电网的电能质量产生影响[2]。
因此,研究并网风电场的输出功率调节成为风力发电技术中的重要问题。
目前风电有功功率波动多采用直接调节风力涡轮机运行状态的方法来平滑其输出功率[3],但该方法的功率调节能力有限;无功功率波动通常采用并联静止无功补偿装置进行无功调节[4],但无功补偿装置无法平抑有功功率波动。
附加储能设备既可以调节无功功率、稳定风电场母线电压[526],又能在较宽范围内调节有功功率,是当前的一个研究热点。
风力发电研究表明位于0.01Hz ～1Hz 的波动功率对电网电能质量的影响最大[728],平抑该频段风电波动采用较短时间的能量存储就可以达到目的[9],因此能够实现短时能量存储的较小容量的储能设备对风力发电具有更高的实用价值。
以往抑制风电功率波动多考虑采用蓄电池、飞轮或超导等储能技术[10213],超级电容储能技术关注较少。
超级电容器具有功率密度极高、循环寿命长、环境无污染和免维护等优点,随着制造技术的发展,超级电容器的能量密度有了很大提高,在一些短时电力储能场合已经进入了商业化应用阶段[14215]。
利用超级电容器存储能量,平抑风电场输出功率重要频段的风电波动具有良好的应用前景。
本文介绍了一种基于超级电容储能的风电场功率调节系统,针对系统结构特点和工作原理提出了网级控制、超级电容能量管理和变流器控制相结合的控制策略,仿真结果表明该系统在平抑了0.01Hz ～1Hz 风电场有功功率波动的同时,通过无功功率调节稳定了风电场母线电压,具有良好的运行性能。
1 系统结构和运行原理图1为带有调节装置的并网风力发电系统结构示意图。
公共连接点(PCC )处接有本地负荷,超级电容器组(SC )作为直流侧的储能元件,功率调节系统(PCS )采用四象限电压型变流器(VSC )级联双向直流变换器(Bi 2DC/DC )结构,最终通过升压变压器并联于风电场输出端母线。
图1 系统结构示意图Fig.1 Schem atic conf iguration of the system该装置有以下2种工作模式:1)风电场功率调节模式:当检测到设定频段的有功功率波动时,装置快速吸收波动的有功、无功功率,平滑风电场功率输出,维持风电场输出端母线电第33卷 第9期2009年5月10日Vol.33 No.9May 10,2009压稳定。
2)充放电模式:一方面在装置最初安装或检修后重启时将超级电容器组充电到预先设定的电压值V sc_ref ,在装置故障或检修时将超级电容器组储存的电能释放;另一方面当没有检测到设定频段内的有功功率波动时,通过对超级电容器缓慢的充放电维持超级电容器电压V sc_ref 。
为保证超级电容器组有相同的充放电空间,根据式(1)来进行V sc_ref 的设定:12C sc V 2sc_max -12C sc V 2sc_ref =12C sc V 2sc_ref -12C sc V 2sc_min(1)式中:C sc 为超级电容器组的电容量;V sc_max 为超级电容器组允许的最高充电电压;V sc_min 为超级电容器组允许的最低放电电压。
2 控制系统如图2所示,控制系统由图中虚线框内的3部分组成:网级控制、超级电容能量管理和变流器控制。
网级控制根据风电场有功功率和输出端母线电压波动情况给出装置的有功、无功功率指令。
超级电容器具有电压随充放电时间改变的充放电特性,因此通过超级电容能量管理,一方面在功率调节模式中避免过欠电压发生,另一方面在充放电模式控制充放电功率。
变流器通过VSC 的有功、无功功率解耦控制,快速跟踪网级控制和超级电容能量管理给出的有功、无功功率指令。
系统输出功率变化会导致直流母线电容器上的电压波动,故通过Bi 2DC/DC 对超级电容器快速充放电来恢复并维持直流母线电压。
图2 控制系统结构Fig.2 Control system structure2.1 网级控制网级控制为了滤除风力涡轮机输出功率中0.01Hz ～1Hz 频段的波动成分,1Hz 以上成分主要被风力涡轮机的惯性所吸收[10211],有功功率控制需要滤除P wind 中0.01Hz 以上波动成分,故将G wind (s )设计为一阶巴特沃斯高通滤波器[7,13]:G wind (s )=τs 1+τs(2)式中:τ为滤波器的时间常数,穿越频率设置为0.01Hz 时τ=16s 。
如不考虑容量限制且变流器控制带宽远高于1Hz ,使变流器在1Hz 以上有良好响应,则P sc =P 3ref =P wind16s 1+16s(3)P wind 中0.01Hz ～1Hz 频段的波动成分由功率调节装置来吸收。
由于风电场输出端母线电压对无功功率波动更为敏感,因此可以通过无功功率的调节来维持母线电压[9]。
如图2所示,V bus_ref 为母线电压设定值,G Q (s )为PI 调解器,G Q (s )=k Qp +k Qis,其中k Qp =6,k Qi =700。
2.2 超级电容能量管理超级电容能量管理通过超级电容器电压控制环和电压限制模块来实现。
设计超级电容器电压环带宽远低于0.01Hz ,那么在功率调节模式时该环路的作用可以忽略,仅通过电压限制模块来实现超级电容器电压管理。
超级电容器快速提供充放电功率平抑风电波动时,其电压会随之迅速变化并可能导致过充放电的发生,过充电会严重影响超级电容器使用寿命,过放电则会导致超级电容器输出功率受限,因此由电压限制模块保证超级电容电压在允许的范围之内。
P ref >0时如图3中虚线所示,K psc 为功率限幅系数,当V sc <V sc_up 时,K psc =1,P 3ref =P ref ;充电到V sc_up 后开始对P ref 进行降幅处理,当V sc >V sc_max 时,K psc =0,P 3ref =0,保证超级电容器不会过充。
P ref <0时如图中实线所示,同理保证超级电容器不会过放。
图3 超级电容器电压限制规则Fig.3 Diagram of SC voltage limit rule在充放电模式中,没有检测到设定频段的有功功率波动即P ref =0,仅超级电容器电压环起作用,通过缓慢的充放电维持超级电容器电压为V sc_ref 。
如图4所示,通过电压调节器G v_sc (s )给定超级电容・绿色电力自动化・ 李 霄,等 基于超级电容储能的风电场功率调节系统建模与控制器充放电功率。
图4中,G v_sc (s )=k sp +k si /s ,其中k sp =0.447,k si =0.0028,电压环带宽为0.002Hz ,即1/5的风电场有功功率滤波器穿越频率,因此超级电容器电压环不会对风电功率调节产生影响。
图4 超级电容器电压外环控制框图Fig.4 B lock diagram of SC voltage control2.3 变流器控制变流器控制系统如图5所示,有功、无功功率控制可以通过i d 和i q 的解耦控制来实现。
双向直流变换器采用双环控制策略,电压外环控制直流母线电压保持不变,电流内环控制超级电容器充放电电流的动态变化,避免超级电容器充放电电流超过限制。
图5 变流器控制策略Fig.5 PCS control scheme为实现变流器功率和直流母线电压的精确控制,本文采用状态空间平均的方法建立了变流器的数学模型,并从控制设计的角度出发引入Park 变换,得到dq 坐标系下小信号开关周期平均数学模型,其等效电路如图6所示。
图6 PCS 小信号平均模型Fig.6 Sm all 2signal average model of PCS由变流器小信号模型可以得出环路控制器设计需要的传递函数,变流器控制环路设计及参数详见附录A 。
3 储能单元设计风电功率调节系统主要平抑0.01Hz ～1Hz 的风电功率波动,因此根据风电功率最低频率波动配置储能单元的储能容量,考虑储能单元有相同的充放电空间,首先分析在(V sc_ref ,V sc_max )充电空间内能够吸收的能量如下式所示: E sc1=∫P sc (s )=∫τs1+τsP wind (s )≤2τP wind0.01(4)式中:P wind0.01为风电场0.01Hz 有功功率波动幅值,在最恶劣的情况下P wind0.01为0.5倍的风电场容量。
在(V sc_ref ,V sc_min )放电空间内能够释放的能量与充电空间内能够吸收的能量相同,故储能单元总储能量如下式所示:E sc =4τP wind0.01(5) 超级电容器单体电压一般较低(2.5V 左右),因此储能单元由多个超级电容器单体串并联组成以达到系统容量需求。
储能单元设计要综合考虑能量和功率2方面需求。
储能单元储存的总能量表示为:E =N2C sc_unit (V 2max -V 2min )≥E sc(6)式中:N 为超级电容器单体的个数;C sc_unit 为单体电容量;V max 为超级电容器耐压;V min 为超级电容器允许的最低放电电压。
大电流放电情况考虑到超级电容器串联等效电阻的影响,根据电路原理的最大功率传输定理可以得到储能单元最大放电功率为:P max =NV24R esr≥P sc(7) 超级电容器放电到最低电压V min 时仍能保证额定功率输出,V min 需要满足下式:V min ≥2R esr P scN(8) 将式(8)代入式(6)得到N 的限制条件为:N ≥2E scesC sc_unit+4P sces R esrV 2max(9)4 仿真结果用于仿真研究的风力并网发电系统结构图以及基于超级电容储能的风电场功率调节装置参数详见附录B 。