童 欣，郝劍波，張 坤

(1. 華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢430074;2. 湖南省電力公司 科學研究院，湖南 長沙410007;3. 湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙410082)

0 引言

風力發(fā)電系統(tǒng)由于風速、風向等自然條件的變化，其輸出功率具有波動性、間歇性的特點。隨著風電的電網(wǎng)穿透率的不斷增加，這將對局部電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性和電能質(zhì)量產(chǎn)生較大的負面影響［1～3］。目前，已有文獻［4 ～9］針對平滑風電功率波動問題進行了分析研究，其中文獻［4］結合風力機變槳控制和發(fā)電機變速控制，促使發(fā)電機輸出較為平滑的有功功率;文獻［5 ～9］通過各種儲能設備快速吞吐有功功率，達到平滑風電功率波動、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。與此同時，電網(wǎng)故障也會給并網(wǎng)風電系統(tǒng)帶來一系列的暫態(tài)過程，甚至會危及到風電系統(tǒng)的安全運行［10］。因此，在系統(tǒng)中配置一定的無功補償設備 (如STATCOM)可起到支撐電網(wǎng)電壓的作用，以幫助電網(wǎng)恢復正常工作，并提高風電系統(tǒng)的低電壓穿越能力。當電網(wǎng)的故障持續(xù)時間超出一定范圍后，根據(jù)電網(wǎng)規(guī)則要求，風電系統(tǒng)將被允許脫離電網(wǎng)［11］。為了最大利用風能資源以及提高當?shù)刎摵晒╇姷目煽啃?，風電系統(tǒng)需要具有快速從并網(wǎng)運行模式平滑切換到離網(wǎng)運行模式的能力。鋰電池具有能源效率高、能源密度高、存儲性能優(yōu)秀等特點，通過并聯(lián)和串聯(lián)的方式可組成大容量、高電壓的鋰電池儲能系統(tǒng)，這將在電力系統(tǒng)中獲得非常廣泛的應用。本文將鋰電池儲能系統(tǒng)應用到風力發(fā)電中，并針對鋰電池儲能系統(tǒng)的運行特性，提出了一種可行的綜合控制策略，從而能夠有效地提高風電系統(tǒng)的運行性能。

1 鋰電池數(shù)學模型

鋰電池等效電路如圖1 所示［12～13］?？紤]到鋰電池的物理和數(shù)學特性，該電池模型采用以下等效:(1)SOC 代表電池的荷電狀態(tài)，即電池內(nèi)活性化學物質(zhì)的數(shù)量，被等效成一個動態(tài)更新的變量;(2)電池堆電勢被等效成一個受控電壓源，受其荷電狀態(tài)SOC 變化的影響;(3)電阻Rn和電阻Rh分別代表電池的內(nèi)阻損耗和化學反應損耗;(4)與電阻Rh并聯(lián)的電容Ch被等效模擬電池的暫態(tài)特性。

單體電池電壓Vcell與其荷電狀態(tài)SOC 之間的關系為

圖1 鋰電池等效電路模型Fig．1 Equivalent circuit of lithium battery

式中:Ve為單體鋰電池的標準電勢差(3.797 V);k 為溫度系數(shù)，一般可忽略溫度的影響，認為在室溫條件下k=0.182 9。

電池組一般由多個單體電池(假設為n 個)串聯(lián)而成，電池堆電勢Vs和等效電容Cs分別為

鋰電池的荷電狀態(tài)SOC 定義為

式中:SOCt+1和SOCt分別為t +1 和t 時刻的荷電狀態(tài);ΔSOC 為一個時間步長的荷電狀態(tài)變化量。

2 鋰電池儲能系統(tǒng)結構

圖2 為風電/鋰電池儲能系統(tǒng)的結構示意圖。鋰電池儲能系統(tǒng)并接在風電系統(tǒng)出口處，它由鋰電池組、雙向DC －DC 變流器、DC －AC 變流器以及升壓變壓器構成。雙向DC －DC 變流器用于控制DC－AC 變流器直流側的電壓穩(wěn)定;DC－AC變流器在并網(wǎng)模式下通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側電流的d 軸和q 軸分量，控制其流向電網(wǎng)的有功功率和無功功率，實現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制;在離網(wǎng)模式下控制負載的端電壓和頻率穩(wěn)定。對于由多臺風電機組構成的大型風電系統(tǒng)，可相應在風電系統(tǒng)出口處并接多臺鋰電池儲能系統(tǒng)，以滿足其工作性能的要求。

圖2 風電/鋰電池儲能系統(tǒng)結構示意圖Fig．2 Structure diagram of wind power generation/lithium battery energy storage system

風電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，根據(jù)電網(wǎng)的運行狀況，鋰電池儲能系統(tǒng)的作用將有所不同。當電網(wǎng)正常運行時，鋰電池儲能系統(tǒng)主要用于平滑風電系統(tǒng)的有功波動，從而提高并網(wǎng)風電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，鋰電池儲能系統(tǒng)主要用于向電網(wǎng)提供無功功率，以幫助電網(wǎng)恢復正常工作。風電系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，鋰電池儲能系統(tǒng)主要用于控制公共連接點的電壓和頻率穩(wěn)定。

3 鋰電池儲能系統(tǒng)控制

當風電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，鋰電池儲能系統(tǒng)的DC－AC 變流器采用雙閉環(huán)控制結構，控制開關連接端口1，如圖3 所示。風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的有功功率PG經(jīng)一階低通濾波器得到并網(wǎng)功率參考值，與并網(wǎng)功率PT進行比較通過功率調(diào)節(jié)器得到q 軸(有功)電流的參考值;公共連接點電壓的幅值參考值Mag_V*與其幅值測量值Mag_V進行比較，通過電壓調(diào)節(jié)器得到d 軸(無功)電流參考值。電流內(nèi)環(huán)采用前饋解耦控制策略［14］，實現(xiàn)系統(tǒng)有功功率和無功功率的獨立控制。為滿足DC－AC 變流器熱容量要求，其輸出電流iB的大小將被限制在一定范圍內(nèi)(本文取iB－max= 1.2 p.u.)，即無功電流和有功電流的參考值也將相應受到限制。當電網(wǎng)發(fā)生故障時，以無功電流作為優(yōu)先控制對象，通過=(i≤iB－max)對有功參考電流進行限制，此時鋰電池儲能系統(tǒng)將運行在STATCOM 模式下，向電網(wǎng)提供無功功率，以幫助電網(wǎng)恢復正常運行。

4 系統(tǒng)仿真

圖3 鋰電池儲能系統(tǒng)的控制框圖Fig．3 Control diagram of lithium battery energy storage system

當風電系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，鋰電池儲能系統(tǒng)的DC－AC 變流器采用V/f 控制，控制開關切換至端口2，如圖3 所示。公共連接點電壓的的d，q分量參考值，與其測量值進行比較分別通過電壓調(diào)節(jié)器得到電壓調(diào)制波d，q 分量的參考值，。由于風電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時公共連接點的相位θ1與離網(wǎng)運行時控制器設定的相位θ2之間可能會存在一定的相位差，這樣在切換過程中可能會引起系統(tǒng)的震蕩甚至失穩(wěn)。對此，通過相位限速器來控制公共連接點的相位從θ1平滑切換到θ2，從而實現(xiàn)風電系統(tǒng)從并網(wǎng)運行模式到離網(wǎng)運行模式的平滑切換。

連接鋰電池組的雙向DC －DC 變換器的控制原理如圖3 所示。圖中，DC－AC 變流器直流側電壓參考值與其測量值uDC進行比較通過電壓調(diào)節(jié)器得到雙向DC －DC 變換器的調(diào)制電流參考值，與雙向DC －DC 變換器輸入電流iSB進行比較再通過電流調(diào)節(jié)器得到雙向DC －DC變換器占空比d1的反饋控制量，以達到電流對其參考值的快速跟蹤。作為占空比d1的前饋控制量，可以抑制雙向DC －DC 變換器兩端的電壓波動給電流控制帶來的干擾［15］。

利用Matlab/Simulink 對圖1 所示的風電/鋰電池儲能混合系統(tǒng)進行仿真。具體仿真參數(shù)如下:電網(wǎng)線電壓額定值為20 kV (有效值)，頻率為50 Hz;鋰電池組的額定電壓為600 V，額定功率為600 kW，額定容量為200 kW·h，單體電池數(shù)為n=3 750，Rn=0.02 Ω，Rh=0.01 Ω，Cs=0.667 F;DC－AC 變換器的額定功率為1 MVA，交流側輸出線電壓額定值為650 V (有效值)，直流側電壓額定值為2 400 V，功率器件為IGBT，開關頻率為8 kHz;連接鋰電池組的雙向DC/DC 變換器的額定功率為600 kVA，功率器件為IGBT，開關頻率為10 kHz。DC －AC 變換器的直流側電容為10 000 μF，輸出濾波電感為2 mH;雙向DC/DC變換器的升壓電感為0.3 mH;一階低通濾波器的時間常數(shù)T1=600 s。在電網(wǎng)發(fā)生故障時，當?shù)刎摵傻念~定有功功率和無功功率分別為500 kW 和200 kVar。

圖4 (a)可以看出，風力發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率PG波動較大;經(jīng)鋰電池儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)后，實際注入電網(wǎng)的有功功率PT較為平滑。儲能系統(tǒng)發(fā)出的有功功率如圖4 (b)所示。由圖4 (c)可知，風電系統(tǒng)經(jīng)鋰電池儲能系統(tǒng)補償后的實際并網(wǎng)功率PT能較好地跟蹤其參考值，這同時也說明該鋰電池儲能系統(tǒng)的響應速度基本能滿足系統(tǒng)的要求。

圖4 鋰電池儲能系統(tǒng)平滑風電的功率波動Fig．4 Lithium battery energy storage system smooths wind power fluctuations

當電網(wǎng)電壓在0.1 ～0.3 s 三相跌落50%時，公共連接點電壓uPCC及其幅值Mag_ V 也相應發(fā)生跌落，如圖5 (a)，(b)所示。在電網(wǎng)電壓跌落期間，鋰電池儲能系統(tǒng)最大輸出電流被限制在1.2 p.u. 以內(nèi)，如圖5 (c)所示，其輸出的無功電流id由0 增加到1.185 p.u.，為電網(wǎng)提供無功功率支持，以幫助電網(wǎng)恢復正常運行。鋰電池儲能系統(tǒng)輸出的有功電流也相應受到了限制，從0.33 p.u. 降低到0.05 p.u.，如圖5 (d)所示。圖5(e)為鋰電池儲能系統(tǒng)輸出的有功功率和無功功率。由于鋰電池儲能系統(tǒng)的無功補償作用，公共連接點電壓從0.5 p.u. 上升至0.62 p.u.。DC －AC 變流器的直流側電壓uDC也保持在其允許范圍之內(nèi)，如圖5 (f)所示。隨著電網(wǎng)故障的清除，電網(wǎng)恢復到正常工作，鋰電池儲能系統(tǒng)也將迅速恢復到故障之前的運行狀態(tài)。

圖5 電網(wǎng)電壓跌落時，鋰電池儲能系統(tǒng)的工作特性Fig．5 When the grid voltage sag occurs，the operating characteristics of lithium battery energy storage system

當電網(wǎng)故障持續(xù)的時間較長時，這可能會危及到風電系統(tǒng)的安全運行，按照新的電網(wǎng)規(guī)則要求，風電系統(tǒng)將被允許脫離電網(wǎng)。以下是風電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障情況下脫離電網(wǎng)運行的仿真結果。電網(wǎng)電壓在0.0 ～0.1 s 處于50%的跌落狀態(tài)(圖6 (a)， (b))，風電系統(tǒng)保持其輸出功率不變(圖6 (c)，(d))，鋰電池儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)與圖4 中電網(wǎng)電壓跌落時運行狀態(tài)一致(圖6(e)，(f))。圖6 (g)，(h)為風電/鋰電池儲能混合系統(tǒng)總的輸出電流和功率。圖6 (i)， (j)為輸入到電網(wǎng)的電流和功率。由于電網(wǎng)電壓的跌落，當?shù)刎摵傻碾娔苜|(zhì)量也相應受到影響，它吸收的有功功率和無功功率分別為PL=125 kW 和QL= 50 kVar，均未達到其額定值 (圖6 (k)，(l))。在0.1 s 時，電網(wǎng)的連接開關K1 斷開，鋰電池儲能系統(tǒng)DC －AC 變流器的控制開關從端口1 切換至端口2。此時，輸入到電網(wǎng)的電流和功率迅速降低到0 (6 (i)，(j))。由于鋰電池儲能系統(tǒng)的控制作用，公共連接點的電壓能夠迅速恢復到額定值(圖6 (a)，(b))，從而當?shù)刎摵梢材芑謴偷秸＿\行(圖6 (k)，(l))。在脫離電網(wǎng)的運行過程中，鋰電池儲能系統(tǒng)一方面起到了穩(wěn)定系統(tǒng)電壓/頻率的作用，另一方面也起到了平衡系統(tǒng)功率的作用，即風電的輸出功率與當?shù)刎摵傻妮斎牍β手g的差額功率由鋰電池儲能系統(tǒng)來提供。在0.1 s 以后，風電/鋰電池儲能混合系統(tǒng)總的輸出電流和功率(圖6 (g)， (h))與當?shù)刎摵傻妮斎腚娏骱凸β?圖6 (k)，(l))相等。

圖6 系統(tǒng)由并網(wǎng)轉為孤島的運行特性Fig．6 Operating characteristics of the system when it transfers from grid－connected to grid－isolated mode

5 結束語

鋰電池儲能系統(tǒng)在所提的控制策略下，當電網(wǎng)正常運行時能起到平滑風電功率波動的作用;當電網(wǎng)發(fā)生故障時，能為電網(wǎng)優(yōu)先提供一定的無功功率，以幫助電網(wǎng)恢復正常運行;當脫離電網(wǎng)運行時，能夠起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓/頻率以及平衡系統(tǒng)功率的作用。仿真結果很好地說明了所提出的控制策略的正確性和有效性。

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