劉世林，文勁宇，高文根，江 明

（1.安徽工程大學(xué) 檢測技術(shù)與節(jié)能裝置安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241004；2.華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

風(fēng)電功率具有強(qiáng)波動性和不確定性，且在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)控制策略下幾乎不響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。因此，在高滲透率風(fēng)電接入情況下，為了實現(xiàn)電力系統(tǒng)的有功實時平衡，保證供電的充裕性、可靠性和電能質(zhì)量，往往需要很大量的旋轉(zhuǎn)備用，從而影響了電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性[1-2]。同時，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)致電網(wǎng)慣量降低的問題也正在引起高度關(guān)注[3]，風(fēng)機(jī)制造廠家已在開發(fā)風(fēng)機(jī)的慣量控制模塊，以響應(yīng)電網(wǎng)頻率的動態(tài)變化。如何減小風(fēng)電功率波動，且使其具有類似于常規(guī)機(jī)組的電網(wǎng)頻率響應(yīng)能力，以增強(qiáng)風(fēng)電功率的電網(wǎng)友好性，是風(fēng)電可持續(xù)、大規(guī)模發(fā)展的重要課題。

當(dāng)前，在風(fēng)電機(jī)組功率調(diào)控方面已有較多研究，大致可歸納為2種途徑，其一是風(fēng)電機(jī)組本身的控制[4-5]，其二是利用儲能技術(shù)[6-7]。 第一種途徑的實現(xiàn)方法主要包括風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子動能控制、備用功率控制和聯(lián)合控制（即將前2種方法聯(lián)合應(yīng)用）3種。該類方法幾乎不需要額外的硬件投入，可以減少投資成本，但是存在控制器設(shè)計復(fù)雜、風(fēng)能利用率降低、風(fēng)機(jī)機(jī)械疲勞增加等不足[8]。同時，這類方法宜于在風(fēng)機(jī)設(shè)計制造時實現(xiàn)，對于已投運(yùn)的機(jī)組改造成本則會很高，可操作性較差。

快速儲能裝置以電力電子作為能量轉(zhuǎn)換接口，具有快速的功率響應(yīng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向調(diào)節(jié)。利用儲能對并網(wǎng)風(fēng)電功率進(jìn)行調(diào)控，能夠獲得相對更好的功率特性和經(jīng)濟(jì)性，儲能技術(shù)的快速發(fā)展為增強(qiáng)風(fēng)電功率可控性提供了一條有效途徑[9]。目前，利用儲能提高風(fēng)電功率特性方面的研究，多集中在抑制風(fēng)電功率波動方面[10-11]，而在參與電網(wǎng)一次調(diào)頻[6]，尤其是風(fēng)電虛擬慣量控制方面的研究尚少。

飛輪儲能FESS（Flywheel Energy Storage System）相對于其他儲能方式而言，具有無污染、長壽命、效率高、易于安裝與維護(hù)等優(yōu)點，近年來在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用[12-14]。 例如，文獻(xiàn)[15]研究了將FESS與風(fēng)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，設(shè)計了相應(yīng)的功率控制策略，以抑制風(fēng)電功率的波動，并通過實驗對控制策略的有效性進(jìn)行驗證；文獻(xiàn)[16-17]提出了FESS輔助的風(fēng)電機(jī)組功率和頻率綜合控制策略，研究在利用FESS抑制風(fēng)電功率波動的同時，能夠響應(yīng)電網(wǎng)的一次調(diào)頻需求。但是，上述文獻(xiàn)均未討論利用儲能進(jìn)行風(fēng)電虛擬慣量控制問題。

本文提出一種新型的利用FESS改善并網(wǎng)風(fēng)電功率特性的綜合控制策略，使FESS在抑制風(fēng)電功率波動的同時，可以響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，虛擬出類似于常規(guī)機(jī)組的慣量響應(yīng)特性，并可以靈活切換到頻率控制模式下，參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻，從而有效減小風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的負(fù)面影響。

1 基于FESS的風(fēng)電功率綜合調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于受到儲能成本的約束，在滿足風(fēng)電功率調(diào)控目標(biāo)的前提下，盡可能地減小容量配置對于儲能技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用具有重要意義。考慮到風(fēng)電場出力相對于單臺風(fēng)機(jī)出力具有“平滑效應(yīng)”，本文將FESS配置于風(fēng)電場出口交流母線處，從而一定程度上減小所需的儲能容量。基于FESS的風(fēng)電功率綜合調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于FESS的風(fēng)電功率綜合調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of comprehensive wind power control system based on FESS

在圖1所示模型中，F(xiàn)ESS通過AC/DC/AC雙向功率變換器（由系統(tǒng)側(cè)變換器（SSC）和飛輪側(cè)變換器（FSC）構(gòu)成）和升壓變壓器T2接在風(fēng)電場出口交流母線B2處，多臺風(fēng)機(jī)通過匯流母線B1和升壓變壓器T1也接在母線B2處，兩者并聯(lián)后經(jīng)過二次升壓接入大電網(wǎng)。其中，F(xiàn)ESS采用基于永磁同步電機(jī)的FESS等效模型[18]，而風(fēng)電場則由DFIG風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成。由于FESS和DFIG風(fēng)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型已有很多文獻(xiàn)述及，本文不再贅述，僅對其控制系統(tǒng)模型進(jìn)行討論。

2 FESS控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體控制目標(biāo)及工作原理

對于配置有FESS的風(fēng)電場而言，可以將兩者看作一個整體電源（WF-FESS）向電網(wǎng)饋電。如前所述，為了提高風(fēng)電功率的可控性，F(xiàn)ESS對風(fēng)電功率調(diào)控的目標(biāo)是：在抑制風(fēng)電功率波動的同時，WFFESS對電網(wǎng)頻率的響應(yīng)特性與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)類似，從而虛擬出風(fēng)電的慣量特性和一次調(diào)頻響應(yīng)過程，提高風(fēng)電的負(fù)荷跟蹤能力。

如圖1所示，F(xiàn)ESS的控制系統(tǒng)主要由虛擬慣量控制、頻率響應(yīng)控制和功率平滑控制3個模塊組成。虛擬慣量控制模塊以電網(wǎng)頻率信號作為輸入，通過控制器設(shè)計使WF-FESS對外表現(xiàn)出類似于同步發(fā)電機(jī)慣量的頻率響應(yīng)特性，從而增大整個電力系統(tǒng)的慣量，使電力系統(tǒng)在負(fù)荷波動引起頻率變化時，頻率的變化速度變慢，有利于電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。功率平滑控制和頻率響應(yīng)控制2種工作模式可以互相切換，其取決于選擇開關(guān)S的位置。一般情況下，電網(wǎng)頻率能夠維持在規(guī)定的頻率上下限范圍內(nèi)，此時控制系統(tǒng)工作于功率平滑控制模式（選擇開關(guān)S處于b位置），F(xiàn)ESS主要用于抑制風(fēng)電功率波動；而當(dāng)電網(wǎng)頻率越限時，控制系統(tǒng)切換到一次調(diào)頻控制模式（選擇開關(guān)S處于a位置），從而使FESS響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，參與一次調(diào)頻過程，幫助電網(wǎng)頻率恢復(fù)。當(dāng)頻率恢復(fù)到允許的范圍內(nèi)后，F(xiàn)ESS重新切換到平滑功率控制模式下工作，在抑制風(fēng)電功率波動的同時，調(diào)整FESS荷電狀態(tài)，使其盡可能保持在合適的荷電狀態(tài)下。

2.2 虛擬慣量控制器設(shè)計

為了使WF-FESS具有與相同容量同步發(fā)電機(jī)類似的頻率響應(yīng)特性，首先對同步發(fā)電機(jī)的慣量響應(yīng)過程進(jìn)行分析。

對于同步發(fā)電機(jī)，在轉(zhuǎn)速ω下，存儲在轉(zhuǎn)子中的動能Ek可表示為：

如果ω變化，那么釋放的功率ΔPk可以表示為：

其中，J為轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)動慣量。在電力系統(tǒng)分析中，慣性常數(shù)可表示為[19]：

其中，ωs為同步角速度；Sbase為發(fā)電機(jī)的額定容量。

將式（3）代入式（2），則有：

上式用標(biāo)幺值可表示為：

其中，ΔP*k、ω*、f*分別為發(fā)電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速和頻率的標(biāo)幺值。式（5）表示同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存儲的動能參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)整的功率響應(yīng)過程。

根據(jù)上述分析，設(shè)計的虛擬慣量控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂破饕噪娋W(wǎng)頻率f*為輸入，以用于慣量響應(yīng)的FESS功率指令值P*ine_ref為輸出，包括2個控制環(huán)節(jié)，第1環(huán)節(jié)按式（5）設(shè)計，用于實現(xiàn)模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量響應(yīng)；第2環(huán)節(jié)是一個比例-微分相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，為了補(bǔ)償由FESS的功率響應(yīng)過程引起的相位滯后。

圖2 虛擬慣量控制器Fig.2 Controller of virtual inertia

該控制器中，參數(shù)H可取與同步發(fā)電機(jī)一致的5～10 s，本文取10 s；相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的時間常數(shù)Tf1、Tf2可用留數(shù)法或優(yōu)化算法求取。但是，由于FESS的響應(yīng)速度很快，時間常數(shù)Tf1、Tf2相對于H很小，一般情況下可以不考慮相位滯后的影響。

2.3 一次調(diào)頻控制器設(shè)計

當(dāng)電力系統(tǒng)中有功功率不平衡時，會導(dǎo)致頻率偏離額定值。為了使頻率恢復(fù)到正常允許偏差范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器會動作，調(diào)整原動機(jī)的機(jī)械功率，從而改變發(fā)電機(jī)的出力，使系統(tǒng)有功供需重新達(dá)到平衡。調(diào)速器的這種響應(yīng)特性可以用調(diào)差特性表示（標(biāo)幺值形式）：

其中，ΔP*G為電網(wǎng)頻率變化時發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻功率的參考值；K*G為功 /頻靜態(tài)特性系數(shù)；Δf為頻率變化量；負(fù)號表示調(diào)頻功率的變化方向和頻率變化方向相反。

為了模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性，設(shè)計的頻率響應(yīng)控制器如圖3所示。該控制器由死區(qū)環(huán)節(jié)、高通濾波環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)構(gòu)成，其輸入為電網(wǎng)頻率變化量Δf*（根據(jù)系統(tǒng)頻率期望值 f*ref和實時反饋值f*求取得到），輸出為用于一次調(diào)頻響應(yīng)的FESS功率指令值P*pri_ref。死區(qū)環(huán)節(jié)可以根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差的程度，激活或退出FESS的頻率響應(yīng)模式，本文設(shè)置為±0.2 Hz；高通濾波器環(huán)節(jié)通過設(shè)置合適的時間常數(shù)TH，能夠阻斷頻率偏差的穩(wěn)態(tài)信號，使得一次頻率調(diào)整過程僅僅響應(yīng)動態(tài)頻率偏差信號，而對穩(wěn)態(tài)頻率差信號失效；比例環(huán)節(jié)K*G則為了模擬同步發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻的下垂控制過程，使電網(wǎng)中的多臺并聯(lián)工作發(fā)電機(jī)能夠按合適的比例參與頻率控制。

圖3 一次頻率控制器Fig.3 Controller of primary frequency

2.4 功率平滑控制器設(shè)計

為了抑制風(fēng)電功率波動，同時維持FESS的荷電狀態(tài)在允許的范圍內(nèi)，本文采用模糊推理的方法確定FESS的輸出功率參考值。模糊推理的輸入為風(fēng)電功率P*wf和飛輪轉(zhuǎn)速Ω*，輸出為FESS工作于平滑功率模式時的功率指令值P′*f_ref，其原理如圖4所示。具體設(shè)計過程可參考文獻(xiàn)[20]，限于篇幅，此處不再贅述。

圖4 模糊推理原理圖Fig.4 Schematic diagram of fuzzy reasoning

3 仿真分析

3.1 仿真系統(tǒng)模型

為了驗證本文所提出綜合控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink環(huán)境下建立了含DFIG風(fēng)電場接入的簡單電力系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 仿真系統(tǒng)模型Fig.5 Power system model for simulation

該模型中風(fēng)電場的機(jī)端電壓為575 V，經(jīng)升壓變壓器T1升至25 kV，與飛輪儲能系統(tǒng)相并聯(lián)，再經(jīng)過10 km低壓輸電后與同步發(fā)電機(jī)G1并聯(lián)，在經(jīng)過T4升壓至230 kV后，經(jīng)過110 km輸電線路給恒功率負(fù)荷供電；負(fù)荷側(cè)也有一同步發(fā)電機(jī)G2。風(fēng)電場由18臺額定容量為1.5 MW的DFIG風(fēng)機(jī)構(gòu)成，2臺同步發(fā)電機(jī)組的額定功率均為200 MW，F(xiàn)ESS的功率為20 MW、容量為5 MW·h，本地負(fù)荷為5 MW，負(fù)荷的初始容量為300 MW，其他參數(shù)如圖5中標(biāo)注所示。

3.2 虛擬慣量控制仿真

為了觀察風(fēng)電場轉(zhuǎn)動慣量對電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的影響，將對沒有FESS、FESS分別工作于功率平滑控制模式和虛擬慣量控制模式3種情況下，風(fēng)電場對電網(wǎng)頻率變化響應(yīng)的情況進(jìn)行考察。首先使圖5所示仿真系統(tǒng)工作于風(fēng)速為12 m/s的穩(wěn)態(tài)下，然后在5 s時刻，使原有負(fù)荷增加10 MW作為擾動，從而觀察系統(tǒng)中相關(guān)狀態(tài)的響應(yīng)情況。

圖6（a）是系統(tǒng)頻率分別在無FESS、功率平滑控制模式和虛擬慣量控制3種情況下的響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，在有虛擬慣量控制情況下，系統(tǒng)頻率變化有明顯改善，最低頻率由48.785 Hz提高到48.921 Hz，有效改善了頻率的穩(wěn)定性。同時，仿真結(jié)果也表明了功率平滑控制對于改善電網(wǎng)頻率的效果并不明顯。虛擬慣量控制和功率平滑控制過程中，對應(yīng)的FESS功率響應(yīng)如圖6（b）所示。圖6（c）是同步發(fā)電機(jī)G1的出力情況，從圖中可以看出，在負(fù)荷擾動過程中，F(xiàn)ESS參與頻率響應(yīng)可以一定程度上減小同步發(fā)電機(jī)的出力調(diào)整幅度和調(diào)整時間。

圖6 虛擬慣量控制仿真結(jié)果Fig.6 Simulative results of virtual inertia control

3.3 平滑功率控制模式仿真

為了驗證所設(shè)計的功率平滑控制器的運(yùn)行效果，使FESS工作于功率平滑控制模式下，并且假設(shè)風(fēng)電場中的各臺風(fēng)機(jī)都同時受到圖7所示風(fēng)速的驅(qū)動（不考慮風(fēng)機(jī)空間位置對出力的影響）。從圖7可以看出，風(fēng)速在6.2～16.2 m/s范圍內(nèi)大幅度波動，從而導(dǎo)致風(fēng)電場出力波動劇烈（如圖8（a）中虛線所示）。

圖7 風(fēng)速曲線Fig.7 Curve of wind speed

如圖8（a）所示，實線為加入FESS后風(fēng)電場和FESS的聯(lián)合功率，可以看出FESS在功率控制模式下，能夠明顯改善饋入電網(wǎng)的功率波動。FESS參與功率調(diào)控過程中，其功率和轉(zhuǎn)速變換情況分別如圖8（b）、（c）所示。由圖可以看出，由于采用本文設(shè)計的模糊控制器，飛輪的功率和轉(zhuǎn)速一直保持在額定的工作范圍內(nèi)。圖8（d）是系統(tǒng)的頻率變化情況，從圖中可以看出，雖然由于FESS的功率平滑作用，一定程度上減小了風(fēng)電功率對電網(wǎng)的沖擊，但仍然出現(xiàn)了電網(wǎng)頻率越限（±0.5Hz）的情況。

圖8 平滑功率控制模式下的仿真結(jié)果Fig.8 Simulative results of power-smoothing control mode

3.4 綜合功率控制

為改善電網(wǎng)的頻率特性，應(yīng)用本文提出的基于FESS的風(fēng)電功率綜合控制策略，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真中使風(fēng)電場同樣工作于圖7所示的風(fēng)速下，仿真結(jié)果如圖9所示。圖9（a）是電網(wǎng)的頻率變化曲線，從圖中可以看出，采用功率綜合控制策略后，功率平滑控制（M2）和頻率控制（M1）2 種模式能夠靈活切換，從而使電網(wǎng)頻率被較好地限制在允許范圍內(nèi)。圖9（b）是風(fēng)電場功率變化情況，圖9（c）是控制過程中FESS的功率，圖9（d）是對應(yīng)的飛輪轉(zhuǎn)速。

需要說明的是，從圖9（d）中可以看出，飛輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了一定程度的越限情況，原因是FESS工作在頻率控制模式時，為了給電網(wǎng)提供足夠的功率支撐，圖4所示的模糊推理模塊不再發(fā)揮作用，從而使轉(zhuǎn)速失去約束所致；而當(dāng)切換至功率控制模式下，飛輪轉(zhuǎn)速又會逐漸回到適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。當(dāng)然，若出現(xiàn)極端情況（如大機(jī)組非計劃故障退出），則須采用低頻減載等措施以維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

圖9 綜合控制模式下的仿真結(jié)果Fig.9 Simulative results of comprehensive control mode

4 結(jié)論

本文研究了利用FESS改善并網(wǎng)風(fēng)電功率特性的控制方法，提出了一種風(fēng)電功率綜合控制策略，可以使FESS在平滑風(fēng)電功率波動的同時能夠響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化。在分析同步發(fā)電機(jī)慣量特性和電網(wǎng)頻率響應(yīng)過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了由虛擬慣量控制、頻率響應(yīng)控制和功率平滑控制3個模塊組成的FESS綜合功率控制器。仿真研究表明，所提控制策略能夠虛擬出風(fēng)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，同時使FESS可以在平滑功率控制和頻率響應(yīng)控制2種工作模式下無縫靈活切換，從而取得了較好的功率調(diào)控效果，一定程度上增強(qiáng)了風(fēng)電的電網(wǎng)友好性。