許 東，王 亮

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng)110003；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136)

基于全釩液流電池的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)建模及控制策略研究

許 東1，王 亮2

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司 檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng)110003；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110136)

風(fēng)能本身的間歇性與無(wú)規(guī)律性，使得風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)后對(duì)電網(wǎng)造成的負(fù)面影響愈來(lái)愈顯著，而儲(chǔ)能裝置能有效改善間歇式電源的波動(dòng)，因此可以利用儲(chǔ)能裝置和風(fēng)機(jī)構(gòu)成風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，提高分布式能源的可控性和穩(wěn)定性。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主控單元，儲(chǔ)能充電采用V/f控制放電和PQ控制策略，借助PSCAD/EMTDC仿真軟件，搭建了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)各單元模型，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)在儲(chǔ)能作為電源和負(fù)載2種模式下的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)能模型的可靠性及控制策略的有效性。

風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；全釩液流；充放電控制；PSCAD/EMTDC仿真

目前已經(jīng)大規(guī)模開發(fā)利用的新能源主要有風(fēng)能、太陽(yáng)能、沼氣和燃料電池。風(fēng)電作為發(fā)展最為迅速的清潔能源，其大規(guī)模利用的有效途徑是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行控制，但是風(fēng)能本身的間歇性與無(wú)規(guī)律性使得對(duì)應(yīng)的風(fēng)電輸出隨機(jī)性和波動(dòng)性明顯，且由于季節(jié)變化和惡劣天氣影響，風(fēng)電場(chǎng)可能會(huì)發(fā)生短時(shí)間的大幅度波動(dòng)[1-4]。引入儲(chǔ)能裝置，利用儲(chǔ)能快速、高效地提高電能品質(zhì)和功率，可以有效穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電輸出的波動(dòng)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)由于能夠?qū)崿F(xiàn)電能的時(shí)空平移，響應(yīng)速度快且具備形成大規(guī)模的可能，因此被認(rèn)為是改善間歇式電源可控性、提高其并網(wǎng)能力的有效手段[5-6]。文獻(xiàn)[7]結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的荷電狀態(tài)、充放電特性等實(shí)際運(yùn)行情況，研究了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)中關(guān)于有功、無(wú)功功率的協(xié)調(diào)控制方法和結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]通過(guò)引入波動(dòng)率智能化分段控制平滑時(shí)間常數(shù)，結(jié)合儲(chǔ)能荷電狀態(tài)反饋控制，更好地解決了儲(chǔ)能系統(tǒng)在高低通濾波平滑風(fēng)、光功率波動(dòng)的問(wèn)題。雖然通過(guò)此策略，可以在一定程度上提高儲(chǔ)能裝置的壽命，但應(yīng)綜合考慮風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電池的壽命及其充放電特性等因素。因此，全面可協(xié)調(diào)的儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，仍然需要不斷的研究和完善[9]。通過(guò)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及其仿真建模研究，搭建風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)各單元模型，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行仿真，對(duì)更好地全面開展風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及風(fēng)儲(chǔ)能黑啟動(dòng)研究具有重要意義[10]。

1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)各單元建模仿真

風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能各自小單元模型的準(zhǔn)確、有效是風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)仿真可靠穩(wěn)定運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際需要，利用雙饋感應(yīng)電機(jī)模型與變換器構(gòu)建整體的發(fā)電機(jī)本體和控制模型，形成完整的風(fēng)機(jī)單元體。選擇全釩液流電池為儲(chǔ)能電池單元，結(jié)合變流器構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)模型。

1.1 風(fēng)電機(jī)組建模仿真

1.1.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)作為風(fēng)機(jī)單元的重要組成部分，用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。它通常由1個(gè)在風(fēng)的升力或阻力作用下可自由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成。根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式、安裝方式、運(yùn)行模式等的不同，風(fēng)力機(jī)可分為不同類型。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)功率P可以表示為風(fēng)速的函數(shù)，如式(1)所示。

(1)

式中，ρ為空氣密度；Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù)；R為葉片半徑；Vw為風(fēng)速。根據(jù)公式及實(shí)際風(fēng)機(jī)模型，在PSCAD中建立風(fēng)力機(jī)模型，如圖1所示。

圖1中，輸入為風(fēng)速Vω和電機(jī)的轉(zhuǎn)速Wm，輸出為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都為pu值。

1.1.2 雙饋發(fā)電機(jī)模型

雙饋發(fā)電機(jī)是風(fēng)機(jī)單元中的發(fā)電部分，用來(lái)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。利用雙饋感應(yīng)電機(jī)模型與變換器構(gòu)建整體的發(fā)電機(jī)本體和控制模型，形成完整的風(fēng)機(jī)單元體，其建模如圖2所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)的PSCAD仿真模型

1.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)建模仿真

1.2.1 全釩液流電池模型

全釩液流電池的等效模型現(xiàn)在有多種，可以從電化學(xué)的角度，構(gòu)造液流電池的等效模型，也可以根據(jù)液流電池工作的機(jī)械原理，建立全釩液流電池的機(jī)械模型。目前全釩液流電池的等效電路模型已經(jīng)不斷完善，等效電路模型趨于成熟。因此，建模采用全釩液流電池等效電路模型，如圖3所示。

在此等效電路模型中，荷電狀態(tài)SOC與釩離子濃度之間的表達(dá)式如式(2)所示。

圖2 風(fēng)機(jī)單元體模型

圖3 釩液流電池等效電路模型

(2)

Rreaction和Rresistive代表等效內(nèi)阻損耗，Rficed表示固定損耗。對(duì)于堆棧電壓Vstack與荷電狀態(tài)SOC，根據(jù)化學(xué)能斯特方程得到Vstack計(jì)算公式如式(3)所示。

(3)

式中，Vequilibrium為單體釩液流電池正負(fù)極的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)差；摩爾氣體常數(shù)R=8.314 J/K·mol；法拉第常數(shù)F=96 500 c/mol；溫度取t=24.85 ℃，絕對(duì)溫度為T=(t+273.15)=298；堆棧數(shù)量n取390。根據(jù)以上原理，通過(guò)PSCAD軟件可以搭建全釩液流電池PSCAD仿真模型如圖4所示。

1.2.2 變流器建模

在電網(wǎng)全黑的條件下，儲(chǔ)能裝置需通過(guò)放電控制來(lái)建立電壓頻率標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)充電控制來(lái)保證系統(tǒng)功率平衡，平抑系統(tǒng)波動(dòng)。因此，需要電能變換裝置包括DC/AC變換逆變控制器以及AC/DC變換整流控制器。逆變控制器和整流控制器擁有相同的主功率電路部分和不同的控制策略，示意圖如圖5所示。

主功率電路包括由6個(gè)IGBT組成的三相可控橋式電路、隔離變壓器、LC濾波器以及線路。直流側(cè)電壓經(jīng)三相可控橋變換后通過(guò)隔離變壓器進(jìn)行電壓變換和隔離，再經(jīng)過(guò)電感電容LC濾波器去除諧波分量，最后經(jīng)過(guò)線路連接至交流側(cè)。模型圖如圖6所示。

圖4 全釩液流電池仿真模型

圖5 儲(chǔ)能電能變換裝置

2 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)控制策略

2.1 儲(chǔ)能放電控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)，采用V/f控制策略，即恒頻恒壓控制策略，其目的是不論系統(tǒng)功率如何變化，逆變器所接交流側(cè)的電壓幅值和系統(tǒng)輸出頻率維持不變。在電網(wǎng)全黑條件下為系統(tǒng)建立電壓頻率標(biāo)準(zhǔn)，其控制原理如圖7所示。

在圖7中選取交流側(cè)電壓和頻率作為反饋信號(hào)。內(nèi)部為電壓電流環(huán)，電壓環(huán)的控制變量為負(fù)載電壓，電流環(huán)的控制變量為電容電流，電壓電流環(huán)均采用PI控制器。

2.2 儲(chǔ)能充電控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)充電控制模式采用PQ控制策略。系統(tǒng)通過(guò)不同的需求可能會(huì)突然加大電流或電壓大小，但是所采用的整流控制結(jié)構(gòu)依舊不變。通過(guò)設(shè)定初始電壓的值進(jìn)行整流控制，通過(guò)控制系統(tǒng)的參考設(shè)定值分析控制系統(tǒng)需要的限幅上限，對(duì)系統(tǒng)在PI控制后進(jìn)行安全控制和模式控制，保證電池充電特性。整流控制策略原理如圖9所示。

整流控制策略設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)包括：有功功率，電池最大恒流充電電流值，功率模塊最大可輸出直流電流值，直流側(cè)采樣電壓值。整流控制策略模型如圖10所示。

圖6 變流器主功率電路模型

圖7 V/f控制策略原理

3 算例分析

1)工作模式1。風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)發(fā)電，儲(chǔ)能采用V/f放電控制策略，仿真模型如圖11所示。

儲(chǔ)能容量為1 MW，風(fēng)機(jī)額定容量為1.5 MW，風(fēng)速選擇10 m/s，實(shí)際出力1 MW。儲(chǔ)能、風(fēng)機(jī)與無(wú)窮大電網(wǎng)相連，儲(chǔ)能采用V/f放電控制策略與風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)共同給1.5 MW的負(fù)載供電，仿真結(jié)果如圖12所示。

由圖12可以看出，儲(chǔ)能容量為1 MW，由于負(fù)載容量為1.5 MW，因此儲(chǔ)能滿發(fā)1 MW為負(fù)載充電，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為10 m/s，發(fā)出功率也為1 MW，因此大電網(wǎng)吸收風(fēng)機(jī)多發(fā)的功率部分，相當(dāng)于儲(chǔ)能與風(fēng)機(jī)發(fā)電，為負(fù)載供電，同時(shí)將多余功率反饋為大電網(wǎng)。由于變壓器等損耗影響，導(dǎo)致有一部分無(wú)功損耗，而母線的電壓和頻率始終維持在基準(zhǔn)值，風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2)工作模式2。風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)機(jī)發(fā)電，儲(chǔ)能采用PQ充電控制策略，仿真模型如圖13所示.

儲(chǔ)能容量1 MW，風(fēng)機(jī)額定容量1.5 MW，風(fēng)速選擇10 m/s，實(shí)際出力1 MW，儲(chǔ)能、風(fēng)機(jī)與大電網(wǎng)相連，大電網(wǎng)提供電壓和頻率標(biāo)準(zhǔn)，儲(chǔ)能采用PQ充電控制策略，風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)提供功率給儲(chǔ)能充電。仿真結(jié)果如圖14所示。

由圖14可以看出，儲(chǔ)能充電容量為1 MW，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為10 m/s，發(fā)出功率也為1 MW，因此風(fēng)機(jī)輸出的有功完全用于為儲(chǔ)能充電，大電網(wǎng)平衡風(fēng)機(jī)發(fā)出和儲(chǔ)能吸收功率的波動(dòng)部分，母線的電壓和頻率始終維持在基準(zhǔn)值，風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 儲(chǔ)能放電控制模塊模型

圖9 整流控制策略原理

4 結(jié) 語(yǔ)

由于風(fēng)機(jī)發(fā)電受氣候因素影響較大，使得風(fēng)機(jī)發(fā)電存在間歇性和波動(dòng)性，為有效改善風(fēng)機(jī)發(fā)電的穩(wěn)定性，采用儲(chǔ)能作為主控單元，風(fēng)機(jī)作為從控單元，建立風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)并網(wǎng)條件下，建立仿真模型，在風(fēng)發(fā)儲(chǔ)發(fā)和風(fēng)發(fā)儲(chǔ)吸2種模式下，驗(yàn)證了風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)能模型的準(zhǔn)確性，及儲(chǔ)能控制策略的有效性。為進(jìn)一步開展風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行及風(fēng)儲(chǔ)能新能源黑啟動(dòng)研究，完成了重要的準(zhǔn)備工作。

圖10 整流控制策略模型

圖11 模式1仿真模型

圖13 模式2仿真模型

圖14 模式2仿真結(jié)果

[1]張麗英，葉廷路，辛耀中，等.大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的相關(guān)問(wèn)題及措施[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(25)：1-9.

[2]Liu Dai，Pang Songling.System impacts analysis for interconnection of wind farm and power grid[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2011，23(3)：156-160.

[3]Zhao Yangdong，Kit Powong，Ke Meng，et al.Wind power impact on system operations and planning[C]// Minneapolis：Power and Energy Society General Meeting，2010：1-5.

[4]Yoshimoto K,Nanahara T,Koshimizu G,et al.New control method for regulating state-of-charge of a battery in hybrid wind power/battery energy storage system[C]//IEEE Power Systems Conference and Exposition,2006.Tokyo:IEEE,2006:1244-1251.

[5]施 琳，羅 毅，施 念，等.高滲透率風(fēng)電-儲(chǔ)能孤立電網(wǎng)控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(16)：55-59.

[6]Banham-Hall D D，Taylor G A，Smith C A.Flow batteries forenhancing wind power integration[J].IEEE Transaction on Power System,2012,27(3):1690-1697.

[7]單茂華,李陳龍,梁延婷,等.用于平滑可再生能源出力波動(dòng)的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù),2014，38(2):469-477.

[8]姜書鵬,孟祥龍.風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)研究綜述[J].中國(guó)電力教育,2013,(14):209-210.

[9]Takahashi R,Nakatani M,Tamura J,et al.Smoothing control of wind farm output fluctuation by new scheme with energy storage system[J].Energy Conversion,2011,24(3):725-732.

[10]于 芃，周 瑋，孫 輝，等.用于風(fēng)電功率平抑的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(17)：127-133.

(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 張 凱)

Simulation Model and Control Strategy of Wind Power and Energy Storage Cogeneration System Based on Vanadium Redox Battery

XU Dong1，WANG Liang2

(1.Maintenance Company,State Grid Liaoning Electric Power Supply Company Limited,Shenyang 110003;2.School of Electrical Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

The intermittent and non-regularity of wind power make the negative effect be more and more obvious when the large scale of the wind power is connected to the grid.The energy storage device can effectively improve the intermittent power fluctuation,therefore wind power and energy storage cogeneration system which is consisted of energy storage and wind turbine has been used to raise the controllability and stability of distributed power supply.The energy storage system was used as the main control unit,the energy storage charge was controlled by V/f while discharge by using PQ control strategy.By means of simulation software PSCAD/EMTDC,each unit model of wind power and energy storage cogeneration system were set up.The stable and reliable co-operation was achieved under the condition of wind power and energy storage as source or energy storage.Simulation results verified the accuracy and effectiveness of the models and control strategies in this paper.

Wind power and energy storage cogeneration system; Vanadium redox battery; Charge and discharge control; PSCAD/EMTDC simulation

2016-12-05

許 東(1989-)，男，遼寧康平人。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.010

TM732

A

1673-1603(2017)01-0050-09