陳長青，李欣然，黃際元

（1.湖南大學電氣工程學院，湖南 長沙 410082；2.國網湖南省電力有限公司長沙供電分公司，湖南 長沙 410015）

隨著國家相關節(jié)能減排政策的出臺，風電作為清潔能源被大規(guī)模并入電網。然而，風電出力的隨機性[1]將引起電網頻率惡化等問題[2-3]。風電并網給電網運行帶來機遇的同時，也帶來了挑戰(zhàn)[4]。

近年來，由于性能穩(wěn)定、響應快等特點[5]，儲能（energy storage，ES）被廣泛應用于平抑新能源出力波動[6]、輔助風電機組（wind turbines，WTs）參與調頻[7]。因此，利用風儲協(xié)調控制來改善電網運行特性已成為眾多學者的研究重點。

調頻方面：文獻[8]通過對比多種不同ES 電池參與電網一次調頻的經濟性，驗證了ES 參與調頻的經濟可行性；文獻[9]考慮儲能荷電水平（storage of charged，SOC）與充放電功率的關系，提出變下垂系數自適應控制方法，有效提升了ES 容量維持效果；文獻[10]提出了一種虛擬負慣性控制策略，通過頻率偏差臨界值區(qū)分不同情況的調頻需求，選擇對應的控制策略；文獻[11]采用日歷壽命模型對ES 評估使用年限，以全壽命周期內凈現值最大為目標，優(yōu)化ES 容量與調頻控制參數，進而實現ES 調頻控制。

平波抑動方面：文獻[12]采用模糊控制理論，將超出目標值的功率偏差在蓄電池和超級電容之間進行分配，有效平抑了波動；文獻[13]在風電預測基礎上，提出了一種電池ES 超前控制策略，可提高風電平抑的可靠性；文獻[14]提出了一種基于風電功率超短期預測和混合ES 系統(tǒng)實現平抑功率在電池和超級電容器之間有效分配的方法，有效抑制了風電功率波動。

由上述研究可知，ES 能有效提升電網穩(wěn)定運行能力，但目前對其研究主要是將風儲系統(tǒng)作為整體，而對風儲系統(tǒng)中ES 安裝位置對其綜合應用的影響研究尚顯不足。為此，本文通過對目前3 種典型風儲結構模型進行分析，在計及風機直流側電容容量對調頻和平抑風電波動影響的基礎上，提出ES參與調頻和平波抑動的風儲協(xié)調控制策略和性能評估指標。最后，通過仿真實例表明：在計及風機直流側電容容量影響下，安裝在風機直流側更有利于提升ES 的綜合應用能力。

1 典型風儲結構特點

目前，典型風儲拓撲結構主要有ES 安裝在風機直流側（拓撲結構1）、風機輸出母線處（拓撲結構2）和風電場并網出口母線處（拓撲結構3）3種[15]。

1.1 ES 安裝在風機直流側

拓撲結構如圖1 所示，RSC 和GSC 分別表示轉子側變流器和網側變流器。ES 裝置經雙向DC/DC 變流器與風機直流側母線電容相連接，其充放電功率通過網側變流器直接流向負荷側。ES 與風機直流側電容并聯(lián)，具有擴大電容的效果，可將風機和ES 視為一個整體。其缺點是ES 輸出功率受網側變流器容量限制，控制復雜，不能獨立控制ES 裝置，同時需對風機結構進行改造。

圖1 ES 安裝在風機直流側拓撲結構Fig.1 Topology of the wind power storage system when the ES is installed at DC side of the wind turbine

1.2 ES 安裝在風機輸出母線

拓撲結構如圖2 所示。單臺風機和ES 并聯(lián)安裝在輸出母線上，可獨立控制，ES 運行不受風機影響，提高了ES 運行能力和可控性。也可將風機母線部分作為一個整體，對外控制。其缺點是該處ES不具備擴充風機直流側電容功能，對直流側電壓和風速平抑功能減弱，同時安裝控制成本較高。

圖2 ES 安裝在風機輸出母線處拓撲結構Fig.2 Topology of the wind power storage system when the ES is installed at the wind turbine output bus

1.3 ES 安裝在風電場并網出口母線處

拓撲結構如圖3 所示。

圖3 ES 安裝在風電場并網出口母線處拓撲結構Fig.3 Topology of the wind power storage system when ES is installed at the grid-connected outlet bus of the wind farm

以風電場為單位，與ES 并聯(lián)安裝在并網母線上，獨立控制。該結構提高了ES 控制和獨立運行能力，對外亦可將風電場和ES 視為一個整體。其缺點是：該處ES 不具備擴充風機直流側電容功能；同時，以風電場為單位配置容量，降低了單臺風機的抗擾性；ES 裝置作為一個整體，需同時投入或退出，影響ES 使用壽命，增加了控制成本。

2 風機直流側電容應用模型

2.1 調頻能力模型

WTs 主要通過釋放/吸收轉子動能來提供慣性響應。但由于直流側電容可存儲能量遠小于風機轉動慣量，且直流側電容在達到其運行電壓偏移限制（±0.1 pu）后會失去調頻能力，同時其可變容量較小，其控制不影響最大功率點跟蹤控制[16-17]。其直流電壓動態(tài)表達式為：

式中：Pgsc為發(fā)電機側轉換器注入功率；Pgsi為電網側逆變器輸出功率；Cdc為電容，pu；Udc為直流環(huán)節(jié)電壓，pu；C為直流母線電容器的電容；UdcB為直流環(huán)節(jié)電壓基準值；SB為額定容量基準值。

直流側ES 存儲/釋放能量可由式(1)積分得到：

式中：Udc0和Udc1分別表示前一時刻和當前時刻直流電壓。將Udc1用電壓偏差ΔUdc表示，則將Udc1=Udc0+ΔUdc，代入式(4)可得：

由于直流電壓允許偏差較小，電壓偏差二次項ΔU2dc可以忽略。整理可得直流電壓基準Udc1為：

由式(7)可知：直流電容調頻能力與其可釋放/存儲能量有關。因此，拓撲結構2 和3 中，由于ES 安裝在WTs 外面，不能提供WTs 直流側擴容作用。而拓撲結構1 可有效增大直流側存儲能量，增強其持續(xù)參與調頻的能力。

2.2 平波抑動能力模型

直流側電容平抑能力取決于電容釋放/存儲能量，考慮到直流側電容可用能量，t時刻直流側電容平抑波動能力與直流側電壓平方成正比[17]，可表示為：

式中：ΔPCmax為直流側ES 提供的最大有功功率；Udc(t)為t時刻電壓；ΔP為平滑命令與實際輸出功率的偏差；Udcmax和Udcmin為最大和最小電壓。

由風儲拓撲結構可知：拓撲結構2 和拓撲結構3 只能依靠第2 種方式平抑輸出功率，但拓撲結構1 中的ES 能有效增大WTs 內部平抑風速波動能力，增大輸出功率，進而增大風電上網量。

3 ES 應用控制策略及評估指標

3.1 調頻控制策略及評估指標

3.1.1 風儲調頻協(xié)調控制策略

風機調頻與風速有關，將風速分成3 個區(qū)間：低風速區(qū)（<11.7 m/s）、中風速區(qū)（11.7～13.0 m/s）和高風速區(qū)（>13.0 m/s）[18]。在低風速區(qū)，為防止風機發(fā)生脫機故障，不參與調頻；在中風速區(qū)，通過調節(jié)轉子轉速提供系統(tǒng)慣量響應；在高風速區(qū)，由于轉子處于額定轉速，不宜支撐慣性響應，但可通過調節(jié)轉矩角提供頻率恢復階段功率[19]?；诖耍疚母鶕L機所處風速區(qū)，提出一種風儲協(xié)調控制策略，實現思路如圖4 所示，圖中SSOC,min為SOC最小值，fmin為頻率死區(qū)值。具體實現過程如下。

圖4 風儲協(xié)調控制策略Fig.4 The coordinated control strategy of wind power storage system

1）當監(jiān)測到系統(tǒng)頻率偏差Δf大于死區(qū)范圍時，風儲調頻系統(tǒng)啟動。

2）慣量響應階段：當監(jiān)測到風速為低、高風速時，風機保持原有工作狀態(tài)，風儲系統(tǒng)慣量由ES 承擔（荷電狀態(tài)滿足要求）。若處于中風速時，則由WTs 承擔風儲系統(tǒng)慣量，ES 狀態(tài)不變。

3）轉速恢復階段：當監(jiān)測到風速為低風速時，由于風機保持原有工作狀態(tài)，無需進行轉速恢復。中風速下，在ES 荷電狀態(tài)不低于最小值時，其提供額外有功功率，快速恢復風機的MPPT 運行。

通過風機與ES 之間的協(xié)調頻率控制策略，不僅能維持風儲系統(tǒng)在不同風速下的慣量響應能力，而且可避免頻率二次跌落問題。其頻率控制過程如圖5 所示。高、低風速下，選擇開關2 和3；中風速下，選擇開關1 和4。

圖5 風儲系統(tǒng)調頻控制框圖Fig.5 Frequency modulation control block diagram of the wind power storage system

3.1.2 調頻評估指標

為衡量調頻效果，需要定義評價指標對其進行量化。針對階躍負荷擾動，定義最大頻率偏差與穩(wěn)態(tài)頻率偏差分別為[20]：

式中：Δfmax與f0分別代表最大頻率偏差與基準頻率50 Hz，Hz，其值越小說明調頻效果越好。

式中：Δfsta為穩(wěn)態(tài)頻率偏差，Hz；fsta為穩(wěn)態(tài)頻率。Δfsta越小說明調頻效果越好。

針對連續(xù)擾動，用頻率偏差及SOC 均方根值作為調頻場景的評價指標：

式中：fi與SSOC,,i為i時刻的頻率與SOC，Hz；SSOC,0為初始值，取0.5；Rf與Rsoc代表系統(tǒng)頻率及SOC偏離基準值的程度，偏離值越小說明調頻效果及SOC 維持效果越好。

3.2 平波抑動控制策略及評估指標

3.2.1 平波抑動控制策略

為延長ES 使用壽命和平抑波動能力，對于風電波動，只需緩沖結果滿足國家入網標準[21]（有功功率變化率不超過10%裝機容量/min）即可，不必將其平抑成無波動狀態(tài)。

因此，可將儲能設定為4 種工作狀態(tài)，詳細過程如下：

1）風電功率斜坡率小于國家入網標準λB，且ES 剩余功率滿足下一時刻平抑能力，ES 進入風電輸出穩(wěn)定期控制策略。

式中：Pw(t+Δt)為t+Δt時刻風電輸出預測值，SSOC,max為SOC 最大值，η為ES 充放電效率，取0.9。

2）風電功率斜坡率小于λB，但此時ES 剩余功率不滿足下一時刻緩沖要求，ES 動作，提前適當充放部分功率。

ES 功率調整式如下：

式中：Pbess(t+Δt)為調整后ES 存儲功率；ΔPbess(t)為t時刻調整功率，正值為充電，負值為放電。

3）當風電功率斜坡率正向（上坡）大于λB，ES進入放電狀態(tài)。其公式如下：

為使并網風電功率滿足當前時刻和下一時刻緩沖要求，ES 充電公式如下：

4）當風電功率斜坡率反向（下坡）大于λB，ES進入放電狀態(tài)。其公式如下：

為使并網風電功率滿足當前時刻和下一時刻緩沖要求，ES 放電公式如下：

3.2.2 平波抑動評估指標

為定量說明平滑效果，定義2 個評估指標，且兩者越小表示平滑效果越好。

1）波動越限幅值總和ΔPS在運行周期T內，任意相鄰采樣時刻功率波動超過目標波動率的差值之和即為波動越限幅值總和ΔPS：

式中：ΔPk為第k次爬坡越限功率。

2）波動越限概率r在運行周期T內，越限時間之和占總時間的比例即為波動越限概率r：

4 仿真分析

4.1 調頻效果分析

在MATLAB/Simulink 中建立含風儲系統(tǒng)的電網頻率特性仿真系統(tǒng)，如圖6 所示。其中，風電場由50 臺1.5 MW 的WTs 組成。ES 最大功率為3.25 MW（按風電場額定容量5%配置[22]），ES 充放電效率為0.9，SOC 初始值為0.5，上、下限約束為0.2 和0.8。電網慣性時間常數為1.90 s。假設在5 s 時，系統(tǒng)負荷驟升48 MW。系統(tǒng)頻率曲線如圖7 所示，WTs 直流側電壓變化曲線如圖8 所示。調頻效果見表1。

表1 調頻效果Tab.1 The frequency modulation effect

圖6 仿真系統(tǒng)模型Fig.6 The simulation system model

圖7 調頻曲線Fig.7 The frequency modulation curves

圖8 直流側電壓曲線Fig.8 The DC-link voltage curves

由圖7 和圖8 可知：在拓撲結構2、3 中，由于ES 不參與直流側電壓調節(jié)，WTs 直流側經短暫放電后其電壓運行區(qū)間在邊界0.9 pu 處，從而失去繼續(xù)參與抑制頻率向下偏移的能力，造成WTs 慣量調節(jié)能力受限，頻率最大偏差值增大。對應圖7 中頻率曲線。相比之下，拓撲結構1 中ES 參與直流側電壓調節(jié)，將增大其充放電能力，使其在大擾動后能繼續(xù)參與調頻，增大慣量響應能力，有效提升頻率偏移最值。

由表1 可知：相比無調頻控制，3 種拓撲結構的風儲系統(tǒng)參與調頻均能有效改善系統(tǒng)頻率；但相比拓撲結構2 和3，拓撲結構1 改善效果更加明顯，改善效果達8.487%。

綜上，目前3 種典型風儲拓撲結構中，考慮到WTs 直流側電容容量對調頻的限制，拓撲結構1 調頻效果最優(yōu)，能有效改善風儲調頻性能。

4.2 平波抑動效果分析

取λB=2.4 MW/min。原始風電及風儲聯(lián)合系統(tǒng)輸出功率波動如圖9 所示，平滑效果見表2。

圖9 原始風電及不同風儲結構輸出功率Fig.9 The original wind power output curve and that of the wind power system with different wind storage structures

表2 風電功率波動平抑效果Tab.2 Smoothing effect of wind power fluctuation

由圖9 可知：原始風電波動較大，最大波動達5.4 MW；當ES 參與風電平抑后，越限概率明顯降低，其中拓撲結構1 改善效果最明顯，最大波動值降到2.5 MW，降低了53.72%。這主要是因為WTs側直流電容容量直接影響風電平抑輸出功率。在拓撲結構1 中，由于直流側電容容量增大，平抑能力增強，平抑效果優(yōu)于其他2 種拓撲結構。

5 結論

1）在調頻場景中，由于WTs 轉子慣量輸出受直流側電容容量限制，因此，在相同背景下，拓撲結構1 具有更好的調頻效果；

2）在平波抑動場景中，相比拓撲結構2 和3，拓撲結構1 中的ES 可以從內部增大WTs 平抑能力，提高風儲系統(tǒng)平波抑動能力。