基于混合储能的风电并网调频控制

基于混合储能的风电并网调频控制

杨璟栋

大唐新疆发电有限公司

摘要：由于储能系统能够提供短时的调节能力，因而将电网频率信号引入相应控制系统，在实现功率平衡的基础上，还可以响应电网频率变化，使风电机组参与一次调频。鉴于此，本文研究了基于混合储能系统的风电系统附加一次调频控制方法，以常见的DFIG机组为例，研究了附加一次调频下混合储能系统的控制方法，在平抑发电侧功率波动的基础上，研究储能系统的构成及控制策略。

        关键词：混合储能；风电并网；调频；控制

1、混合储能系统

        混合储能系统是由超导磁储能系统和电池储能系统结合而成，其在能量、功率和响应时间上都可以很好地互补。这种混合储能系统结合了两种储能系统的优点，具有响应时间快、功率密度高、能量密度高、效率高、近乎无限次的充放电周期等特性。相比于单一储能系统，混合储能系统的整体性能大大提高，电池的生命周期被延长，整体效率也将提高。混合储能系统中的SMES由于主要用于快速功率响应，其额定能量密度可以降低，从而降低投资费用，提高系统的经济性。电力系统调度中心通常根据精度较高的超短期风速预测和负荷预测，实时更新风电场出力计划，每隔一段时间向风电场发送一次实时调度指令风电场控制层接到指令后再按照风电场最大风能跟踪控制发电原则，下达风力发电系统在该时段的力计划，从而得到储能系统在该时段的出力。在带有风电场的电力系统之中，储能系统通过双向DC/DC变换器与风电场连接，可以装设在机组侧的直流母线上、风电机组的输出母线和风电场的并网出口母线。混合储能系统可以集中配置，也可以分布配置。本文采用并网出口侧集中配置混合储能系统[1]。

 2、惯性响应与下垂响应控制
        本文所提出的关于惯性响应与下垂响应的控制策略的配置如图1所示。这种控制策略在理论上具有很强的兼容性，适用于不同类型的储能系统(ESS)控制。针对本论文所研究的ESS系统提出一种惯性响应-下垂控制(IR-PFR)的控制策略。这种控制策略由两个基本但相互独立的部分组成，分别代表发电机的惯性响应和下垂响应的控制过程，共同构成电力系统的主要频率响应。从图中可以看出两个控制回路是分离的，互不影响，可以根据运行要求使得两个控制策略的分别启用或禁用，基于这个特点可以通过观察两个服务分别进行的效果来进行分析工作。这两个回路使用不同的信号作为输入，但两个输入量f0和f都是基于频率和单位量pu。IR控制从微分算子获得频率的变化率，而PFR根据测得的系统频率和标称设定点之间的差值进行操作。两个回路的输出PIR和PPFR都以单位量的形式表示，其代数和的范围从一1到1pu，最终产生的输出表示为ESS额定功率的百分比[2]。
        2.1 ESS的惯性响应控制
        惯性响应(Inertial Response，IR)控制是基于关于导数(df/dt)的一种算法，并结合电池单元的安全问题进行研究。图1中，计算时会使频率变化率的信号通过一个边界线为±0.001Hz/s的死区。目的是为了确保混合储能系统在正常工作期间，不会因频繁的频率振荡而过度频繁地充电或放电，这有利于延长系统的工作寿命。由于所有的系统都会存在响应时间的延迟，因此这也可以避免系统频率因振荡而发生更大的波动。频率与实际输出功率之间的关系如下：
        

PIR为来自ESS的虚拟惯性响应所需要的有功功率；t1和t2是滤波时间常数，这两个参数在这里都等于0.05；s为带通控制系数，用于控制滤波时间的长短；KIR是对输出信号进行缩放的比例增益。在选择合适的增益KIR值之前，需要设定频率变化率的临界极限不超过电网规定的0.5Hz/s。因此假设当(df/dt)达到其上限时，PIR预计为lpu，那么KIR的对应值应该是2。公式中的传递函数仅会对功率相对于时间的曲线形状造成影响，并不影响最终的输岀值。然而这种惯性响应的控制策略有一个缺陷，就是它可以检测到频率变化率发生变化，但没有进一步分析并作出反应。经过储能系统一小段时间的供电以后，频率变化率的符号会因频率开始恢复而发生改变。在这种情况下，混合储能系统将会向系统输出能量来阻止频率恢复正常的状态。为了消除这种不必要的功率输出，本文进一步提岀一个子系统来弥补这一缺陷，子系统的流程框图在图2中给出。该子系统使用基于时间的控制策略，并作为上述IR控制回路的补充控制方案。
        

   2.2 ESS的下垂控制
        下垂响应是从频率跨越死区边界的瞬间开始，在系统再次以安全稳定的状态运行之前不会停止。下垂控制过程时间几乎等于系统一次频率主动响应的过程时间。在频率处于下降状态的初始阶段，PFR的一部分与IR响应重叠。在PFR控制回路中增加一个边界线为±0.001Hz/s的死区，这一点与惯性响应的控制过程相同。通过限制调节区域来避免过度灵敏而产生的振荡，当频率偏离标称值超过±0.02Hz时，下垂控制回路被激活，下式为这个控制循环奠定了基础：

 △f是产生的频率偏差，f0为单位额定频率，RESS是以单位形式的ESS的下垂因子。下垂因子是决定PFR控制性能的参数。图1定义了当频率下降到49.8Hz或上升到50.2Hz时，混合储能系统将提供其标准功率PESS的下垂值。整个调节区域的RESS值等于0.0036，当偏差超过±0.2Hz时，RESS值达到饱和，否则输出将大于1pu。
3、储能辅助风电并网控制
        针对各电网的并网导则提出的风电并网要求，除了改进风机控制策略之外，增加储能系统用以辅助风电并网控制成为了有效手段之一。储能技术由于具有对功率和能量的时间迁移能力，且具有控制灵活和响应快速的特点，能有效改善常规发电静态出力特性及风力发电动态响应特性。在全球范围内有许多风电场配备了储能系统示范工程，以增强风电并网的充裕性与稳定性。储能系统在风电场侧的主要作用就是辅助风电场实现并网导则中的相关技术规定。根据能量转换形式的不同，常见的储能技术可以分为机械储能、电磁储能、化学储能和相变储能。根据技术特点，储能技术可分为功率型储能和能量型储能。
        3.1储能辅助风电有功功率与频率控制
        目前，对风电功率进行控制的方法主要有风力发电改进控制和储能系统辅助控制两类。根据风电场自身的技术特性，通常以利用桨距角控制和停机等手段降低当前有功功率为主。与风力发电改进控制相比，储能系统能够通过灵活控制吸收或释放功率实现对风电场有功功率的控制，且不需要改变已并网的风电机组控制方式。
        为了控制风电并网功率的波动性和不确定性、满足并网导则对风电有功功率不同时间尺度的要求，储能系统需要在实时功率和可用容量两个方面满足控制要求。对于短时间尺度、大功率幅值的风电功率波动，储能系统需要提供响应快速、功率较大的交换功率。功率型储能技术具有功率密度高和响应速度快的特点，适用于风电有功功率短时控制，包括超级电容器、超导磁储能、钠硫电池、飞轮储能等。而当风电发生剧烈的爬坡事件时，储能系统需要在较长时间内持续吸收或释放功率，此时储能系统必须能提供一定的可用容量以满足控制要求。能量型储能技术具有较高的容量密度、较长的额定功率充放电时间，可提供充足的能量满足 风电爬坡事件期间的有功功率调节需求。常见的能量型储能技术包括锂电池、铅酸电池、液流电池、压缩空气和抽水蓄能等。因此，多类型储能系统协调互补，共同解决风电并网有功功率控制问题成为了一种研究趋势。
        在实现有功功率辅助控制时，储能系统的安装位置可分为两种。最普遍的方式为将储能系统通过DC/AC电力电子变流器连接至风电场并网点(pointofcommoncoupling，PCC)，以实现储能系统与风电场的联合输出功率满足电网的并网导则技术规定；另一种是将储能系统连接至双馈感应风机(doublyfedinductiongenerator，DFIG)背靠背变流器中的直流母线上。由于电化学储能主要以直流形式进行充放电，因此该方式仅需要通过DC/DC变流器即可实现储能系统对风电有功功率的调节控制。
        由于风电场内部数十台乃至上百台风电机组的运行工况不尽相同，其可用于虚拟惯量控制以实现频率响应的转子动能也不同，需要较为复杂的协调配合。另外，在系统扰动清除后，风电机组需要尽快恢复至最优转速，短时间内大量机组的转速恢复容易导致系统的二次频率跌落。桨距角控制调节能力较强，调节范围较大，但是由于其执行机构为机械部件，因而响应速度较慢；且桨距角的频繁变化容易加剧机组的机械磨损，缩短使用寿命、增加维护成本。因此，风电机组自身的频率响应能力存在一定的局限性。储能系统具有功率响应快速的特点，可以简单有效地辅助风电场实现频率响应。常用的储能技术主要包括超导磁储能、超级电容器等功率型储能技术。
        随着系统对风电吸纳能力的逐渐提升，风电的短时小幅波动对系统的影响逐渐减小。而剧烈爬坡事件由于持续时间长、波动幅度大，对系统的功率平衡冲击较大，影响较强。因此，未来风电有功功率控制的研究趋势之一是基于风电爬坡事件驱动和考虑系统运行状态的风电有功功率优化控制。
        3.2储能辅助风电无功功率与电压控制
        随着风电开发规模的不断扩大，风电场无功功率的波动对局部地区电压稳定、无功平衡的影响日益增大。对风电场无功功率的传统控制手段主要包括无功补偿电容器、静止无功发生器(staticvargenerator，SVG)、静止无功补偿器(staticvarcompensator，SVC)、静止同步补偿器(staticsynchronouscompensator，STATCOM)、风机无功功率控制、风电场变压器分接头调整以及多种手段协调控制等。
        储能系统具有灵活的四象限运行特性，可根据需要快速灵活地进行双向无功功率、双向有功功率交换。另外一种研究思路是将储能系统与传统的无功补偿设备相结合，以提高风电场无功功率的控制能力。未来研究的趋势之一是将风电场中配置的储能系统进行有功功率控制和无功功率控制相结合的复合控制，根据风电场和电网不同运行状态和故障状态下的控制需要，协调储能系统的有功功率输出和无功功率输出。这种应用方案可以进一步提高储能系统的利用效率，从而降低单一应用储能的经济成本。

4、结束语
 由于大规模风电并网会使系统惯性下降，导致系统被扰动影响后频率波动增大，降低系统的抗干扰能力和频率稳定性。而随着并网风机规模的增加，这种趋势也更加明显。因此，本文提出了基于IR-PFR的储能系统控制策略，分别针对频率的惯性响应与下垂控制，实现对混合储能系统的控制，进而提高系统频率响应的抗干扰能力。
        参考文献
        [1]雷勇，林晓冬.超导磁储能-蓄电池混合储能系统在平抑风电场功率波动中的应用[J].高电压技术，2019，0(3):983-992.
        [2]茹雪艳，何凯.超导磁储能装置抑制风电并网功率波动的探索[J].佳木斯大学学报:自然科学版，2021，39(4):51-54.