基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计_刘昌金 78

第32卷 第16期2008年8月25日Vol.32 No.16Aug.25,2008

基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计

刘昌金,胡长生,李 霄,陈 敏,徐德鸿

(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)

摘要:风电场输出功率的波动性和间歇性会给电网带来不利的影响。为了降低风电场并网对电能质量的影响,文中阐述了一种基于超导储能系统的抑制风电场功率波动的间接控制方法。利用超

导储能系统的四象限功率运行能力来补偿风电场输出的有功和无功功率波动,并抑制由此产生的电网电压波动;通过合理设计超导储能系统功率调节器的带宽来优化储能量。通过对风电场连接于弱电网的仿真,验证了所提出的功率控制策略的有效性。关键词:风力发电;超导储能系统;功率控制;电能质量中图分类号:TM614;TM917;TM76

0 引言

风力发电是当今非水能的可再生能源发电中技术最成熟、最具有大规模开发条件和商业化前景的发电方式,近

年来一直保持着很高的年增长速度[1-2]。由于风的波动性和间歇性特点,风电功率的波动性和间歇性会对局部电网电压的稳定性和电能

[3-4]

质量产生影响。当风电场容量较小时,风电功率的波动性和间歇性对电力系统的影响并不显著。但随着风电在中国开发力度的加大,风电场的规模和单机容量越来越大,中大型风电场接入后对电网运行的不利影响也日益突出[3]。因此,研究并网风电场的功率特性以及如何管理其功率输出成为风力发电技术中的重要问题。

迄今为止,研究人员已提出了多种解决方法,可分成2类:一是通过调节风力涡轮机的运行状态来

[5-6]

平滑其输出功率,可归类为直接功率控制,但该方法对风速波动较大的风电场的功率调节能力有限;二是通过附加的储能设备来平滑风电场的输出

[7-11]

功率,可归类为间接功率控制,该方法能实现较宽范围的功率调节,有效地抑制风电场输出功率的波动。然而,目前储能设备的单位储能成本比较[12]

高,限制了储能系统在风电领域的应用,有必要对储能量进行优化;另外,由于风力涡轮机输出功率Hz~点,本文研究如何利用较小储能量的超导储能系统(SMES)来解决中大型并网风电场的功率波动可能

收稿日期:2008-04-28;修回日期:2008-06-02。国家电网公司科技项目(SGKJ[2007]120)。

带来的电能质量问题。

1 系统结构

图1为带有SMES的风电机组接入电网的结构。不考虑风电场各台风力发电机的地理位置对风速的影响,风电场由33台单机额定容量为2MW的恒速风机)异步发电机组成,风电场总装机容量为66MW,通过690V/10kV升压变压器连接到电网。由于异步发电机在发出有功功率的同时需要吸收一定的无功功率,可由电容器组提供的无功对异步发电机和变压器进行无功补偿,实现风电场10kV高压侧的单位功率因数。无风电机组接入时,电力系统在母线2处的短路容量为250MVA,用于模拟一个弱电网。SMES通过3.3kV/10kV升压变压器连接到风电场出口的高压侧。

图1 带SMES的风电场-无穷大系统Fig.1 Windfarm-infinitegridsystemwithSMES

从图1,根据功率平衡定理有:

Pgrid=Pwind-PSMQgrid=Qwind-QSM

)

(1)

2008,32(16)

由式(1)可知,对于在一定范围内波动的风电场输出功率,通过控制SMES的输入功率可以达到间接控制风电场注入到电网功率的目的。由于频率位于0.01Hz~1Hz区域的风电场功率波动成分对电网的影响最大,应控制SMES吸收该区域功率波动成分,使得从风电场输送到电网的有功功率成分基本保留在0.01Hz以下,从而降低电网对风电场输出功率波动的敏感性。

图2为SMES的风电场功率控制系统,由风电场波动功率抑制控制模块和超导储能功率控制模块

构成。

2 SMES功率控制的设计与分析

SMES的功率调节器采用了电流型变流器四模块直接并联的结构,各个模块的直流侧通过均流电感连接到直流母线,功率调节器的拓扑结构见附录A。为减小网侧谐波,采用载波相移正弦脉宽调制

[14]

(SPWM)技术,各个模块的调制信号的幅值和相位完全相同,载波信号的幅值也相同,但是各个模块载波信号的相位均匀错开90b。为平衡4个模块之间的功率出力,采用基于载波轮换的均流方法[15]。为实现电流和电压的精确控制,本文结合文献[16]的基于瞬时功率理论的单级控制方法和文献[17]的交叉解耦控制方法,改用基于同步旋转dq坐标系的3级控制方法,

分为功率级、电流级和电压级控制。SMES的功率调节器控制结构见附录A。

根据功率调节器控制结构,得到如图3所示的SMES有功功率3环控制框图,从外环到内环依次为功率环、电流环和电压环。

由图3可得电压环的闭环传递函数为:

upuicd=(2)Gud(s)=TsCs+Cs+kups+kuivcd(s) 由于kuimkup,Gud(s)可近似为:Gud(s)U1

(3)

图2 SMES的风电场功率控制系统Fig.2 WindpowercontrolsystemofSMES

图3 SMES有功功率闭环控制框图

Fig.3 Closed-loopblockdiagramofSMESactivepower

电流环的闭环传递函数为:

sdipii

Gid(s)=*=(4)2

Ls+(kip+R)s+kiiisd(s) SMES的有功功率闭环传递函数为:

SMwidsd

GSM(s)==(5)

PD(s)1+Gw(s)Gid(s)vsd

将式(4)代入式(5),可得GSM(s)的详细表达式:

sdipwp2GSM(s)=yLs+(R+kip+vsdkipkwp)s+sdiiwpsdipwisdwiii

z(6)

(vsdkiikwp+vsdkipkwi+kii)s+vsdkwikii)

)

由于kiimkip,kwimkwp,kwimL,SMES的有功功率闭环传递函数可简化为:

wp+ip

s+1

wiii

GSM(s)=(7)

wpip++s+1kwikiivsdkwi

由于对称性,无功功率的闭环传递函数也由式(7)给出。

本文中,各控制器的参数设计为:kip=0.7,kii=330,kwp=0.15,kwi=60。GSM(s)可重写如下:

GSM(s)=(8)

0.01s+1

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3 风电场的功率波动抑制策略

用第2节推导得到的有功功率闭环模型表示图2中的超导储能功率控制模块,得到简化后的从风电场到电网的有功功率信号流图,如图4

所示。

图5(a)可以看出,在0.01Hz~1Hz频段,GH(s)的增益为负,并呈现很好的凹陷特征,表明带SMES的电网对风电场的功率波动有很强的阻尼性能。SMES的功率带宽为0.01Hz~25Hz,对0.01Hz以下波动功率的补偿能力随着频率的减小而快速降低,从而有效减小SMES

所需的储能量。

图4 系统有功功率信号流图

Fig.4 Activepowerflowgraphofpowersystem

从图4可得到从风电场注入电网的有功功率为:

Pgrid(s)=Pwind(s)-PSM(s)=Pwind(s)-Pwind(s)GP(s)GSM(s)(9)

由式(9)可得到从Pwind到PSM的传递函数GF(s)(表示SMES对风电场波动功率的补偿能力)为:

SM=GP(s)GSM(s)(10)GF(s)=

Pwind(s)

由式(9)、式(10)可得到Pwind到Pgrid的传递函数GH(s)(表示电网对风电场波动功率的抑制能力)为:

grid

GH(s)==1-GF(s)(11)

Pwind(s)

为了抑制位于0.01Hz~1Hz频段的波动功率成分对电网的影响,GH(s)应具有带阻滤波器的特性。这样,GF(s)应设计成一个带通滤波器,可由高通滤波器串联低通滤波器构成。由式(8),GSM(s)可近似当做一个低通滤波器,其截止频率就成为GF(s)的上限截止频率,为25Hz。GP(s)应设计成一个高通滤波器,其截止频率就成为GF(s)的下限截止频率。在本文中,选取GP(s)为一阶巴特沃斯高通滤波器,可写出:

GP(s)=(12)1+Ss

式中:S为时间常数。

由于抑制越低频率的功率波动所需的储能量越大,考虑经济性,GP(s)的截止频率设为0.01Hz,对应的S为16s。可写出GP(s)的详细表达式为:

GP(s)=(13)1+16s

将式(8)、式(13)代入式(10),得到:

2

GF(s)=(14)1+16s+0.16s2

由式(11)和式(14),GH(s)可重写如下:

2

HG(s)=(15)

1+16s+0.16s2

GH(s)和GF(s)的频率特性如图5所示。从

图5 有功功率传递函数的频率特性

Fig.5 Bodeplotsofactivepowertransferfunctions

由于风电场端电压对无功功率波动更为敏感,可根据电压的变化量来得到SMES所需补偿的无

[18]

功功率。这里采用带有惯性环节的比例控制,SMES的无功功率由下式给出:

vq

QDem=GQ(s)$V=$V(16)

1+sTd

式中:$V为风电场端电压(母线2)的偏移量;Kvq为比例增益;Td为控制器的惯性常数。

4 时域仿真

基于图1风电场)无穷大系统的时域仿真在PSCAD/EMTDC环境下进行。SMES的电路参数为:超导线圈的电感为6H,容量为15MVA/150MJ,各个功率模块直流侧的均流电感为0.03H,交流侧线路的等效电感为0.3mH,等效电阻为22m8,滤波电容为150@4LF,功率管的开关频率为1050Hz。

图6设置无功功率给定为0、有功功率给定在200ms时做一个幅度为0.67的阶跃变换(从0到10MW)。图7设置有功功率给定为0、无功功率给定在200ms时做一个幅度为0.67的阶跃变换(从

)

2008,32(16)

0到-10Mvar)。从图6和图7可以看出,SMES有功功率的阶跃变化对无功功率没有影响,反之亦然,SMES的有功功率和无功功率解耦性能较好。图6和图7显示,SMES功率跟踪阶跃给定所需的时间为40ms,具有快的动态性能,可满足快速补偿

风电场功率波动的要求。

图9显示,风速变化使得风电场输出的有功功率会有波动,其瞬时波动幅值超过20MW(0.3)。忽略直流成分,对图9的风电场输出功率进行傅里叶分析,得到波动功率的频谱特性如图10

所示。

图10 风电场有功功率波动的频率分布

Fig.10 Activepowerfluctuationspectrumofwindfarm

图6 无功给定为0,有功给定阶跃变化Fig.6 Stepchangeinactive

power

图7 有功给定为0,无功给定阶跃变化Fig.7 Stepchangeinreactivepower

图10显示,风电场功率的波动主要集中在0.01Hz~1Hz频段,这正是所设计的SMES要吸收的功率成分。采用SMES补偿后,注入到电网的有功功率曲线平滑许多,其曲线也在图9中给出。

从图11的电网有功功率的频谱特性可以看出,位于0.01Hz~1Hz频段的波动功率幅值显著减小,高于0.1Hz的成分完全得到抑制。仿真结果显示,通过控制SMES的有功功率,注入到电网的风电场有功功率波动被抑制,验证了所提出的风电场

功率波动控制策略的有效性。

假定风电场在150s内的短时风速变化如图8所示。在此风速条件下,风电场输出的有功功率如图9

所示。

图11 注入电网有功功率波动的频率分布Fig.11 Activepowerfluctuationspectrumofgrid

图12给出了补偿后的风电场无功功率和电网

无功功率曲线。

图8 用于仿真的短时风速曲线Fig.8 Shor-ttermwindspeedin

simulation

图12 风电场输出与注入电网的无功功率Fig.12 Reactivepowerofwindfarmandgrid

图9 风电场输出与注入电网的有功功率Fig.9 Activepowerofwindfarmandgrid

受有功功率波动的影响,异步感应电机的无功功率会有较大的波动,导致风电场输出端的母线电压也出现波动,其波动幅值可超过0.1,如图13所示。在有SMES的情况下,由于SMES同时具备无

))

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功输出的能力,能吸收导致电压波动的无功功率,从而维持电压稳定,如图14

所示。

5 结语

本文针对并网风电场的功率波动对电网造成的影响,提出了基于SMES的风电场功率控制系统和间接控制策略,并进行了抑制风电场短时功率波动的仿真研究。仿真结果显示:设计的SMES具有良好的动态性能,不仅能很好地吸收风电场输出有功功率的波动成分,有效平滑注入电网的有功功率,同时,SMES也起到了抑制电网电压波动的作用。分析表明,通过合理设计控制器的带宽,采用具有较小储能量的SMES就能够降低中型并网风电场的短时能量波动对电网的影响。

附录见本刊网络版(/aeps/ch/index.aspx)。

图13 无SMES补偿时的母线2电压

Fig.13 Voltageofbus2withoutSMES

compensation

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图14 有SMES补偿时的母线2电压

Fig.14 Voltageofbus2withSMEScompensation

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图15给出了SMES的有功功率、无功功率和

超导线圈储能的变化曲线。可以看出,风电场功率的波动成分基本被SMES吸收,超导线圈存储的磁能在150s内的变化幅度为110MJ。因此,一个具有较小储能量的SMES就能够达到抑制中型风电场(例如66MW)

短时功率波动的效果。

图15 SMES的功率和储能量变化曲线

Fig.15 WaveformsofSMES

)

2008,32(16)

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胡长生(1970)),男,博士,副教授,主要研究方向:电力电子装置应用技术及新能源利用。

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LIUChangjin,HUChangsheng,LIXiao,CHENMin,XUDehong

(ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:Variabilityinpoweroutputisacharacteristicofwindenergy,whichresultsinanadverseimpactonthepowersystem.Inordertoreducethewindpowerimpactonthepowerquality,thispaperproposesanindependentpowercontrolstrategybasedonsuperconductingmagneticenergystorage(SMES)tosmoothshort-termfluctuationsinwindfarmoutputs.Fluctuationsintheactiveandreactivepowerofawindfarmarecompensatedwithfour-quadrantpoweroperationofSMES.Thesystemvoltagefluctuationsarealsodampedbythisway.TheenergystorageisoptimizedbyproperlydesigningthebandwidthofSMESpowerregulator.SimulationresultsshowtheeffectivenessofthecontrolstrategyofSMES.

ThisworkissupportedbyScienceandTechnologyProgramofStateGridCorporationofChina(No.SGKJ[2007]120).Keywords:windpower;superconductingmagneticenergystorage(SMES);powercontrol;powerquality

南瑞第三次蝉联/中国十大创新软件企业0

日前,在国家工业与信息化部软件服务业司指导,中国软件行业协会等承办的/2008中国软件产业发展暨企业创新高峰会0上,中国软件行业协会发布/2008年中国软件产业十大事件0、/2008年中国十大创新软件企业0、/2008年中国创新软件产品0。南京南瑞集团公司继2006年、2007年入选后,第三次荣获/中国十大创新软件企业0称号,国电南瑞科技股份有限公司/国电南瑞RT21-ISCS轨道交通综合监控系统软件V1.10入选/2008年中国创新软件产品0。南瑞具有计算机信息系统继承一级资质,连续6年进入中国软件企业百强,入选首批江苏省创新型试点企业和国家第二批创新型试点企业,被国家信息产业部评定为/2007年中国自主品牌软件产品前十家企业0。

))

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f6s4.html