非并网风力发电系统的电压协调控制

非并网风力发电系统的电压协调控制

第32卷　第22期2008年11月25

日Vol.32　No.22Nov.25,2008

非并网风力发电系统的电压协调控制

张先进,陈　杰,龚春英,严仰光

(南京航空航天大学自动化学院,江苏省南京市210016)

摘要:在非并网风力发电系统中,,,

从而造成直流电网中出现电压尖峰和电压升高,负载电流、输电线电压或注入电网电流等参考值,流值,抑制了电压尖峰和电压升高。。关键词:非并网风力发电;中图分类号:TM614;0　引言

,得到了广泛的研究[126]。但风能具有不稳定性和间歇性,这给交流电网带来了不良影响[729]。当系统功率平衡被打破时,由于线路阻抗特性和控制系统的延迟等影响,在新的功率平衡没有建立之前,电网中可能出现电压尖峰[10],在新的平衡建立之后,有可能造成电压升高。电压尖峰和电压升高可能会对功率器件带来损害。

为此,本文以非并网风电系统[7]为研究对象,通过引入储能单元,构建了带储能单元的非并网风电系统,并研究了电压尖峰和电压升高的控制方法。

图1　供电系统结构

Fig.1　Supplysystemstructurewithenergy2storageunits

1　系统构成及工作原理

1.1　系统构成

非并网风电系统是指风力发电机组直接与终端

负荷相连,为高耗能产业及其特殊用电领域提供电力。它是由风电场、直流电网、负载、储能系统等构成的辐射状直流系统,如图1所示。每台风力发电机通过DC/DC变换器并入直流电网,通过直流传输后通过降压DC/DC变换器向电流型负载供电。储能单元通过双向DC/DC变换器和电网相连接。1.2　工作原理

风力发电的输出功率随着风能的变化而随机变化。为了获得相对稳定的电能,需要储能单元对风电能预调节,实现整个系统的功率平衡,维护输电线系统正常工作

。

收稿日期:2008204214;修回日期:2008208203。

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2007CB210303)。

当注入电网的风电能大于负载需求的电能时,储能单元通过双向变换器吸收多余的电能,限制输电线电压升高;当注入电网风电能小于负载需求的电能时,储能单元通过双向变换器向负载释放不足的电能,限制输电线电压降低。因此,通过储能控制系统能控制输电线电压稳定,实现系统的能量调节,维护系统功率平衡。从目前储能技术发展来看,无膜液流电池的大容量长寿命和超级电容良好的动态特性,两者储能技术是一个不错的选择[11213]。

2　控制系统设计

整个控制系统分2层:

1)底层控制系统,主要是按照上层控制系统设定值控制输电线电压、负载电流以及电压尖峰和电压升高等,主要包括储能单元控制系统、发电并网控制系统、负载控制系统等。

2)上层控制系统,主要实现对系统的集中控制,如输电线电压参考值设定、负载电流设定、风电场控制设定值设定以及系统故障处理和各系统之间的协调控制等。2.1　储能单元控制系统

储能单元控制系统如图2所示。其原理是既控

非并网风力发电系统的电压协调控制

2008,32

(22)　

制电网电压,又通过储能单元协调控制输电线A点电压UA(见图1)升高

。

2.2　电流型负载控制系统

图4为第i个负载控制系统原理图。其负载变换器检测输入电压Uini。当超过设定值时,得到一

个额外的负载电流参考增量Δiloadi和负载电流参考值iloadiref相加,瞬时增加负载电流iloadi,限制电压尖峰。如果该电压小于设定值,则电流增量Δiloadi=0,退出工作,

。

图2

　储能单元控制系统框图

Fig.2　Blockdiagramofenergy2如图2所示,点电压UB(见图1),当UBref时,给定Uref,瞬时降低输电线电压参考值即增加注入储能单元的电流,使储能单元吸收波动能量,限制电压尖峰。如果B点电压小于设定值,则ΔUref=0,不影响储能控制器正常工作。其控制原理如图3所示

。

图4　负载控制器框图

Fig.4　Blockdiagramofloadcontroller

2.3　并网控制系统

并网升压DC/DC变换器是连接直流电网和风电场输出的接口,通过最大功率跟踪控制把风能以

图3　电压尖峰控制原理

Fig.3　Principleofrestrictingvoltagespike

电流的形式注入直流电网。当注入电网的风能突然增加,将给A点电压带来瞬时的电压尖峰和系统平衡后带来电压升高。瞬时电压尖峰同样由并网控制器控制,基本控制原理与图3相同。当电压尖峰超过设定值时,瞬时减少注入电网的电流,降低电压尖峰。输出电压升高由储能单元控制系统完成。

3　仿真分析

为了验证在不同条件下,负载突然减少或注入电网电能突然增加,控制系统能够实现对电压的有效控制,按照上文分析,对图1进行简化,建立仿真模型(见附录A图A1)。利用Saber软件对不同负载和注入电网电流条件下进行仿真。为了便于仿真,要求如下:①用蓄电池替代储能单元,双向变换器用BUCK2BOOST型;②输电线电压控制为2kV(B点电压);③用一个BUCK型可控电流源替代风力发电注入电网电流;④变换器开关频率8kHz;⑤负载由RC并联组成[14]。3.1　注入电网电流改变仿真分析

图5给出了负载为50kW、注入电网电流由150A增加到250A时的仿真结果。从图5(a)和图5(b)中可以看出,注入电网的电流增加,储能单元能够控制输电线电压稳定在2kV。但是A点电压在稳态时,明显高于电流增加之前的电压,图5(a)中A点电压尖峰超过了2.3kV。在相同条件下,在图5(b)中对A点电压只引入电压尖峰控制,电压尖

UBref由上层控制系统设定,在正常运行中无需

改变。只有当A点电压升高超过设定值UAref时,储能控制系统才输出控制量ΔUBref,降低输电线电压参考值,从而降低输电线电压。

ΔUBref可以由式(1)～式(3)简单计算,其中Rbus

为输电线线路A和B两点之间的等效电阻。

A点输送功率为:

PA=UAIA=

Rbus

(1)

设当B点电压降低为UB-ΔUBref时,A点电压正好不超过设定值UAref,则

(2)PA=

Rbus

由式(1)、式(2)可以计算得到:

ΔUBref

ABArefB

=

UAref

2

2

(3)

因此,只要B点电压不大于UB-ΔUBref,就可以保证A点电压不高于设定值UAref。

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绿色电力自动化 　张先进,等　非并网风力发电系统的电压协调控制

峰可以被限制在2.3kV以内,但是电压升高并没

有得到控制。在图5(c)中,通过储能单元的协调控制拉低B点电压,抑制A点电压升高,使其稳态时电压不超过2.2kV。由于功率流向是从B点到C点,所以C点电压低于B点电压。由于B点的稳压作用,A点电压变化对C点影响相对较小

。元非并网风电系统中直流电网电压的控制策略。建立了接近实际电路的仿真模型,就输入电能突增和负载突降2种可能导致电压尖峰和电压升高的实际问题分别进行了仿真分析验证。仿真结果表明,该控制方法能够有效控制电压尖峰和电压升高,避免功率器件的过压损坏。

附录见本刊网络版(/aeps/x)1,YOUXiaojie,etal.Thegridconnected

ofmulti2terminalDCsystemforwindfarms//ProceedingsoftheEighthInternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems:Vol2,September27229,2005,Nanjing,China:102121023.

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[3]MEYERC,H;INGM,PETERSONA,etal.Controland

designofDCgridsforoffshorewindfarms.IEEETranson

图5　注入电网电流变化仿真波形

Fig.5　Simulationwaveformswithchanginginjected

DCbuscurrent

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[5]王成山,孙玮,王兴刚.含大型风电场的电力系统最大输电能力

3.2　负载改变仿真分析

在图6中给出了注入电网电流为200A、负载由98kW减少到32kW时的仿真结果。从图6(a)中看出,负载突然减少,造成C点电压瞬时尖峰,由

计算.电力系统自动化,2007,31(2):17221.

WANGChengshan,SUNWei,WANGXinggang.

Total

transfercapabilitycalculationofpowersystemincludinglarge2scalewindfarm.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(2):17221.

[6]常勇,徐政,郑玉平.大型风电场接入系统方式的仿真比较.电力

于线路阻抗和B点的稳压作用,电压尖峰对B点和A点电压有轻微的影响,输电线电压仍然稳定在2kV。在图6(b)中,负载控制器引入电压尖峰控制,所以C点电压的尖峰得到抑制。图中UC升高是由于负载减小线路压降降低造成的

。

系统自动化,2007,31(14):70274.

CHANGYong,XUZheng,ZHENGYuping.Acomparisonoftheintegrationoflargewindfarm.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(14):70274.

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图6　负载变化仿真

Fig.6　Simulationwaveformswithchangingloads

Systems,2001,25(6):53256.

[9]丁磊,潘贞存,王宾.分散电源并网对供电可靠性的影响分析.电

力系统自动化,2007,31(20):89293.

4　结语

本文在“非并网理论”基础上,分析了带储能单

DINGLei,PANZhencun,WANGBin.Impactonreliabilityofdistributionnetworkswithdispersedgenerations.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(20):89293.

(下转第107页　continuedonpage107)

非并网风力发电系统的电压协调控制

工程应用 　刘　辉,等　考虑机组协调控制的汽轮机调速器模型及其应用

),男,硕士,高级工程师,总工程师,主要田云峰(1972—

研究方向:汽轮机及其调节系统实测建模与仿真。

),男,博士,高级工程师,主要研究方向:吴　涛(1968—

电力系统安全分析。

ANewTurbineGovernorModelIncludingUnitPlantCoordinatedControlSystemandItsApplication

LIUHui1,2,3,TIANYunfeng2,WUTao2

(1.NorthChinaPowerGridCompany,Beijing100053,China;

2.NorthChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100045,China;3.TianjinUniversity,300072,China)Abstract:Asanuppercontrollerforturbinegovernor,thecoordinatedcontrolsystem(CCS)impactontheregulatingcharactersofaturbine.ThekeycomponentsofCCSmodeltopowersystemstabilitysimulationneeds,andanewturbinegovernormodel,ofmodel,theexistingdigitalelectro2hydrauliccontrolsystem(DEH)modelandthe,constructed.Moreover,theproposedgovernormodelisaddedtothepowersystemtoinvestigatesimulationseffectively.Forillustrationpurpose,alowfrequencyinGridisstudiedbyPSASPusingtheproposedgovernormodel.Thesimulationmodelcanproduceresponsewhichcloselyfitsrecordedactivepoweroutput.thetoincludeCCSintogovernormodelandthevalidityoftheproposedgovernormodel.

Keywords:turbinemodel;coordinatedcontrolsystem;dynamicstability;PSASP

(上接第93页　continuedfrompage93)

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),男,通信作者,博士研究生,讲师,主要张先进(1975—

研究方向:非并网风力发电技术和变流技术。E2mail:zxjb0703113@

),男,博士研究生,主要研究方向:非并陈　杰(1982—

网风力发电技术和变流技术。

),女,博士,教授,博士生导师,主要研究龚春英(1965—

方向:非并网风力发电技术和变流技术。

CoordinatedControlofVoltageinWindPowerSystemWithoutGridConnection

ZHANGXianjin,CHENJie,GONGChunying,YANYangguang

(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)

Abstract:Whenwindpowerincreasesorloadsdecreaseabruptlyinwindpowersystemwithoutgridconnection,thepowerunbalancewilloccur,whichwillcausevoltagespikesandvoltageincreasesothatthepowerelectronicsdevicesinthesystemmaybedamaged.ThevoltagespikesandvoltageincreasemayberestrictedbychangingthecurrentdrawingfromorinjectingtotheDCgridthroughthechangesofreferencesforloadcurrent,busvoltageorinjectedcurrent.Thesimulationresultsverifytheperformanceofthemethodproposed.

ThisworkissupportedbySpecialFundoftheNationalBasicResearchProgramofChina(No.2007CB210303).Keywords:windpowersystemwithoutgridconnection;energy2storageunits;DCgrid;voltagespikes;voltageincrease

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s1v4.html