摘要：随着能源和环境问题的日益严峻，作为可再生能源的风力发电得到了广泛关注和大力发展。风电并网是实现风能大规模利用的有效方式，随着风力发电机组容量和规模的不断扩大，其在电网中所占的比重逐步提高，对电力系统的影响也将越来越显著。风的随机波动性和间歇性决定了风电场的输出功率也具有随机波动性和间歇性，风电的出力可靠性差，与电力系统需要实时平衡稳定的特性相悖，其在电网中运行势必会对电网产生一系列影响，在风电穿透功率较大的电网中，风电机组的稳定、可靠运行显得尤为重要。
关键词：储能；双馈风力发电；控制
1导言
风力发电是大规模利用清洁能源的有效途径，由于其在减轻环境污染、改善能源结构、解决偏远地区居民用电问题等方面的突出作用，越来越受到世界各国的重视。近年来，风力发电技术取得了长足的进步和发展，大规模、大容量的风电场在世界各地相继投产。但由于风电机组的输出功率主要受风速、气压、温度等多方面影响，因此经常发生波动。当风电接入容量达到一定比例时，其输出功率的随机波动将给电力系统的稳定运行带来一些负面影响，如频率不稳定、电压闪变和跌落、谐波污染等，特别是当系统备用容量不足时，影响更加明显。
2双馈风力发电工作原理
双馈感应发电机由定子绕组直连定频三相电网的绕线型感应发电机和安装在转子绕组上的双向背靠背IGBT电压源变流器组成。
”双馈“的含义是定子电压由电网提供，转子电压由变流器提供。该系统允许在限定的大范围内变速运行。通过注入变流器的转子电流，变流器对机械频率和电频率之差进行补偿。在正常运行和故障期间，发电机的运转状态由变流器及其控制器管理。
变流器由两部分组成：转子侧变流器和电网侧变流器，它们是彼此独立控制的。电力电子变流器的主要原理是转子侧变流器通过控制转子电流分量控制有功功率和无功功率，而电网侧变流器控制直流母线电压并确保变流器运行在统一功率因数（即零无功功率）。
功率是馈入转子还是从转子提取取决于传动链的运行条件：在超同步状态，功率从转子通过变流器馈入电网；而在欠同步状态，功率反方向传送。在两种情况（超同步和欠同步）下，定子都向电网馈电。
3集成EES的双馈风力发电系统控制策略
所谓的EES主要是嵌入式能量存储（embedded energystorage，EES）电池系统。风的自然间歇性使风力发电功率稳定性较差，其输出功率随风速增大或减小。可利用储能系统对此波动功率进行补偿，以实现输入电网功率恒定。因此，EES需具备一定的能量缓冲水平。为保障储能系统的自身安全和正常工作，运行中需实时检测EES的储能状态或称为荷电状态（SOC）。SOC定义为电池剩余电量与标称电量的比值，对电池的充放电过程至关重要，需设定在一定的范围内。
3.1 SOC未越限时的控制策略
电池的SOC处于工作范围（如20%-80%）内时，EES作为能量缓冲系统由Boost DC/DC变流器接入发电系统的直流母线侧，根据风速变化调节发电系统输出功率。在传统双馈发电系统中，直流环节的电压波动在一定程度上反映了风电功率的波动，因此，直流侧DC/DC以恒定的直流母线电压为控制目标。当直流侧电压高于设定值时，表明风速较高，过剩的风能可通过DC/DC变流器向EES充电；反之，当直流侧电压低于设定值时，表明风速较低，风电输入电网功率的缺额则由EES通过DC/DC变流器放电而流入直流母线侧。RSC实现风力发电机输出有功与无功功率的解耦控制。为实现最大风能捕获，根据风速实时调节发电机的转速，保持最佳叶尖速比，最大化风能转换效率；无功功率的参考值可根据定子功率因数的需求选取。由于DC/DC用于控制直流母线电压，GSC则补偿发电机定子侧的输出功率与风电输入电网功率指令的差额功率，保证输入电网的功率恒定，提高风电输出功率的稳定性。为充分利用变流器的无功调节能力，可根据系统的需要提供或吸收一定的无功功率，其参考值可依据网侧的功率因数选择（通常工作于单位功率因数）；另外，在电网电压降落情况下，无功功率可用于调节系统交流电压的稳定，其最大补偿容量取决于变流器的设置容量。
3.2 SOC越限时的控制策略
某段时间内风速持续较高（如暴风），可能使得EES存储容量达到上限饱和；某段时间内风速持续较低（如无风），又会使得EES存储容量低于下限而深度放电。对于由蓄电池构成的储能系统，必须避免过充或深放状态的出现。因此，为保证EES的安全及发电系统的正常运行，当检测到电池SOC或电压越限时，必须将储能系统切除。此时，系统恢复为传统的双馈发电系统，总体控制策略须进行相应调整。在切除储能环节后的高风速区（额定风速以上），RSC实现恒功率控制，在低风速区（额定风速以下）依然跟踪最大功率曲线，GSC则恢复为控制直流端电压恒定，保证系统的可靠运行。
4仿真分析
4.1在风速变化条件下稳定功率输出
在该时段内取任意120s模拟实际风速进行仿真。为了精确描述风速随机性和间歇性的特点，通常用基本风、阵风、渐变风和随机风４种成分的风速来模拟。其中基本风、阵风、渐变风的风速分别为12、2、2m/s。阵风持续时间为20s-30s；渐变风持续时间为40s-60s或90s-110s；随机风表面粗糙度0.005，扰动范围600平米。
4.2并网点功率给定发生阶跃变化时功率跟踪
本节用以展示并网点功率给定发生阶跃变化时功率跟踪的效果。要求系统在指令功率Ｐ＊阶跃变化时，能快速准确地跟踪实际功率P。在与上文同样的风速条件下对加入储能装置的风电系统进行仿真。
图1为并网点功率给定发生阶跃变化时实际功率的跟踪波形。可以看出，实际功率P能准确跟踪给定的变化，且响应速度在0.2s左右，能够满足功率调节响应要求。
图1 并网点功率给定阶跃变化时实际功率的跟踪
5实验分析
实验中所用到的平台为一台绕线式异步电动机及其同轴连接的直流发电机和一组阀控式铅酸蓄电池。绕线式异步电动机模拟双馈式感应发电机；直流发电机工作在电动状态，模拟原动机；铅酸蓄电池组作为储能单元，每节12V共33节串联组成端口电压为400V的蓄电池组，直接与直流母线相连。实验中模拟风速变化导致电机速度变化，通过调节直流原动机转速使双馈式感应发电机定子输出功率产生相应变化。
6结论
本文提出了一种将储能系统加入背靠背变换器直流母线的新型双馈风力发电系统，并对背靠背变换器实施功率控制策略，有效地抑制了风速随机化引起的风力发电系统并网点输出功率的波动。仿真和实验结果表明，在风速波动的情况下，该系统能够按照优化控制策略得到平滑的功率输出，且具有较好的稳态性能和动态响应能力。
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论文作者:范翔民
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：变流器论文; 功率论文; 风速论文; 系统论文; 电网论文; 电压论文; 转子论文; 《电力设备》2017年第30期论文;