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摘要：随着国内 GW 级风电场的建设、风电装机容量的不断提高和风力发电规模的不断增大,越来越多的大中型风电场相继直接并网运行,风力发电在电力系统中所占的比重将越来越大,风电场输出功率的波动性给电网运行带来的不利影响亟待解决。本文对此进行了分析。
关键词：风电并网；储能；钒电池；功率控制；变结构控制
一、直驱风力发电机组的控制系统
二、本文中的风电场由多台直驱永磁同步风力发电机组成，单台直驱永磁同步风力发电系统的控制原理如图1所示，其主要包括：风力机、永磁同步发电机、双PWM变流器及控制系统4个部分。
三、储能系统变流器的数学模型
储能系统变流器的数学模型是研究其控制策略的基础。针对储能系统双向AC/DC变流器的数学模型，本文采用电网电压定向矢量控制，选取d轴与电网电压综合矢量重合，即ed=um，eq=0，则在d-q坐标系下，储能系统双向AC/DC变流器的暂态数学模型变为
式中：R、L分别为电抗器的电阻和电感；ud、uq、id、iq分别为变流器电压电流的d-q轴分量；ω为电网同步电角速度。
储能系统变流器输出的有功功率Pb、无功功率Qb的表达式为
式中：ed、eq分别为电网电压的d、q轴分量。
三、 储能系统变流器的控制策略
四、 3.1功率控制环设计
在风电场的并网端口增加电池储能系统后，在不考虑风电场自身发出的无功功率情况下，依据功率平衡原理，可得功率方程如下
式中：Pg为风电场输出有功功率；Pwant为并网有功功率；P*b为储能系统需要平抑的有功功率；Pb为储能系统充放电功率；Qb为储能系统输出的无功功率；Q*b为储能系统输出无功功率指令值。
在功率控制环中，选择将储能系统的有功功率指令值P*b与功率反馈值Pb，经闭环比例-积分（PI）型调节器运算，其调节输出量作为内环电流环的有功电流指令值i*d，即
式中：Kp与Ki分别为比例、积分控制系数。同理可得内环电流环无功电流指定值i*q，即
3.2电流控制环设计
3.2.1状态反馈精确线性化解耦状态反馈精确线性化的基本思想，是通过选择适当的坐标变换和状态反馈，使系统在全局范围内线性化。
因此，本文将式（1）写成状态方程，即
令VRB工作在20%~80%荷电状态，Udc可当做恒定量来处理，因而选取状态变量为[x1，x2]=[id，iq]，同时选取控制量为[u1，u2]=[ud，uq]，输出量为[y1，y2]=[h1（x），h2（x）]=[x1，x2]，则式（6）写成仿射非线性的模型为
式中：f(x)=[-（R/L）x1+ωx2+um/L，-ωx1-（R/L）x2]T；g1(x)=[-1/L，0]T；g2(x)=[0，-1/L]T。
综上所述，结合图2及储能系统双向AC/DC变流器相关信息，构成储能型风电场功率控制系统。
五、结语
5.1采用状态反馈精确线性化方法和变指数趋近律所设计的变结构控制器，能保证VRB储能系统在风速变化时进行快速充放电，平抑风电场输出波动，且变结构控制的效果优于PI控制；
5.2采用状态精确线性化方法实现了储能系统双向AC/DC变流器的线性化解耦控制，VRB储能系统输出的有功和无功功率可独立调节。钒电池自身结构复杂，在实际运行中可能存在过充放电的情况，因此结合钒电池组的能量管理控制策略一起研究将是今后研究的关注点。
参考文献：
[1]迟永宁，刘燕华，王伟胜，等．风电接入对电力系统的影响[J]．电网技术，2007，31（3）：76-81．
[2]裴哲义，董存，辛耀中.我国风电并网运行最新进展[J].中国电力，2010，43（11）：78－82．
[3]变结构控制策略在直驱永磁同步风力发电机中的应用[J].刘向向,李新宇,王奔,邓大磊.电网技术.2013(02)
[4]基于超导储能的直驱风电系统功率平滑控制[J].党存禄,林国富.中国电力.2013(01)
[5]钒液流储能电池建模及其平抑风电波动研究[J].李国杰,唐志伟,聂宏展,谭靖.电力系统保护与控制.2010(22)
论文作者:曹强
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/24
标签：变流器论文; 功率论文; 储能论文; 系统论文; 永磁论文; 电网论文; 风电场论文; 《中国电气工程学报》2019年第4期论文;