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基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制 毕大强1 葛宝明2 王文亮2 柴建云1 1 电力系统国家重点实验室 清华大学电机系 北京市100084 2 北京交通大学电气工程学院 北京市100044 摘要 随着风力发电并网容量的增加 风电场功率波动对电网的影响越来越大 为提高风电场并 网运行的稳定性 在其出口处增加新型环保钒氧化还原液流电池 VRB 储能系统 以有效调节并 网功率 根据VRB的等效数学模型 分析了VRB荷电状态与端电压之间的变化特点 采用一级 双向DC AC变换器作为VRB储能系统的功率调节器 设计了相应的充放电控制与能量管理策 略 并对具有VRB储能单元的风电场并网系统进行了建模和仿真 仿真结果表明 在风速波动的 情况下 采用VRB储能系统能够快速 有效地平滑风电场输出的有功功率波动 并可为电网提供 一定的无功支持 有效地改善了风电场的并网运行性能 关键词 储能 风电场 功率波动 钒氧化还原液流电池 收稿日期 2010203205 修回日期 2010205219 台 达 电 力 电 子 科 教 发 展 计 划 基 金 资 助 项 目 DREG2009006 0 引言 风力发电作为可再生能源发电中最具有大规模 开发条件和商业化前景的发电方式 其技术发展迅 猛 应用日趋成熟 已由小容量离网型发展为大规模 并网型 风力发电机组的输出功率取决于风速 而 风速具有间歇性和随机波动特性 导致风力发电机 组的输出功率波动较大 随机波动的功率接入电网 会影响电网运行稳定性和电能质量 1 研究表明 如果风电装机占电网容量的比例达到20 以上 电 网的调峰能力和安全运行将面临巨大挑战 国内已 经出现因为风电功率波动超出了火电调峰能力范围 而对风电采取拉闸限制并网的现象 另一方面 由 于中国风能资源最丰富的地区主要分布在华北 西 北 东北和东南沿海等偏远地区 绝大部分处于电网 末梢 电网建设相对薄弱 伴随着风场的建设 为调 节控制风电的不稳定因素和提高保障电网稳定性 周围需要配套建造一些火电厂 其实这样有违大力 发展风电等清洁能源的初衷 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 目前 已提出了多种方法来解决风电场输出功 率波动的平滑 文献 2 采用直接调节风力涡轮机 运行状态的方法来平滑其输出功率 但该方法对功 率调节能力有限 文献 3 通过在全风速范围内结 合变桨距和变速控制来平滑发电机输出有功功率 但该方法不能最大效率地利用风能 文献 425 采 用并联静止无功补偿装置调节无功波动 维持风力 发电电网接入点电压的稳定 但不能平滑有功功率 波动 储能技术的发展为风力发电大规模并网及改善 风力发电性能提供了一种有效途径 储能既可平滑 有功功率波动 又可调节无功功率 在很大程度上解 决了风力发电的随机性和波动性问题 627 储能技 术主要分为物理 电磁 化学储能三大类型 物理储 能包括抽水蓄能 压缩空气储能和飞轮储能 电磁储 能包括超导 超级电容储能 电化学储能包括铅酸 镍氢 镍镉 锂离子 钠硫和液流等电池储能 文献 8 研究了电池储能系统在改善并网风电场电能质 量和稳定性中的应用 但没有考虑具体的电池特点 文献 9 提出利用飞轮储能系统提高并网风电场的 电能质量和稳定性 文献 10211 利用超导储能系统 可平滑风电输出功率波动 文献 12213 利用超级电 容调节并网风电场的输出功率 抽水蓄能和压缩空 气储能虽具有规模大 能量转换效率高 循环寿命长 和运行费用低等优点 但需要特殊的地理条件 建设 的局限性较大 且一次性投资费用也较高 飞轮储 能 超级电容器 燃料电池及超导储能在蓄电容量和 价格等方面的限制使其不适用于大规模蓄电场合 目前大规模蓄电主要采用铅酸蓄电池 虽具有技术 成熟 价格低廉 安全性能相对可靠的优点 但仍存 在循环寿命较短 不可深度放电 其容量与放电的功 27 第34卷 第13期 2010年7月10日 Vol 34 No 13 July 10 2010 率密切相关 运行维护费用高等缺点 很难满足大规 模蓄电发展的要求 相对其他储能电池 如铅酸电池 钠硫电池等 钒氧化还原液流电池 VRB 具有许多优点 14215 如 规模大 寿命长 响应快 低维护 在室温下运行 材 料价格低廉 更换和维修费用低 额定功率和额定能 量相互独立 安全可靠等 很适合大规模电力储能 是一种潜力巨大的新型环保储能电池 VRB储能 系统已经在多个国家得到了应用验证 16217 如日本 北海道札幌风电项目 美国犹他Castle Valley项目 和澳大利亚KingIsland风电项目等 目前 VRB已 经开始步入商业化运行 有望在风能等可再生能源 发展过程中发挥重要作用 具有广阔的发展前景 本文以基于直驱永磁同步风力发电机组的风电 场为例 通过在风电场出口处增加VRB储能系统 配以电力电子接口 快速吞吐风电场输出有功功率 波动成分 并在一定范围内可以给电网提供无功支 持 以改善并网风电场的电能质量和稳定性 1 VRB数学建模 1 1 VRB工作原理 14 VRB的工作原理如图1所示 钒电池以不同 价态的钒离子溶液为电池反应活性物质 电池正极 为V4 V5 电对 负极为V2 V3 电对 正负极电 解液分别存储在2个储罐中 工作时通过泵将电解 液注入电池 电池正负极之间用离子膜隔开 充放电 时电池内部通过电解液中的阳离子 主要为H 的 定向迁移而导通 VRB的总能量存储取决于系统 的荷电状态 SOC 其量用SSOC表示 和活性化学物 质数量 总功率与电池堆电极面积成比例 VRB充放电时发生的反应可表示如下 正极 V4 e 充电 放电 V5 1 负极 V3 e 充电 放电 V2 2 图1 VRB工作原理 Fig 1 VRB operating principle 1 2 VRB的等效电路与数学模型 18219 VRB等效电路如图2所示 考虑到VRB的物 理和数学特性 该电池模型采用以下等效 SSOC代 表活性化学物质数量 被等效成一个动态更新的变 量 电池堆电势被等效成一个受控电压源 受SSOC 变化影响 泵升损耗被等效成一个受控电流源 通 过泵损电流Ipump控制 Ipump由流过电池组堆的电流 Istack和SSOC决定 VRB的功率损耗主要有等效内 阻损耗 分为由反应动力学引起的电阻Rreaction的损 耗和由质量迁移 膜 溶液 电极和双极板引起的电 阻Rresistive的损耗 和外部寄生电阻的损耗Pparasitic 分 为固定电阻Rfixed的损耗Pfixed和泵损Ppump 图2 VRB等效电路模型 Fig 2 Equivalent circuit model of VRB VRB等效电路参数值是在较恶劣的条件下 放 电至20 SSOC 估计损耗为21 内阻损耗为15 和寄生损耗为 6 基础上计算出来的 为保证在 电池额定功率PN下能够提供21 的损耗 电池堆 输出的功率为 Pstack PN 1 21 3 根据能斯特方程 单体电池电压Vcell与其SSOC 之间的关系为 Vcell Vequilibrium 2klg SSOC 1 SSOC 4 式中 Vequilibrium为单体VRB正负极的标准电势差 1 25 V k R T F ln 10 0 059 V R为气体常 数 8 314 J K mol T为温度 298 K F为法 拉第常数 96 500 C mol 寄生损耗可表示为 Pparasitic Pfixed Ppump Pfixed k Istack SSOC 5 式中 Rfixed V 2 b Pfixed Ipump k Istack SSOC Vb Vb为VRB工作时的端电压 k 为与泵损有关的常 数 其取值可参照文献 19 37 绿色电力自动化 毕大强 等 基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制 单体电池电容为6 F 因为单体电池电压较低 所以电池组一般由多个单体电池 假设n个 串联而 成 电池堆电势Vs和等效电容Celectrodes分别为 Vs nVcell 6 Celectrodes 6 n 7 VRB的SSOC按下式定义 SSOC 电池储能量 电池额定容量 8 SSOCt SSOCt 1 SSOC 9 SSOC E EN Pstack t Ecapacity IstackVb t PNTN 10 式中 SSOCt和SSOCt 1分别为t和t 1时刻的荷电状 态 SSOC为一个时间步长的荷电状态变化量 1 3 VRB组的充放电特性 根据图2中的模型 仿真研究了VRB组的充放 电特性 VRB组系统参数如下 额定功率PN 270 kW 额定容量EN 405 kW h 额定电压值 UN 810 V 单体电池数n 648 Rreaction 0 174 Rresistive 0 116 Rfixed 60 5 对VRB组以恒 定电流320 A充电1 5 h 在1 5 h后以同样电流对 电池组放电1 5 h 经过1 5 h放电 VRB组放电完 毕 在一个充放电全循环周期过程中 其VRB组 的SSOC变化曲线如图3所示 VRB组的电势Vs和 工作时输出端电压Vb变化曲线如图4所示 图3 SSOC在一个全充放电周期中的变化 Fig 3 SSOCvariation during a charge2discharge cycle 图4 VRB组端电压在一个充放电周期中的变化 Fig 4 VRB voltage variation in a charge2discharge cycle 从图4中可以看出 在对VRB组充放电过程 中 电势Vs随SSOC连续变化 端电压Vb与电势Vs 之间存在一定的电压差 为电池组等效模型中串联 内电阻的压降 在VRB组充电和放电切换时电流 反向 电池组内阻电压降极性变化 使得电压Vb在 充电和放电变化瞬间不连续 对照图3和图4 在VRB充放电过程中 Vb和 Vs在0 20 SSOC和80 SSOC 100 SSOC之间会变 化剧烈 而在20 SSOC 80 SSOC之间变化平缓 期 间VRB端电压变化不大 进一步考虑实际应用中 避免VRB过充 过放等问题 一般令VRB组工作 在线性区域20 SSOC 80 SSOC之间 目前 已有的VRB充放电功率变换器大都采 用双级式 即DC DC DC AC型变换器 利用 DC DC变换器虽能调节直流母线电压恒定 但增加 一级变换器既增加了设备成本 又降低了整体效率 和系统可靠性 本文根据VRB工作在20 SSOC 80 SSOC时电压变化平稳的特点 采用了一级DC AC变换器 调节功率 控制VRB充放电 这有利于 简化系统 提高可靠性 2 具有VRB储能系统的风电场 2 1 系统组成 VRB储能系统的安装地点可以采用各风机单 独安装的分布式结构 也可采用风电场出口安装的 集中式结构 对于大规模风电场而言 一方面分布 式结构设备维护量大 另一方面由于风电场内各点 的实际风速并不一致 各机组之间存在一定的随机 互补性 有利于降低风电场总功率的波动 采用集 中式安装将比分布式安装所需的储能容量小 经济 性更好 所以本系统在不改变风电场现有各机组现 状下 直接将VRB储能系统配置在风电场出口并 网母线处 集中控制和调节风电场的输出功率 如图5所示 风电场由10台单台额定容量均为 2 5 MW的直驱永磁同步风电机组组成 总装机容 量25 MW VRB组储能系统由30台单台额定功率 均为270 kW的单元构成 额定总功率为8 1 MW VRB储能系统容量是风场容量的32 4 图5 具有VRB储能装置的风电场系统 Fig 5 Configuration of the wind farm with VRB energy storage system ESS 47 2010 34 13 为简化系统仿真 在不考虑风电场各台风力发 电机的地理位置对风速的影响下 假设各台机组注 入电网的功率相等 把整个风场等效成单台机组 在 不考虑各台VRB单元之间影响的情况下 可以认 为各台VRB组瞬间吞吐的功率相等 将整个VRB 储能系统可以等效为单台VRB 直驱风力发电机 组主要包括风力机 永磁同步发电机 PMSG 双脉 宽调制 PWM 变换器和输出电抗器 通过690 V 10 kV升压变压器连接到电网 VRB采用一级 DC AC变换器 调节功率控制VRB充放电 最后 通过380 V 10 kV升压变压器并联到风电场出口 处的电网母线 公共点接有本地负荷 经升压变压器 接入无穷大电网 2 2 直驱发电机组控制系统 图6给出了直驱永磁同步风电机组的双PWM 变换器控制策略 20221 通过控制发电机侧变换器的 d q轴电流可以实现电磁转矩与无功的解耦控制 通过控制网侧变换器d q轴电流分量 可以实现P 和Q的独立控制 方便地调节输出功率因数 使系 统能够根据需要为电网提供一定的无功支持 通过 最大功率跟踪控制 可以实现风能的最大利用 图6 风电机组双PWM变换器控制原理 Fig 6 Control principle of wind generator converter 2 3 VRB储能控制系统 VRB储能系统有2种工作模式 1 调节风电场功率模式 当风电场出口并网处 的功率波动时 VRB储能装置通过DC AC变换器 快速吞吐有功功率的波动成分 平滑风电场输出有 功功率 需要时还可以在一定范围内调节电场输出 的无功功率 为电网提供一定的无功支持 2 VRB充放电模式 在临界荷电状态下 由于 电量很低 为VRB非工作态 由辅助的充电电路完 成预充电 达到工作态后 再切换为主变换器工作模 式 非工作态一般只有在电池安装初期或放电检修 后才会发生 因此 辅助充电电路很少使用 性能要 求也不高 这样大大提高了VRB的整体效率和可 靠性 降低了储能装置系统的成本 图7给出了单台VRB储能系统变换器控制原 理 通过并网风电场输出的有功功率和电网所需无 功功率给定作为控制信号 由双向DC AC变换器 控制VRB储能系统的有功功率和无功功率 图7 VRB储能系统变流器控制原理 Fig 7 Control principle of converters for VRB2ESS 电网正常运行时 通常控制各台直驱风力发电 机组的并网逆变器输出无功功率为0 使机组在单 位功率因数下运行 风电场的无功功率对电网的影 响较小 根据电网的需要 通过控制储能系统的 DC AC变换器 设定无功给定值Q3ref 控制VRB储 能系统向电网提供一定的无功功率支持 平衡电网 所需无功功率 研究表明 11 22 风电场输出的有功 功率中频率在0 01 Hz以上的成分对电网影响较 大 应该控制VRB储能系统来消除0 01 Hz以上 的功率波动成分 本系统采用一阶巴特沃斯高通滤波器来滤掉 0 01 Hz以下的波动成分 其滤波器传递函数Gw s 如下 Gw s 16s 1 16s 11 风电场输出的有功功率经滤波处理后 作为功 率调节系统有功功率环给定参考信号P3ref VRB储 能系统在进行吞吐风电场输出的功率波动时 VRB 电压会随之迅速变化 可能会导致过充放电 VRB 在过充时会严重影响使用寿命 一般单体VRB充 电电压上限不能超过1 75 V VRB在过放时 端电 压会降落很快 采用一级DC AC变流器进行充放 电时 其端电压必须要大于变换器交流线电压的峰 57 绿色电力自动化 毕大强 等 基于钒电池储能系统的风电场并网功率控制 值 才能使变换器工作在逆变状态 因此 在平滑电 场输出功率波动的同时 要对电池进行能量管理 避 免VRB过充放电 并限制充放电功率在额定功率 范围内 以保证VRB系统的正常运行 在VRB充 放过程中 若端电压大于上限值或小于下限值 即 VVRB VVRBmax或VVRB VVRBmin时 则令P3ref 0和 Q3ref 0 在充放电功率大于额定功率PN时 则令 P3ref PN VRB系统以恒功率充电 通过对d q轴 电流分量id和iq进行解耦控制 实现P和Q的独 立控制 3 系统仿真 在MA TLAB Simulink下建立了具有VRB储 能系统的风电场模型 仿真中各部分的主要参数如 下 1 直驱风力发电机组 风轮半径38 5 m PMSG额定容量2 5 MW 额定电压690 V 极对数 40 逆变器直流侧给定电压1 200 V 2 单台VRB组系统 额定功率PN 270 kW 额定容量EN 405 kW h 额定电压值UN 810 V 单体电池数n 648 Rreaction 0 174 Rresistive 0 116 Rfixed 60 5 如前文所述 风电 场 由10台额 定功 率 为 2 5 MW的直驱风力发电机组组成 总额定容量为 25 MW 图8给出了风电场在20 s 100 s内的风速变 化 其中 在20 s 45 s之间是阵风 在45 s 60 s 之间是渐变风 在60 s 100 s之间是随机风 在 20 s 60 s期间 控制VRB储能系统的无功功率为 0 在60 s 100 s期间 控制无功功率给定值为 1 Mvar 图8 风速仿真曲线 Fig 8 Wind speed curve 图9 图13分别给出了PMSG转速曲线 单台 发电机组输出的有功功率P和无功功率Q曲线 机 组直流侧电容电压Udc曲线 风电场输出的有功功 率Pw和注入电网的有功功率Pg及VRB组吞吐的 有功功率Pb曲线以及储能系统调节无功功率曲 线 图9 发电机转速 Fig 9 Rotor speed of generator 图10 单台机组发出的有功功率和无功功率 Fig 10 Active power and reactive power of one wind generator 图11 机组直流侧电压 Fig 11 DC2side voltage of wind turbine 图12 VRB储能系统平滑风电场有功功率 Fig 12 Smooth of wind farm active power by VRB2ESS 图13 VRB储能系统调节风电场无功功率 Fig 13 Regulation of wind farm reactive power by VRB2ESS 从图9可以看出 在风速变化时 通过最大功率 跟踪控制可以得到对应最大风能下的电机给定转 速 使发电机能够迅速跟踪给定转速 从而实现风能 的最大利用 从图10可以看出 为实现风能的最佳利用 有 功功率随风速变化而变化 波动性比较大 单台机组 瞬时功率波动最高达到了0 8 MW 而机组通过控 制并网逆变器 使其输出的无功功率为0 67 2010 34 13 从图11可看出 通过并网侧逆变器的电压环控 制 直流侧电容电压能够很好地维持在1 200 V 使 发电机发出的有功功率通过逆变器全部输出 从图12可以看出 风电场在未加入VRB储能 系统时 电场输出功率Pw瞬时波动最高达到了 8 MW左右 波动相当大 输出无功功率Qw基本上 为0 在风电场出口处加入VRB储能系统后 VRB 储能系统能够快速吞吐电场输出功率的波动成分 Pb 使注入电网的有功功率Pg明显变平滑 瞬时功 率波动控制在2 MW之内 其中 当Pb 0 VRB 储能系统吸收电场多余的有功 反之 其发出有功功 率补充电场有功功率输出的不足 滤波器设置的滞 后时间常数越大 注入电网的有功功率会越平滑 从图13可以看出 在20 s 60 s期间 VRB储 能系统输出的无功功率为0 在60 s 100 s期间 无功功率为1 Mvar 将其注入电网 当Qb 0 储 能系统向电网发出无功功率 反之 其从电网吸收无 功功率 可见 通过VRB储能系统 实现了向电网 补偿无功功率的目的 在电网发生故障时 能为电 网提供无功支撑 将有利于提高机组的低电压穿越 能力 增强电网的稳定性 进一步展望 随着储能配比容量的增加 一方面 提高了平抑风电场功率波动的能力 另一方面也提 高了整个风电场的备用容量 再辅以类似传统同步 发电机外特性的控制策略 有望将随机性发电的风 电场变为类似于传统电厂的可调度新能源发电站 彻底解决随机性新能源发电并网困难的局面 4 结语 VRB是一种适合大规模电力储能的电池 SSOC 在20 80 时 其内电势变化范围不大 利用单 级DC AC变换器实现功率调节 简化了系统结构 建立了具有VRB储能系统的风力发电并网系统模 型 仿真结果表明 在风速变化时 储能系统的单级 DC AC变换器控制策略能够快速吞吐风场输出的 有功功率波动成分 能量管理方法能够保障储能系 统的安全运行 VRB储能系统不但能够有效地平 滑风场输出的有功功率波动 而且能够向电网提供 一定的无功功率 改善了风电场并网运行性能 有利 于风电场的大规模接入电网 参 考 文 献 1 BIALASIEWICZJ T MULJADI E The wind farm aggregation impact on power quality Proceedings of the 32nd Annual Conference ofIEEE Industry Electronic Society November 7210 2006 Paris France 419524200 2 LUO C BANAKAR H SHEN B et al 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wind power system and its performance during voltage sags High VoltageEngineering 2008 34 5 9492954 21 姚骏 廖勇 瞿兴鸿 等 直驱永磁同步风力发电机的最佳风能 跟踪控制 电网技术 2008 32 10 11216 YAO Jun LIAO Yong QU Xinghong et al The optimum wind energy tracking for permanentmagnetwind turbine generator Power System Technology 2008 32 10 11216 22 LI W JOOS G ABBEY C Wind power impact on system frequency deviation and an ESS based power filtering algorithm solution ProceedingsofIEEEPESPowerSystems Conference and Exposition October 292November 1 2006 Atlanta GA USA 207722084 毕大强 1973 男 通信作者 博士 高级工程师 主 要研究方向 电力系统主设备继电保护 电力电子技术在电 力系统中的应用 E2mail bidaqiang tsinghua edu cn 葛宝明 1971 男 博士 教授 博士生导师 主要研究 方向 电机及其控制 王文亮 1986 男 硕士研究生 主要研究方向 风力 发电控制技术 VRB Energy St