CN102355008B - 一种平抑风电场功率波动的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平抑风电场功率波动的控制装置及方法，控制装置包括风力发电机组、控制器、AC-DC滤波器、DC-AC逆变器、液钒电池储能系统、检测模块1和检测模块2；以经过控制器一阶滤波处理后的风电场有功功率和参考补偿量之和作为有功功率调节的目标值，将液钒电池储能系统配置在风电场变电站低压侧，对整个风电场的功率波动进行平抑控制，对风电场进行集中控制和调节，改善并网风电机组的稳定性，实现简单，分别对有功和无功功率进行解耦，克服强耦合系统控制难的问题。利用该风电配置钒电池储能系统和灵活的四象限调节能力可以快速平滑风电场的输出，减小风电场输出功率波动对电网的影响，系统出现故障后有效提高风电机组稳定性。

Description

一种平抑风电场功率波动的控制方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种平抑风电场功率波动的控制装置及方法。 

背景技术

风力发电是当今社会除水能发电以外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。由于风能是一种间歇性能源，且风速预测存在一定的误差，故产生的电功率具有间歇性和不稳定性，这也会对当地电网的电能质量产生影响。因此，研究并网风电场的功率特性以及改善风电场发电的稳定性，抑制风电引起的功率波动等问题成为风电并网运行中的重要问题。 

目前，研究人员已经提出了多种解决方案，一是通过调节风力涡轮机的运行状态来平滑其输出功率，但该方法对风速波动较大的风电场的功率调节能力有限；二是采用无功补偿器可快速补偿无功功率，维持风力发电机组发电接入点电压的稳定，但此方法不能调节风电场输出的有功功率。而采用风电配套的液钒电池储能系统则可以控制风力发电输出的有功功率和无功功率，此储能系统不仅可用于电力调峰，使风力发电单元作为调度机组单元运行，而且具备向电力系统提供频率控制、快速功率响应等辅助服务的能力。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种平抑风电场功率波动的控制装置及方法。以经过控制器一阶滤波处理后的风电场有功功率和参考补偿量之和作为有功功率调节的目标值，将液钒电池储能系统配置在风电场变电站低压侧，液钒电池储能系统对整个风电场的功率波动进行平抑控制，对风电场进行集中控制和调节。 

本发明装置包括风力发电机组、控制器、AC-DC滤波器、DC-AC逆变器、液钒电池储能系统、检测模块1和检测模块2； 

检测模块1和检测模块2分别连接风力发电机组和三相电网，AC-DC滤波器和DC-AC逆变器的交流侧连接三相电网，检测模块1是检测风电场输出电压和电流信号，检测模块2是检测输入电网的电压和电流信号，在拓扑结构上，AC-DC滤波器和DC-AC逆变器是接在检测模块1和检测模块2之间的。液钒电池储能系统连接AC-DC滤波器和DC-AC逆变器，控制器分别连接检测模块1、检测模块2、AC-DC滤波器、DC-AC逆变器和液钒电池储能系统。 

本发明平抑风电场功率波动的控制方法，包括以下步骤： 

步骤1、设置风电配套液钒电池储能系统的初始参数，包括单体液钒电池的充电电压上限值和放电电压的下限值； 

由控制器给出初始化指令，设定单体液钒电池充电电压的上限值和放电电压的下限值，由控制器给出指令，使其工作状态如下：若风电配套液钒电池储能系统的充电电压大于其充电电压的上限值，则停止充电；若风电配套液钒电池储能系统的放电电压小于其放电电压的下限值，则停止放电，即令电池输出和输入的有功功率给定 

电池输出和输入的无功功率给定 

步骤2、确定风电配套液钒电池储能系统电站的容量配置； 

设风电场有功功率输出为P_wind，风电场功率经液钒电池储能系统平抑后的有功功率给定值是通过控制器一阶滤波得出。则风电场经一阶巴特沃斯滤波器的期望输出功率为 

其中，S是复频率。而电池储能系统电站的输出功率为其有功功率期望输出值与风电场有功功率输出值之差 

液钒电池储能系统电站的容量为其输出功率对时间的积分，因此得到了液钒电池储能系统电站容量与风电场输出功率的关系：即  $E_{\mathrm{ess}}=\frac{16}{1+16s}{P}_{\mathrm{wind}};$

步骤3、检测模块1和2采集风电场实际输出的电压和电流信号，得出风电场输出功率P； 

步骤4、确定经液钒电池储能系统滤波后的风电场有功功率参考信号 

在实际的风电场运行场合中，液钒电池储能系统内部也存在一定的损耗，取乘子0≤β≤1，以防止液钒电池储能系统的过深放电和过度充电。设液钒电池储能系统的容量为E，风电场的额定功率为P_wf，时间常数为T，因此，取液钒电池储能系统在频域中的参考补偿量为： $H\left(s\right)=\mathrm{\α}(E_{\mathrm{ess}}-\frac{T}{10(1+\mathrm{Ts})}{P}_{\mathrm{wind}}-\frac{E-\mathrm{\β}\×T\×P_{\mathrm{WF}}}{2}),$ 经变换得时域上的参考补偿量为  $h\left(t\right)=\mathrm{\α}(E_{\mathrm{ess}}\mathrm{\δ}\left(t\right)-\frac{1}{10}{e}^{-\frac{t}{T}}\×P_{\mathrm{wind}}\mathrm{\δ}\left(t\right)-\frac{E-\mathrm{\β}\×T\×P_{\mathrm{wf}}}{2}\mathrm{\δ}\left(t\right)),$ 故有功参考值为 $P_{\mathrm{ref}}^{*}=P_{\mathrm{ess}}+h\left(t\right).$ 其中，α为反馈系数，取 

步骤5、判断液钒电池储能系统输出的补偿功率Pess，若Pess＞0，则液钒电池将补偿量输出给发电系统，否则补偿量为液钒电池充电； 

步骤6、判断风电场实际输出功率P与 

大小，若 

则液钒电池放电，补偿发电 系统电量；否则，液钒电池充入补偿电量； 

步骤7、判断补偿量是否超出液钒电池储能系统电站的容量，即判断Pess和Eess大小，如果Pess＞0.85×Eess，则停止；如果Pess＜0.85×Eess，则执行步骤8； 

步骤8：、根据矢量控制的原理得出控制规则，控制AC-DC滤波器和DC-AC逆变器工作；控制信号进入AC-DC滤波器，液钒电池储能系统进行充电；控制信号进入DC-AC逆变器，液钒电池储能系统进行放电； 

具体控制规则内容如下：选取适当变换，其旋转坐标系中的d轴与电网电动势初始相位角重合。所提方法中，有功功率的控制通过调节d轴的电流和电压实现，无功功率的控制通过调节q轴电流和电压实现。在外控制环中，d轴的控制信号为有功功率的偏差ΔP，q轴的控制信号为无功功率的偏差ΔQ，通过有功功率控制器产生d轴期望的给定电流控制信号 

通过无功功率控制器产生q轴期望的给定电流控制信号 内控制环为一个交流输入电流环，用来控制d轴和q轴的电压参考给定值 

给定值 

与三相输出电压u_d，u_q以及互感产生的电压比较后，一同控制驱动SVPWM模块的脉冲发生器，实现有功功率和无功功率的独立控制。当电网正常工作时，设定并网逆变器的无功功率输出为0。 

步骤9、补偿后的功率输出至电网。 

有益效果：本发明通过提出一种风电配套液钒电池储能系统平抑风电场功率波动的控制方法可以改善并网风电机组的稳定性。控制方法实现简单，分别对有功和无功功率进行解耦，克服了强耦合系统控制难的问题。利用该风电配置液钒电池储能系统和灵活的四象限调节能力可以快速平滑风电场的输出，减小风电场输出功率波动对电网的影响，并且可以在系统出现故障后有效提高风电机组稳定性。 

附图说明

图1是本发明实施例液钒电池储能系统的功率控制原理框图； 

图2是本发明实施例控制装置结构示意图； 

图3是本发明实施例液钒系统平抑风电场功率波动补偿原理示意图； 

图4是本发明控制方法流程图。 

具体实施方式

本发明结合具体实施例和说明书附图加以详细说明。 

本发明控制装置如图2所示，包括风场中风力发电机组、控制器、AC-DC整流器、DC-AC逆变器、液钒电池储能系统、检测模块1和检测模块2； 

风力发电机选用SUT-100，检测模块1和检测模块2均选用WE150型检测模块，AC-DC整流器和DC-AC逆变器均选用WE300变换器，控制器选用WE-1000控制器，液钒电池储能系统选用VRB-4000液钒电池储能系统；本发明的功率控制原理框图如图1所示。 

检测模块1和检测模块2分别连接风力发电机组和三相电网，AC-DC滤波器和DC-AC逆变器的交流侧连接三相电网，检测模块1是检测风电场输出电压和电流信号，检测模块2是检测输入电网的电压和电流信号，在拓扑结构上，AC-DC滤波器和DC-AC逆变器是接在检测模块1和检测模块2之间的。液钒电池储能系统连接AC-DC滤波器和DC-AC逆变器，控制器分别连接检测模块1、检测模块2、AC-DC滤波器、DC-AC逆变器和液钒电池储能系统。 

本发明平抑风电场功率波动的控制方法，流程如图4所示，具体包括以下步骤： 

步骤1、设置风电配套液钒电池储能系统的初始参数，包括单体液钒电池的充电电压上限值和放电电压的下限值： 

由控制器给出初始化指令，设定单体液钒电池充电电压的上限值和放电电压的下限值，由控制器给出指令，使其工作状态如下：若风电配套液钒电池储能系统的充电电压大于其充电电压的上限值，则停止充电；若风电配套液钒电池储能系统的放电电压小于其放电电压的下限值，则停止放电，即令电池输出和输入的有功功率给定 

电池输出和输入的无功功率给定 

步骤2、确定风电配套液钒电池储能系统电站的容量配置； 

设风电场有功功率输出为P_wind，风电场功率经液钒电池储能系统平抑后的有功功率给定值是通过控制器一阶滤波得出。则风电场经一阶巴特沃斯滤波器的期望输出功率为 

其中，S是复频率。而电池储能系统电站的输出功率为其有功功率期望输出值与风电场有功功率输出值之差 

液钒电池储能系统电站的容量为其输出功率对时间的积分，因此得到了液钒电池储能系统电站容量与风电场输出功率的关系：即  $E_{\mathrm{ess}}=\frac{16}{1+16s}{P}_{\mathrm{wind}};$

步骤3、检测模块1和2采集风电场实际输出的电压和电流信号，得出风电场输出功率P； 

步骤4、确定经液钒电池储能系统滤波后的风电场有功功率参考信号 

在实际的风电场运行场合中，液钒电池储能系统内部也存在一定的损耗，取乘子0≤β≤1，以防止液钒电池储能系统的过深放电和过度充电。设液钒电池储能系统的容量为E，风电场的额定功率为P_wf，时间常数为T，因此，取液钒电池储能系统在频域中的参考补偿量 为： $H\left(s\right)=\mathrm{\α}(E_{\mathrm{ess}}-\frac{T}{10(1+\mathrm{Ts})}{P}_{\mathrm{wind}}-\frac{E-\mathrm{\β}\×T\×P_{\mathrm{WF}}}{2}),$ 经变换得时域上的参考补偿量为  $h\left(t\right)=\mathrm{\α}(E_{\mathrm{ess}}\mathrm{\δ}\left(t\right)-\frac{1}{10}{e}^{-\frac{t}{T}}\×P_{\mathrm{wind}}\mathrm{\δ}\left(t\right)-\frac{E-\mathrm{\β}\×T\×P_{\mathrm{wf}}}{2}\mathrm{\δ}\left(t\right)),$ 故有功参考值为 $P_{\mathrm{ref}}^{*}=P_{\mathrm{ess}}+h\left(t\right).$ 其中，α为反馈系数，取 液钒电池储能系统平抑风电场功率波动补偿原理示意图如图3所示。 

步骤5、判断液钒电池储能系统输出的补偿功率Pess，若Pess＞0，则液钒电池将补偿量输出给发电系统，否则补偿量为液钒电池充电； 

步骤6、判断风电场实际输出功率P与 

大小，若 则液钒电池放电，补偿发电系统电量；否则，液钒电池充入补偿电量； 

步骤7、判断补偿量是否超出液钒电池储能系统电站的容量，即判断Pess和Eess大小，如果Pess＞0.85×Eess，则停止；如果Pess＜0.85×Eess，则执行步骤8； 

步骤8：、根据矢量控制的原理得出控制规则，控制AC-DC滤波器和DC-AC逆变器工作；控制信号进入AC-DC滤波器，液钒电池储能系统进行充电；控制信号进入DC-AC逆变器，液钒电池储能系统进行放电； 

具体控制规则内容如下：选取适当变换，其旋转坐标系中的d轴与电网电动势初始相位角重合。所提方法中，有功功率的控制通过调节d轴的电流和电压实现，无功功率的控制通过调节q轴电流和电压实现。在外控制环中，d轴的控制信号为有功功率的偏差ΔP，q轴的控制信号为无功功率的偏差ΔQ，通过有功功率控制器产生d轴期望的给定电流控制信号 

通过无功功率控制器产生q轴期望的给定电流控制信号 

内控制环为一个交流输入电流环，用来控制d轴和q轴的电压参考给定值 

给定值 

与三相输出电压u_d，u_q以及互感产生的电压比较后，一同控制驱动SVPWM模块的脉冲发生器，实现有功功率和无功功率的独立控制。当电网正常工作时，设定并网逆变器的无功功率输出为0。 

为减小计算量，利用风电场等值原则，对风电场进行简化，将风电场内的风电机组等值为一台风力发电机组。首先，令风电场内的风电机组额定功率相等。等效额定容量S_total为风电场内所有风电机组的额定容量之和，S_i为第i台风电机组的额定容量，即 

然后令其注入电网的功率相等，即 其中，P_total为所有风电机组注入功率之和；P_i是 第i台风电机组的注入功率。 

Claims (1)

1.一种平抑风电场功率波动的控制方法，所采用的控制装置，包括风力发电机组、控制器、AC-DC整流器、DC-AC逆变器、液钒电池储能系统、检测模块1和检测模块2；

检测模块1和检测模块2分别连接风力发电机组和三相电网，AC-DC整流器和DC-AC逆变器的交流侧连接三相电网，检测模块1是检测风电场输出电压和电流信号，检测模块2是检测输入电网的电压和电流信号，在拓扑结构上，AC-DC整流器和DC-AC逆变器是接在检测模块1和检测模块2之间的，液钒电池储能系统连接AC-DC整流器和DC-AC逆变器，控制器分别连接检测模块1、检测模块2、AC-DC整流器、DC-AC逆变器和液钒电池储能系统；

其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1、设置风电配套液钒电池储能系统的初始参数，包括单体液钒电池的充电电压上限值和放电电压的下限值：

由控制器给出初始化指令，设定单体液钒电池充电电压的上限值和放电电压的下限值，由控制器给出指令，使其工作状态如下：若风电配套液钒电池储能系统的充电电压大于其充电电压的上限值，则停止充电；若风电配套液钒电池储能系统的放电电压小于其放电电压的下限值，则停止放电，即令电池输出和输入的有功功率给定

电池输出和输入的无功功率给定 $Q_{\mathrm{ref}}^{*}=0;$

步骤2、确定风电配套液钒电池储能系统电站的容量配置；

设风电场有功功率输出为P_wind，风电场功率经液钒电池储能系统平抑后的有功功率给定值是通过控制器一阶滤波得出，则风电场经一阶巴特沃斯滤波器的期望输出功率为

其中，S是复频率，而电池储能系统电站的输出功率为其有功功率期望输出值与风电场有功功率输出值之差

液钒电池储能系统电站的容量为其输出功率对时间的积分，因此得到了液钒电池储能系统电站容量与风电场输出功率的关系：即 $E_{\mathrm{ess}}=\frac{16}{1+16s}{P}_{\mathrm{wind}};$

步骤3、检测模块采集风电场实际输出的电压和电流信号，得出风电场输出功率P；

步骤4、确定经钒电池储能系统滤波后的电池输出和输入的有功功率给定

步骤5、判断液钒电池储能系统输出的补偿功率Pess，若Pess>0，则液钒电池将补偿量输出给发电系统，否则补偿量为液钒电池充电；

步骤6、判断风电场实际输出功率P与

大小，若

则液钒电池放电，补偿发电系统电量；否则，液钒电池充入补偿电量；

步骤7、判断补偿量是否超出液钒电池储能系统电站的容量，即判断Pess和Eess大小，如果Pess>0.85×Eess，则停止；如果Pess<0.85×Eess，则执行步骤8；

步骤8、根据矢量控制的原理得出控制规则，控制AC-DC整流器和DC-AC逆变器工作；控制信号进入AC-DC整流器，液钒电池储能系统进行充电；控制信号进入DC-AC逆变器，液钒电池储能系统进行放电；

具体控制规则内容如下：选取适当变换，其旋转坐标系中的d轴与电网电动势初始相位角重合，有功功率的控制通过调节d轴的电流和电压实现，无功功率的控制通过调节q轴电流和电压实现，在外控制环中，d轴的控制信号为有功功率的偏差△P，q轴的控制信号为无功功率的偏差ΔQ，通过有功功率控制器产生d轴期望的给定电流控制信号

通过无功功率控制器产生q轴期望的给定电流控制信号

内控制环为一个交流输入电流环，用来控制d轴和q轴的电压参考给定值

给定值

与三相输出电压u_d，u_q以及互感产生的电压比较后，一同控制驱动SVPWM模块的脉冲发生器，实现有功功率和无功功率的独立控制，当电网正常工作时，设定并网逆变器的无功功率输出为0；

步骤9、补偿后的功率输出至电网。

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