基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计_刘昌金 78

第32卷 第16期2008年8月25日Vol.32 No.16Aug.25,2008

基于超导储能系统的风电场功率控制系统设计

刘昌金,胡长生,李 霄,陈 敏,徐德鸿

(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)

摘要:风电场输出功率的波动性和间歇性会给电网带来不利的影响。为了降低风电场并网对电能质量的影响,文中阐述了一种基于超导储能系统的抑制风电场功率波动的间接控制方法。利用超

导储能系统的四象限功率运行能力来补偿风电场输出的有功和无功功率波动,并抑制由此产生的电网电压波动;通过合理设计超导储能系统功率调节器的带宽来优化储能量。通过对风电场连接于弱电网的仿真,验证了所提出的功率控制策略的有效性。关键词:风力发电;超导储能系统;功率控制;电能质量中图分类号:TM614;TM917;TM76

0 引言

风力发电是当今非水能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,近

年来一直保持着很高的年增长速度[1-2]。由于风的波动性和间歇性特点,风电功率的波动性和间歇性会对局部电网电压的稳定性和电能

[3-4]

质量产生影响。当风电场容量较小时,风电功率的波动性和间歇性对电力系统的影响并不显著。但随着风电在中国开发力度的加大,风电场的规模和单机容量越来越大,中大型风电场接入后对电网运行的不利影响也日益突出[3]。因此,研究并网风电场的功率特性以及如何管理其功率输出成为风力发电技术中的重要问题。

迄今为止,研究人员已提出了多种解决方法,可分成2类:一是通过调节风力涡轮机的运行状态来

[5-6]

平滑其输出功率,可归类为直接功率控制,但该方法对风速波动较大的风电场的功率调节能力有限;二是通过附加的储能设备来平滑风电场的输出

[7-11]

功率,可归类为间接功率控制,该方法能实现较宽范围的功率调节,有效地抑制风电场输出功率的波动。然而,目前储能设备的单位储能成本比较[12]

高,限制了储能系统在风电领域的应用,有必要对储能量进行优化;另外,由于风力涡轮机输出功率Hz~点,本文研究如何利用较小储能量的超导储能系统(SMES)来解决中大型并网风电场的功率波动可能

收稿日期:2008-04-28;修回日期:2008-06-02。国家电网公司科技项目(SGKJ[2007]120)。

带来的电能质量问题。

1 系统结构

图1为带有SMES的风电机组接入电网的结构。不考虑风电场各台风力发电机的地理位置对风速的影响,风电场由33台单机额定容量为2MW的恒速风机)异步发电机组成,风电场总装机容量为66MW,通过690V/10kV升压变压器连接到电网。由于异步发电机在发出有功功率的同时需要吸收一定的无功功率,可由电容器组提供的无功对异步发电机和变压器进行无功补偿,实现风电场10kV高压侧的单位功率因数。无风电机组接入时,电力系统在母线2处的短路容量为250MVA,用于模拟一个弱电网。SMES通过3.3kV/10kV升压变压器连接到风电场出口的高压侧。

图1 带SMES的风电场-无穷大系统Fig.1 Windfarm-infinitegridsystemwithSMES

从图1,根据功率平衡定理有:

Pgrid=Pwind-PSMQgrid=Qwind-QSM

)

(1)

2008,32(16)

由式(1)可知,对于在一定范围内波动的风电场输出功率,通过控制SMES的输入功率可以达到间接控制风电场注入到电网功率的目的。由于频率位于0.01Hz~1Hz区域的风电场功率波动成分对电网的影响最大,应控制SMES吸收该区域功率波动成分,使得从风电场输送到电网的有功功率成分基本保留在0.01Hz以下,从而降低电网对风电场输出功率波动的敏感性。

图2为SMES的风电场功率控制系统,由风电场波动功率抑制控制模块和超导储能功率控制模块

构成。

2 SMES功率控制的设计与分析

SMES的功率调节器采用了电流型变流器四模块直接并联的结构,各个模块的直流侧通过均流电感连接到直流母线,功率调节器的拓扑结构见附录A。为减小网侧谐波,采用载波相移正弦脉宽调制

[14]

(SPWM)技术,各个模块的调制信号的幅值和相位完全相同,载波信号的幅值也相同,但是各个模块载波信号的相位均匀错开90b。为平衡4个模块之间的功率出力,采用基于载波轮换的均流方法[15]。为实现电流和电压的精确控制,本文结合文献[16]的基于瞬时功率理论的单级控制方法和文献[17]的交叉解耦控制方法,改用基于同步旋转dq坐标系的3级控制方法,

分为功率级、电流级和电压级控制。SMES的功率调节器控制结构见附录A。

根据功率调节器控制结构,得到如图3所示的SMES有功功率3环控制框图,从外环到内环依次为功率环、电流环和电压环。

由图3可得电压环的闭环传递函数为:

upuicd=(2)Gud(s)=TsCs+Cs+kups+kuivcd(s) 由于kuimkup,Gud(s)可近似为:Gud(s)U1

(3)

图2 SMES的风电场功率控制系统Fig.2 WindpowercontrolsystemofSMES

图3 SMES有功功率闭环控制框图

Fig.3 Closed-loopblockdiagramofSMESactivepower

电流环的闭环传递函数为:

sdipii

Gid(s)=*=(4)2

Ls+(kip+R)s+kiiisd(s) SMES的有功功率闭环传递函数为:

SMwidsd

GSM(s)==(5)

PD(s)1+Gw(s)Gid(s)vsd

将式(4)代入式(5),可得GSM(s)的详细表达式:

sdipwp2GSM(s)=yLs+(R+kip+vsdkipkwp)s+sdiiwpsdipwisdwiii

z(6)

(vsdkiikwp+vsdkipkwi+kii)s+vsdkwikii)

)

由于kiimkip,kwimkwp,kwimL,SMES的有功功率闭环传递函数可简化为:

wp+ip

s+1

wiii

GSM(s)=(7)

wpip++s+1kwikiivsdkwi

由于对称性,无功功率的闭环传递函数也由式(7)给出。

本文中,各控制器的参数设计为:kip=0.7,kii=330,kwp=0.15,kwi=60。GSM(s)可重写如下:

GSM(s)=(8)

0.01s+1

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3 风电场的功率波动抑制策略

用第2节推导得到的有功功率闭环模型表示图2中的超导储能功率控制模块,得到简化后的从风电场到电网的有功功率信号流图,如图4

所示。

图5(a)可以看出,在0.01Hz~1Hz频段,GH(s)的增益为负,并呈现很好的凹陷特征,表明带SMES的电网对风电场的功率波动有很强的阻尼性能。SMES的功率带宽为0.01Hz~25Hz,对0.01Hz以下波动功率的补偿能力随着频率的减小而快速降低,从而有效减小SMES

所需的储能量。

图4 系统有功功率信号流图

Fig.4 Activepowerflowgraphofpowersystem

从图4可得到从风电场注入电网的有功功率为:

Pgrid(s)=Pwind(s)-PSM(s)=Pwind(s)-Pwind(s)GP(s)GSM(s)(9)

由式(9)可得到从Pwind到PSM的传递函数GF(s)(表示SMES对风电场波动功率的补偿能力)为:

SM=GP(s)GSM(s)(10)GF(s)=

Pwind(s)

由式(9)、式(10)可得到Pwind到Pgrid的传递函数GH(s)(表示电网对风电场波动功率的抑制能力)为:

grid

GH(s)==1-GF(s)(11)

Pwind(s)

为了抑制位于0.01Hz~1Hz频段的波动功率成分对电网的影响,GH(s)应具有带阻滤波器的特性。这样,GF(s)应设计成一个带通滤波器,可由高通滤波器串联低通滤波器构成。由式(8),GSM(s)可近似当做一个低通滤波器,其截止频率就成为GF(s)的上限截止频率,为25Hz。GP(s)应设计成一个高通滤波器,其截止频率就成为GF(s)的下限截止频率。在本文中,选取GP(s)为一阶巴特沃斯高通滤波器,可写出:

GP(s)=(12)1+Ss

式中:S为时间常 …… 此处隐藏：9277字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……