團(tuán)隊(duì)介紹

顏湘武，博士，教授，博士生導(dǎo)師，“分布式儲能與微網(wǎng)”河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，河北電機(jī)工程學(xué)會理事，中國電工技術(shù)學(xué)會電動汽車充換電系統(tǒng)與試驗(yàn)專業(yè)委員會委員，中國電源學(xué)會元器件專委會委員。

2007年11月至2008年10月期間由國家派出到美國威斯康星麥迪遜大學(xué)留學(xué)研究，現(xiàn)為華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院教授。先后主持和承擔(dān)國家863計(jì)劃、國家科技支撐以及國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲得中國電力科學(xué)技術(shù)一等獎1項(xiàng)、三等獎1項(xiàng)，河北省科技進(jìn)步三等獎2項(xiàng)，授權(quán)國家發(fā)明專利30余項(xiàng)。

主要從事新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定與自治控制、分布式發(fā)電并網(wǎng)與系統(tǒng)特性分析、高效變換拓?fù)湟约半妱悠嚢踩潆姷确矫娴睦碚摷捌潢P(guān)鍵技術(shù)研究。已培養(yǎng)碩士、博士研究生100余人。先后在《中國電機(jī)工程學(xué)報》、《電工技術(shù)學(xué)報》、IEEE Transaction、European Journal、電力系統(tǒng)自動化等國內(nèi)外權(quán)威和核心期刊，以及IEEE核心國際會議等，發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，其中被SCI、EI收錄120余篇。

導(dǎo)語

本文提出了基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略，并設(shè)計(jì)出一套最高放電效率下成本最低的超級電容儲能方案。所提方法在源荷隨機(jī)波動場景下，發(fā)電效益接近于最大功率跟蹤模式，明顯高于超速減載控制模式，同時還具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)超速減載控制的一次頻率調(diào)節(jié)能力，且無需進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，有利于延長變槳系統(tǒng)壽命。

研究背景

近年來，隨著風(fēng)電滲透率的提升，系統(tǒng)的等值時間常數(shù)降低，一方面，系統(tǒng)的穩(wěn)定儲備系數(shù)降低，另一方面，系統(tǒng)調(diào)度難度增大，出現(xiàn)棄風(fēng)現(xiàn)象。傳統(tǒng)超速減載控制通過保留部分有功備用參與系統(tǒng)調(diào)頻，但存在風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益降低、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍減小及槳距角控制啟動頻繁等問題。論文提出的變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略，相比傳統(tǒng)超速減載控制的經(jīng)濟(jì)效益和一次頻率調(diào)節(jié)能力均有顯著提升，同時為儲能裝置在新能源機(jī)組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應(yīng)用思路。

論文內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)超速減載控制通過保留部分有功備用參與系統(tǒng)調(diào)頻一方面在正常運(yùn)行時損失了風(fēng)電場的發(fā)電效益，另一方面在負(fù)荷突減這一擾動下并未考慮到轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)深度的問題，調(diào)節(jié)效果不佳。

針對此問題，本文進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)最大功率跟蹤模式在正常運(yùn)行方式下可最大化發(fā)電效益，在負(fù)荷突減這一擾動下若可以參與調(diào)頻，則其可調(diào)范圍遠(yuǎn)大于超速減載模式。

本文結(jié)合變功率跟蹤控制和MPPT模式的優(yōu)點(diǎn)，最大化發(fā)電效益的同時實(shí)現(xiàn)DFIG在負(fù)荷突減擾動下的一次頻率調(diào)節(jié)，同時針對在負(fù)荷突增擾動下風(fēng)電機(jī)組無備用容量參與調(diào)頻問題，合理配置儲能提高風(fēng)電機(jī)組調(diào)頻能力，論文提出的基于超級電容儲能的雙饋風(fēng)電機(jī)組參與系統(tǒng)一次調(diào)頻配置如圖1所示。

圖1 DFIG的儲能配置

超級電容器經(jīng)過雙向DC/DC變換器與雙饋風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)母線電容相連接，超級電容器一方面由于功率密度大，可瞬時大功率輸出；另一方面可循環(huán)次數(shù)較多，滿足頻繁充放電的需求，因此選取超級電容儲能輔助DFIG風(fēng)電機(jī)組參與調(diào)頻。

本文中雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器可維持原有的控制方式，網(wǎng)側(cè)變流器的作用是維持直流母線電容電壓的穩(wěn)定，故超級電容儲能裝置的充放電功率通過網(wǎng)側(cè)變流器直接流向電網(wǎng)。

基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略原理框圖如圖2所示。

圖2 超級電容儲能系統(tǒng)的控制原理框圖

首先根據(jù)負(fù)荷預(yù)測模塊判斷擾動類型。根據(jù)風(fēng)機(jī)VSG技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電機(jī)組虛擬同步機(jī)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》，將調(diào)頻死區(qū)設(shè)定為 ，此時可近似判定為系統(tǒng)無擾動，風(fēng)電機(jī)組不參與慣性調(diào)節(jié)和一次頻率調(diào)節(jié)。

在無擾動和負(fù)荷增加擾動下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)跟蹤狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化；若負(fù)荷減小，變功率點(diǎn)跟蹤控制啟動，根據(jù)頻率偏差得到風(fēng)機(jī)附加調(diào)節(jié)功率；若負(fù)荷增加，超級電容儲能裝置控制啟動，根據(jù)頻率偏差得到儲能裝置附加調(diào)節(jié)功率。

儲能單元容量配置需要滿足負(fù)荷突增擾動下的一次頻率調(diào)節(jié)需求。若儲能裝置容量過小，無法提供充足的備用容量參與頻率調(diào)節(jié)；若儲能裝置容量過大，則會增加儲能系統(tǒng)成本，造成一定量的容量浪費(fèi)。故綜合上述因素，需要合理設(shè)置儲能裝置的容量。

本文所采用的超級電容器儲能裝置處于恒功率放電模式，可以得到圖3所示的儲能裝置放電效率曲線，其中?為超級電容放電效率，Umax為最高工作電壓。

圖3 超級電容儲能裝置的效率曲線

由上圖可知，超級電容器在恒功率放電時，其放電效率與最高工作電壓大小成正比。綜合考慮超級電容器組的成本和放電效率問題，本文采用144 V*55 F超級電容器5串2并共10組組成該雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)組的儲能裝置，其最低工作電壓為32 V，最高工作電壓為720 V，其放電效率為96.9%。

表1中對一次調(diào)頻方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比，由對比可知預(yù)留備用的調(diào)頻方案可以在調(diào)節(jié)過程中提供長期的功率支撐，其調(diào)節(jié)性能與火電相當(dāng)，但經(jīng)濟(jì)損失巨大；相比之下，配置儲能方案僅需一次性投入，投資額在可接受的范圍之內(nèi)，且調(diào)頻性能明顯優(yōu)于火電，在后續(xù)的推廣應(yīng)用中，儲能系統(tǒng)還可以進(jìn)一步平滑出力、減少棄風(fēng)棄光，業(yè)主可通過這些綜合應(yīng)用的模式增加收益。由此可知配置分布式的儲能的雙饋風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電場首選的一次頻率調(diào)節(jié)方案。

表1 2種應(yīng)用模式技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立四機(jī)兩區(qū)域仿真模型進(jìn)行仿真分析。由表2可知，在系統(tǒng)源荷隨機(jī)波動場景下，基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略和超速減載預(yù)留10%備用容量相比，頻率調(diào)節(jié)能力提高10%，平均風(fēng)能利用率提高12%，平均輸出功率增大23.5%,且超速減載控制在參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)時槳距角調(diào)節(jié)時間占比高達(dá)20%，而基于超級電容器儲能參與調(diào)頻控制無需槳距角調(diào)節(jié)。

表2 源荷隨機(jī)波動時響應(yīng)性能指標(biāo)

因此在源荷隨機(jī)波動場景下，超級電容器參與調(diào)頻控制在風(fēng)機(jī)發(fā)電效益大大提高的基礎(chǔ)上，其頻率調(diào)節(jié)能力高于常規(guī)的超速減載控制，更能滿足系統(tǒng)的一次頻率調(diào)節(jié)需求，且無需進(jìn)行槳距角調(diào)節(jié)，有利于變槳控制系統(tǒng)安全、可靠及延長壽命。

結(jié)論

目前雙饋風(fēng)機(jī)普遍采用的最大功率跟蹤控制策略或傳統(tǒng)變槳、超速減載用于一次頻率調(diào)節(jié)各有其不足，本文所提出的基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略，充分結(jié)合以上控制策略的優(yōu)勢，彌補(bǔ)其不足，達(dá)到在不損失風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效益的前提下，參與系統(tǒng)一次頻率調(diào)節(jié)的效果，并且大大提高了一次頻率調(diào)節(jié)能力和發(fā)電效益，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢顯著，為儲能裝置在新能源機(jī)組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應(yīng)用思路，同時為風(fēng)電機(jī)組參與一次調(diào)頻的新方法提供了理論依據(jù)。

引用本文

顏湘武, 宋子君, 崔森, 孫穎, 李鐵成. 基于變功率點(diǎn)跟蹤和超級電容器儲能協(xié)調(diào)控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組一次調(diào)頻策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(3): 530-541. Yan Xiangwu, Song Zijun, Cui Sen, Sun Ying, Li Tiecheng. Primary Frequency Regulation Strategy of Doubly-Fed Wind Turbine Based on Variable Power Point Tracking and Supercapacitor Energy Storage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(3): 530-541.