團隊介紹

顏湘武，博士，教授，博士生導師，“分布式儲能與微網”河北省重點實驗室副主任，河北電機工程學會理事，中國電工技術學會電動汽車充換電系統與試驗專業委員會委員，中國電源學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留學研究，現為華北電力大學電氣與電子工程學院教授。先后主持和承擔國家863計劃、國家科技支撐以及國家自然科學基金項目10余項。獲得中國電力科學技術一等獎1項、三等獎1項，河北省科技進步三等獎2項，授權國家發明專利30余項。

主要從事新能源電力系統穩定與自治控制、分布式發電并網與系統特性分析、高效變換拓撲以及電動汽車安全充電等方面的理論及其關鍵技術研究。已培養碩士、博士研究生100余人。先后在《中國電機工程學報》、《電工技術學報》、IEEE Transaction、European Journal、電力系統自動化等國內外權威和核心期刊，以及IEEE核心國際會議等，發表學術論文200余篇，其中被SCI、EI收錄120余篇。

導語

本文提出了基于變功率點跟蹤和超級電容器儲能協調控制的雙饋風電機組一次調頻策略，并設計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波動場景下，發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，同時還具有明顯優于傳統超速減載控制的一次頻率調節能力，且無需進行槳距角調節，有利于延長變槳系統壽命。

研究背景

近年來，隨著風電滲透率的提升，系統的等值時間常數降低，一方面，系統的穩定儲備系數降低，另一方面，系統調度難度增大，出現棄風現象。傳統超速減載控制通過保留部分有功備用參與系統調頻，但存在風電機組發電效益降低、轉速調節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跟蹤和超級電容器儲能協調控制的雙饋風電機組一次調頻策略，相比傳統超速減載控制的經濟效益和一次頻率調節能力均有顯著提升，同時為儲能裝置在新能源機組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應用思路。

論文內容及創新點

傳統超速減載控制通過保留部分有功備用參與系統調頻一方面在正常運行時損失了風電場的發電效益，另一方面在負荷突減這一擾動下并未考慮到轉速和功率調節深度的問題，調節效果不佳。

針對此問題，本文進一步探索發現最大功率跟蹤模式在正常運行方式下可最大化發電效益，在負荷突減這一擾動下若可以參與調頻，則其可調范圍遠大于超速減載模式。

本文結合變功率跟蹤控制和MPPT模式的優點，最大化發電效益的同時實現DFIG在負荷突減擾動下的一次頻率調節，同時針對在負荷突增擾動下風電機組無備用容量參與調頻問題，合理配置儲能提高風電機組調頻能力，論文提出的基于超級電容儲能的雙饋風電機組參與系統一次調頻配置如圖1所示。

圖1 DFIG的儲能配置

超級電容器經過雙向DC/DC變換器與雙饋風電機組的直流側母線電容相連接，超級電容器一方面由于功率密度大，可瞬時大功率輸出；另一方面可循環次數較多，滿足頻繁充放電的需求，因此選取超級電容儲能輔助DFIG風電機組參與調頻。

本文中雙饋風電機組的轉子側與網側變流器可維持原有的控制方式，網側變流器的作用是維持直流母線電容電壓的穩定，故超級電容儲能裝置的充放電功率通過網側變流器直接流向電網。

基于變功率點跟蹤和超級電容器儲能協調控制的雙饋風電機組一次調頻策略原理框圖如圖2所示。

圖2 超級電容儲能系統的控制原理框圖

首先根據負荷預測模塊判斷擾動類型。根據風機VSG技術標準《風電機組虛擬同步機技術要求和試驗方法》，將調頻死區設定為 ，此時可近似判定為系統無擾動，風電機組不參與慣性調節和一次頻率調節。

在無擾動和負荷增加擾動下，風機運行在最大功率點跟蹤狀態下，實現發電效益最大化；若負荷減小，變功率點跟蹤控制啟動，根據頻率偏差得到風機附加調節功率；若負荷增加，超級電容儲能裝置控制啟動，根據頻率偏差得到儲能裝置附加調節功率。

儲能單元容量配置需要滿足負荷突增擾動下的一次頻率調節需求。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節；若儲能裝置容量過大，則會增加儲能系統成本，造成一定量的容量浪費。故綜合上述因素，需要合理設置儲能裝置的容量。

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組組成該雙饋風機機組的儲能裝置，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中對一次調頻方案的技術經濟性進行了對比，由對比可知預留備用的調頻方案可以在調節過程中提供長期的功率支撐，其調節性能與火電相當，但經濟損失巨大；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，且調頻性能明顯優于火電，在后續的推廣應用中，儲能系統還可以進一步平滑出力、減少棄風棄光，業主可通過這些綜合應用的模式增加收益。由此可知配置分布式的儲能的雙饋風電機組是風電場首選的一次頻率調節方案。

表1 2種應用模式技術經濟性對比

本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺建立四機兩區域仿真模型進行仿真分析。由表2可知，在系統源荷隨機波動場景下，基于變功率點跟蹤和超級電容器儲能協調控制的雙饋風電機組一次調頻策略和超速減載預留10%備用容量相比，頻率調節能力提高10%，平均風能利用率提高12%，平均輸出功率增大23.5%,且超速減載控制在參與系統調節時槳距角調節時間占比高達20%，而基于超級電容器儲能參與調頻控制無需槳距角調節。

表2 源荷隨機波動時響應性能指標

因此在源荷隨機波動場景下，超級電容器參與調頻控制在風機發電效益大大提高的基礎上，其頻率調節能力高于常規的超速減載控制，更能滿足系統的一次頻率調節需求，且無需進行槳距角調節，有利于變槳控制系統安全、可靠及延長壽命。

結論

目前雙饋風機普遍采用的最大功率跟蹤控制策略或傳統變槳、超速減載用于一次頻率調節各有其不足，本文所提出的基于變功率點跟蹤和超級電容器儲能協調控制的雙饋風電機組一次調頻策略，充分結合以上控制策略的優勢，彌補其不足，達到在不損失風電機組發電效益的前提下，參與系統一次頻率調節的效果，并且大大提高了一次頻率調節能力和發電效益，經濟性優勢顯著，為儲能裝置在新能源機組滲透率逐漸加大的背景下提出了新的應用思路，同時為風電機組參與一次調頻的新方法提供了理論依據。

引用本文

顏湘武, 宋子君, 崔森, 孫穎, 李鐵成. 基于變功率點跟蹤和超級電容器儲能協調控制的雙饋風電機組一次調頻策略[J]. 電工技術學報, 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.