辅助风电并网的构网型储能控制策略研究_杨本星.pdf

辅助风电并网的构网型储能控制策略研究杨本星1，王伟2，杨明轩1，柳涛1（1.国网江西省电力有限公司抚州供电分公司，江西 抚州344000；2.国网江西电力有限公司经济技术研究院，南昌330095）摘要：随着能源转型的深入，风光等可再生能源大规模替代传统能源发电并网，电力系统结构发生很大的变化，导致电网惯性变低、稳定性变弱。另外，风力发电功率的波动性将导致电力系统调度困难。因此，在风电并网系统中增加构网型储能系统，并给出构网型储能系统的控制策略，进而围绕风电并网的稳定性以及电压跌落故障，对构网型储能系统增加前后风电并网波形进行对比分析，验证了构网型储能系统可以大大提高风电并网的稳定性，并且对电压跌落故障有很好的抑制作用。关键词：构网型储能；风电系统；并网稳定；电压跌落Research on Gridforming Energy Storage Control Strategy for AuxiliaryWind Power GridconnectionYANG Benxing1，WANG Wei2，YANG Mingxuan1，LIU Tao1（1.State Grid Jiangxi Electric Power Co.，Ltd.Fuzhou Power Supply Branch，Jiangxi Fuzhou 344000，China；2.Economic andTechnical Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co.，Ltd.，Nanchang 330095，China）Abstract:With the deepening of energy transformation，such renewable energy as wind and solar has replaced traditional energy for power generation and grid connection on a large scale.The structure of the power system haschanged greatly，leading to the low inertia and weak stability of the power grid.In addition，the fluctuation of windpower will lead to difficulties in power system dispatching.Therefore，the grid forming energy storage system is addedto the wind power grid connected system，and the control strategy of the grid forming energy storage system is given.Then，the waveform of wind power grid connection is compared and analyzed before and after the grid connected energy storage system.This analysis is based on the stability of the wind power grid connected system and the voltage sagfault.The results verify that the gridforming energy storage system can greatly improve the stability of the wind power grid connected system and effectively suppress voltage sag fault.Key words:gridforming energy storage；wind power system；stable gridconnection；voltage drop0引言为开发利用可再生能源，以风电为代表的新能源已成为中国的第二大电源，风电具有低抗扰、弱惯量、弱阻尼及弱频率/电压支撑性，含高比例风电的电力系统面临频率、电压、次同步振荡等安全稳定问题1-9。储能技术的提出和应用为解决风力发电系统功率波动问题提供了条件10-12。然而，可再生能源发电并网率的提升，也会导致电力电子设备在电力系统的高比例应用，并且电力电子设备缺乏旋转备用容量和转动惯量，不能提供与传统同步发电机类似的惯性响应。因此，随着我国能源转型的深入，传统电网形态发生了转变，系统惯性大幅降低，系统稳定性指标恶化等13。综上所述，传统储能技术已经不足以支撑电力系统的稳定。面对此类问题，构网型储能技术应运而生14。构网型储能技第59卷第7期：005600642023年 7月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.7：00560064Jul.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.07.007_收稿日期：20230102；修回日期：20230310基金项目：国网江西省电力有限公司科技项目。Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Jiangxi Electric Power Co.,Ltd.术中利用构网型控制技术对储能变流器进行控制，采用与同步发电机类似的功率同步策略，但不需要借助锁相环，比同步发电机利用物理特性的响应更快、控制更灵活，还可以为系统提供虚拟惯性和阻尼15。构网控制技术是一种变流器控制模式，直接控制输出端的电压来控制输出功率，研究人员针对变流器的构网控制技术有一定的研究，文16中对变流器构网控制技术进行论述，从3个方面对构网型与传统跟网型控制技术进行比较，并介绍了构网型控制策略在储能系统中的应用；基于此，文17中针对构网型非同步机电源和同步机电源之间暂态失稳的现象进行研究，提出了一种电网暂态稳定解析方法，该方法适用于含构网型模块化多电平换流器的受端电网。电压跌落是常见的电网故障之一，电压跌落会导致双馈式风力发电系统的定子磁链发生震荡，大量的风电机组由于电压跌落故障常出现脱网，且不能在故障期间给电力系统提供相应的有功和无功功率支撑，甚至会造成电网电压和频率的崩溃，给工业生产带来巨大的损失18-19。因此，研究人员针对并网逆变器动态限流控制策略进行研究，并验证构网型逆变器对电压跌落有很好的抑制作用20；也有研究人员针对储能变流器进行构网型控制，并验证构网型储能技术可替代同步机实现电网电压及频率支撑21，针对电网故障有很好的抑制作用。综上所述，围绕提升风电并网稳定性以及抑制电压跌落故障，进行构网型储能技术研究。首先进行风储并网系统模型搭建，研究并验证了风电场并网功率特性。其次，构建储能变流器构网型控制策略，在储能容量为2 MWh情况下，研究并验证风电并网特性及对电网电压跌落的影响。1风储系统建模1.1 双馈式风力发电系统建模双馈式风力发电系统的转子通过采用双PWM变流器与电网相连，定子则直接与三相电网相连，由于风速的变化以及追求最大功率点的需要，风力发电机组的机械频率在一定范围内变化22-23。与此同时，为了控制风力发电机组的并网电流，则需要控制注入转子电流的幅值和相位。双馈式风力发电系统在dq坐标系下的数学模型见式(1)，其中转子和定子均按照电动机惯例|uds=Rsids+pds-1qsuqs=Rsiqs+pqs+1dsudr=Rridr+pdr+sqruqr=Rriqr+pqr+sdr(1)式(1)中，各变量及其含义见表1。表1双馈式风力发电系统变量列表Table 1Variable list of doubly fed wind powergeneration system名称udsRsidds1qsuqsiqs含义定子电压的d轴分量定子电阻定子电流d轴分量定子磁链d轴分量同步角频率定子磁链q轴分量定子电压的q轴分量定子电流d轴分量名称udrRridrdrsqruqriqr含义转子电压的d轴分量转子电阻转子电流d轴分量转子磁链d轴分量滑差角频率转子磁链q轴分量转子电压的q轴分量转子电流q轴分量其中，定转子的磁链在d、q轴上的分量见式(2)|ds=Lsids+Lmidrqs=Lsiqs+Lmiqrdr=Lridr+Lmidsqr=Lriqr+Lmiqs(2)近似忽略定子电阻，得定子侧的有功功率和无功功率见式(3)|Ps=-LmsLs1iqrQs=1dsds-LmidrLs(3)双馈式风力发电机组在运行过程中，其网侧变流器从电网吸收(或释放)三相有功功率，其定子侧向电网送出三相有功功率，其对外呈现电流源的特性。因此每台双馈式风力发电机组基波等效模型见图1。图1双馈式风力发电系统基波等效模型Fig.1Fundamental wave equivalent model of doubly fedwind power generation system构网型储能系统关键技术及工程应用杨本星，王 伟，杨明轩，等.辅助风电并网的构网型储能控制策略研究572023年7月第59卷第7期基于双馈式风力发电系统基波等效模型，采用PSIM建立3 MW双馈式风力发电机组的仿真模型，其中交流侧电网为690 V三相工频，仿真参数见表2。表2双馈式风力发电系统仿真参数取值Table 2Simulation parameter selection of doublyfedwind power generation system参数电网线电压(50 Hz)/V定子电阻Rs/p.u.转子电阻Rr/p.u.互感Lm/p.u.数值6900.0480.0182.0参数转子电感Lr/p.u.定子电感Ls/p.u.转动惯量/s数值2.082.081.5参考表2参数，搭建双馈式风力发电系统仿真模型见图2。风电场中共包含8套风力发电系统，每套风力发电系统的容量为3 MVA，由此可以建立风电场等效模型见图3，其中各等效模型的内部均为一套双馈式风力发电系统。1.2构网型储能系统模型当储能系统与交流母线相连时，需要采用变流器从电网吸收能量或向电网送出能量，DC/AC型储能系统结构示意图见图4。通过控制变流器的输出电压，可以改变储能系统流入电网的电流，从而改变储能系统的输入功率或输出功率24。图2双馈式风力发电系统仿真模型Fig.2Simulation model of doublyfed wind power generation system储能系统送入电网的三相电流分别用ia,ib,ic表示，输出的三相电压分别用ua,ub,uc表示，三相电网电压分别用uga,ugb,ugc表示，忽略线路电阻，在dq坐标系下构建并网逆变器数学模型见式(4)25ddt|iqid=0-0|iqid+1L|uqud-1L|ugqugd(4)除此之外，当电网相对较强时，储能变流器通常采用锁相环同步的跟网型变流器，跟网型变流器对外呈现电流源特性，对电网电压、频率支撑能力较弱26-27。因此，当电力系统中电力电子设备较多时，电网相对较弱，跟网型变流器不能够满足构网型变流器控制方式，将构网型控制与一定的储备能量相结合28-29，对外呈现电压源特性，可为系统提供电压、频率支撑。本研究中储能变流器采用构网型控制，控制框图见图5，主要包括：PWM调制；电流控制；电压控制功率控制。其中功率控制为变流器提供传统同步电机的机械特性，形成功率平衡与电机虚拟角频率之间的关系30。2风电场并网特性由于风力的随机性和不确定性，风电场的并网功率呈现随机性和波动性的特点，因此从电网的角度看，可以认为风电场是一个变化速度快，变化规律随机的负载，将对电力系统的运行和调度等带来一定的冲击和不良影响31。