超级电容器储能系统在风电场中的应用研究

刘金龙，李国庆，王振浩，辛业春

(1.哈尔滨第二电业局，黑龙江哈尔滨150076;2.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

目前风力发电技术已成为一种可大规模商业开发的再生能源发电技术。但风能是一种间歇性能源［1］，风速的随机波动性导致风电场输出功率的波动，风电场输出功率的波动进一步会导致电力系统频率振荡。为抑制系统频率振荡，电力系统需采取频率调节、运行调度等一系列措施。此外，风电场的功率波动会影响所在电网的电能质量，引起电压波动与闪变［2］，如何抑制风电场输出功率波动是目前风电并网运行中待解决的问题。

目前，抑制风电场输出功率随机波动的可行方法是在风电场配置电力储能系统［3］。但现有的化学储能系统大都是基于蓄电池充放电的形式，其工作效率偏低，不易实际应用。超级电容器［4～9］，由于其功率密度大［10］、循环寿命长、充放电效率高［11］、高低温性能好等优点［12］，可有效延长储能系统的运行时间、提高其经济性能以及功率输出能力［13］。

综上所述，本文采用可大功率快速充放电的超级电容器储能系统平抑并网风电场输出功率的短时波动，并进行仿真研究，仿真结果验证了该方法的有效性和可行性。

1 储能系统配置方式

目前国内并网风电场的主流机型为变速恒频风力发电机，部分为永磁直驱风力发电机，考虑到国内并网风电场风电机组大部分为异步电机、双馈电机、永磁电机，并结合风力发电水平及储能系统现状，现有的储能系统安装位置有两种方案，即每台风电机组单独配置储能系统和风电场出口并网母线集中配置储能系统。

1.1 超级电容储能系统的安装位置

图1是分别为在双馈感应电机提供低频交流励磁的两个变流器中间直流母线上加入储能系统和在永磁直驱电机整流逆变的两个变流器的直流母线上接入储能系统，对每一台风电机输出功率波动进行抑制。

图2是在风电场输出母线位置进行集中配置安装一个单独的超级电容器储能系统，对整体并网风电场输出功率波动进行抑制。

1.2 储能系统的配置方式分析

从理论研究可知，这两种安装方式都可完成抑制并网风电场输出功率波动。现结合风电场的实际情况就这两种安装方式进行分析总结如下:

分散配置:将双馈机组的网侧变流器和永磁电机变流器作为储能的变流装置，不需要单独为储能系统配置专用的变流器，减少了配置的部分经济费用，而且分散配置对储能系统的容量要求也较小。但是分散配置需要改变双馈风电机组的励磁控制方式，给实际运行带来了复杂的技术要求。分散配置的同时也使储能系统的检修和维护具有分散性，不便于统一管理。

集中配置:仅需要在风电场输出或并网母线上加装储能系统，不会因为单台风电机的停运或检修而退出运行，储能系统的维护和管理方便，整体可靠性较高。图3和图4为黑龙江省大庆地区某风电场单台和八台机组型号为Vestas/V60风机一天当中实测输出功率曲线。从图中数据可以看出单台风机输出功率波动较大，但多台风机输出功率总和可使波动削弱。这也是集中配置的优势所在。

综合以上分析，本文采用在并网风电场输出母线上集中安装超级电容器的配置方式。

2 系统的工作原理与控制策略

2.1 储能系统的运行原理

图5为超级电容器储能系统EDLC Energy Storage System(EESS)经电抗器及变压器接入并网风电场输出母线的结构示意图，储能系统主要由三部分构成即超级电容器组、双向直流变换器、电压源型变流器VSC。直流侧电容器为变流器提供电压支撑并缓冲各个桥臂关断时的冲击电流，减小直流侧谐波。超级电容器在充放电过程中其端电压发生变化，加入双向直流变换器解决超级电容器端电压波动问题，为直流母线提供平稳电压，从而使得变流器VSC可工作在持续稳定状态。

通过对四象限变流器VSC的有功、无功功率解耦控制可以实现对有功功率和无功功率波动进行分别抑制。当风电场输出有功波动时，采用SPWM控制VSC和双向直流变换器调节储能系统快速吸收或输出有功抑制母线上有功;当风电场输出无功功率波动导致风电场输出母线电压不稳定时，通过控制超级电容器快速充放电吸收或输出抑制风电场输出无功功率波动，进而确保输出母线电压稳定。

2.2 超级电容器模型

本文采用的超级电容器为双电层电容器EDLC(Electric Double Layer Capacitor)。由于EDLC内部结构复杂，动态特性很难描述，目前的模型都有局限性，一般根据储能应用场合的不同选择有针对性的模型。考虑EDLC充放电时的动态特性［15］，主要表征自放电现象的并联等效电阻可予以忽略，因此可得超级电容器简化等效模型如图6所示。

2.3 储能系统控制方式

储能设备的控制系统主要是变流器VSC和双向直流变换器的控制部分。变流器VSC的控制实际上是对交流侧电流的控制，通过控制三相VSC输入电感上电流的幅值和相位，控制整流器交流侧与直流侧之间的有功功率和无功功率的交换实现功率的四象限控制。图5中的功率分配可表示如下:

式中，PE和QE为储能系统吸收的有功和无功功率，PW和QW为风电场输出有功和无功功率，PG和QG为注入电网的有功和无功功率。按照并网要求，当电网侧要求的PG和QG值给定时，根据风电场实时输出的PW和QW值可计算出PE和QE作为控制储能系统充放电的参考值Pref和Qref。

超级电容器储能系统控制框图如图7所示。通过对交流侧电流的有功分量和无功分量的解耦控制来实现有功功率与无功功率的分别控制。由图5可知，双向直流变换器主要由S1和S2两个IGBT开关器件组成，当超级电容充电时，通过S1构成的降压斩波电路完成。当超级电容器放电时，通过S2构成的升压斩波电路将超级电容器端电压升至需要的直流母线电压，并保持在规定的电压值附近。二极管VD1和VD2用来保护超级电容器防止反向充电。对双向直流变换器进行电压外环与电流内环的控制方式，确保直流母线电压稳定的同时使得超级电容器工作电流稳定。

3 系统仿真研究

本文以某实际风电场(含18台单机容量为1.5 MW的风电机组)为例在DigSILENT/Power Factory上进行仿真分析。取此风电场某一短时风速作为仿真用风速曲线如图8所示，根据整定计算，超级电容器参数为容量3000 F，额定电压2.7 V，串联等效电阻为0.045 mΩ，330串15并组成超级电容器组。系统仿真结构简图如图9所示。

图8中的风速下风电场输出母线有功功率和无功功率曲线如图10所示，在此风速下风场输出母线公共连接点PCC处电压出现如图11所示波动。从图10中可以看出，在一分钟内风电场有功功率的最大变化量大于6 MW，超出了国家电网公司对风电场最大功率变化率推荐值要求的标准［16］。

通过在并风电场输出母线上装入超级电容器储能系统进行快速功率调节后，储能系统输出有功和无功功率如图12和图13所示，风电场注入系统的有功功率和无功功率变化如图14所示，一分钟内有功功率的最大变化量被限制在了3 MW以内，达到了国家电网公司规定的推荐值标准。同时也使得风电场输出的无功功率波动明显降低。从图15中可以看出通过超级电容器快速吞吐风电场输出功率波动的同时也抑制了输出母线电压的波动。

4 结 论

本文针对并网风电输出功率短时波动引起电力系统频率振荡、电压波动和闪变，采用可大功率快速充放电的超级电容器储能系统抑制并网风电场输出功率的短时波动。根据实际风电场和风电机组的运行特点分析并确定了超级电容器储能系统的具体安装地点，结合有功功率和无功功率解耦控制策略，抑制风电场输出有功功率和无功功率的波动，使风电场输出母线电压趋于平稳状态通过。最后通过算例仿真研究表明，超级电容器储能系统能在短时内快速的抑制并网风电场有功功率和无功功率波动，稳定风电场母线电压。

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