基于混合储能的风电场一次调频控制
作者与发表信息
本文由孙鹏、蔡勇、万黎、舒欣（国网湖北省电力公司）、吉小鹏（南京四方亿能电力自动化有限公司）和黄磊（河海大学能源与电气学院）共同撰写，发表于《电网与清洁能源》（Power System and Clean Energy）2016年第32卷第2期。文章编号为1674-3814，属于清洁能源领域的重要研究。
研究背景
随着全球风力发电技术的快速发展，大规模风电并网已成为现代电力系统的重要组成部分。然而，风电的间歇性和随机性对电力系统频率的稳定性构成了巨大挑战。本文聚焦于风电场一次调频问题，探讨混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS）的应用及其控制策略，以此降低风电波动对电网频率的影响。
背景问题：
- 风电出力的波动性容易导致系统频率不稳定。当风电接入比例较大时，这种波动将进一步加剧电力系统频率调节难度。当前的调频方式（如自动发电控制，AGC）需要更多备用容量来对冲风功率波动，这并不经济。
- 双馈感应发电机（Doubly Fed Induction Generator, DFIG）因其转子通过换流器与电网连接，缺乏惯量贡献，难以像传统火电或水电机组那样直接参与系统调频。
储能技术的需求：
- 储能系统是一种有效缓冲风功率波动的技术选项。但单一储能技术（如超级电容或蓄电池）因本身限制难以完全满足需求，将两种或多种储能方式结合使用的混合储能方式则可以弥补上述不足。
研究目标：
- 本文旨在通过研究混合储能的控制方法，使风电机组能够在抑制功率波动的同时，具备类似传统机组参与一次调频的能力。
研究方法
本文基于混合储能系统设计了风电场一次调频控制策略，提出了全过程的系统配置与模型构建，并对储能装置与风电场交互过程进行了仿真建模与分析。
系统配置与混合储能模型
混合储能系统采用超级电容和蓄电池组合：
- 超级电容（Supercapacitor）：具备较高功率密度和快速响应能力，适合瞬时功率平衡。
- 蓄电池（Battery）：能量密度较高，适合补充超级电容不足的长期功率支持。
系统拓扑结构：
- 储能装置通过双向DC/DC变换器连接风电场，配置在单机直流母线上，便于与风电机组的物理和电气集成。采用灵活设计，不必在每台机组都安装储能系统，降低系统实现难度。
模型简化：
- 为方便仿真，假定整个风电场的风速一致，将多台风机等效为单台有功输出模型，储能单元也采用等效模型。
储能设备细节：
- 超级电容采用一阶线性RC模型（一种常用等效模型），忽略较长时间内的静态漏电特性。
- 蓄电池采用内阻模型，由直流电压源和等效内阻组成，简化了动态复杂性。
储能及系统控制设计
研究设计了超级电容与蓄电池的协同运行控制方法，以适应风电功率波动及电网频率变化： 1. 超级电容控制：
包括功率外环和电流内环，以调整超级电容充放电过程中的电流，快速平滑功率波动。
蓄电池控制策略：
- 与超级电容协作运行，当超级电容接近充满（≥90%）或即将耗尽（≤10%）时，蓄电池启动充放电，避免超级电容过充过放。
系统功率控制框架：
- 配置了一整套有功功率和无功功率控制框图，具体包括：
- 有功功率的控制由参考值传导至直流侧电流的调整。
- 无功功率设定为零，优先保障有功功率变化下的响应能力。
仿真实验与结果
本文在Matlab/Simulink平台上搭建仿真模型，模拟了混合储能在风电场中的实际应用。
仿真模型与参数：
- 风电场容量：20MW，系统频率调节系数Ks=30MW/Hz。
- 储能配置：超级电容功率10MW（容量1MWh），蓄电池功率1MW（容量100MWh）。
测试场景设定：
- 负荷从50秒开始由40MW逐渐增至72MW，模拟电网负荷波动场景。
结果分析：
- 无储能情景：系统频率在负荷增长时迅速跌落，最低至49.6Hz左右，无法满足电网稳定要求。
- 配置混合储能：储能系统显著缓解了负荷增加对频率的冲击，使频率稳定在49.9Hz附近。
- 超级电容承担快速频率调节任务，体现锯齿状波动轨迹，表现为短周期的充放电切换。
- 蓄电池则作为超级电容辅助，为风电场输出功率提供额外支撑。
结论与意义
本文提出了一种基于混合储能的风电场一次调频控制策略，结合超级电容与蓄电池的优势，实现了有效的功率波动平衡和频率控制。仿真结果验证了该策略的可行性与有效性，具有以下重要意义： 1. 科学价值： - 提供了风电场频率调节研究的新思路，使DFIG风电机组具备类似常规机组的一次调频能力。 - 丰富了混合储能的电力系统应用研究，为相关理论发展做出了贡献。
- 实际应用价值：
- 通过提升储能系统性能和灵活性，为风电在高渗透率电网下的规模化应用提供了解决方案。
- 对新能源并网控制具有普遍适用性，有助于提升电网运行的经济性与稳定性。
强调的亮点
- 创新性：本文将超级电容与蓄电池相结合，提出灵活的协同控制策略，填补了单一储能研究的不足。
- 实用性：基于现有储能技术优化设计策略，为风电场调频提供可落地的应用方案。
- 成功验证：通过完整的仿真模型验证，支持本文方法在更复杂场景下的潜在可行性。