华北电力大学颜湘武团队特稿：基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略
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颜湘武，博士，教授，博士生导师，“分布式储能与微网”河北省重点实验室副主任，河北电机工程学会理事，中国电工技术学会电动汽车充换电系统与试验专业委员会委员，中国电源学会元器件专委会委员。
2007年11月至2008年10月期间由国家派出到美国威斯康星麦迪逊大学留学研究，现为华北电力大学电气与电子工程学院教授。先后主持和承担国家863计划、国家科技支撑以及国家自然科学基金项目10余项。获得中国电力科学技术一等奖1项、三等奖1项，河北省科技进步三等奖2项，授权国家发明专利30余项。
主要从事新能源电力系统稳定与自治控制、分布式发电并网与系统特性分析、高效变换拓扑以及电动汽车安全充电等方面的理论及其关键技术研究。已培养硕士、博士研究生100余人。先后在《中国电机工程学报》、《电工技术学报》、IEEE Transaction、European Journal、电力系统自动化等国内外权威和核心期刊，以及IEEE核心国际会议等，发表学术论文200余篇，其中被SCI、EI收录120余篇。
本文提出了基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略，并设计出一套最高放电效率下成本最低的超级电容储能方案。所提方法在源荷随机波动场景下，发电效益接近于最大功率跟踪模式，明显高于超速减载控制模式，同时还具有明显优于传统超速减载控制的一次频率调节能力，且无需进行桨距角调节，有利于延长变桨系统寿命。
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190573
近年来，随着风电渗透率的提升，系统的等值时间常数降低，一方面，系统的稳定储备系数降低，另一方面，系统调度难度增大，出现弃风现象。传统超速减载控制通过保留部分有功备用参与系统调频，但存在风电机组发电效益降低、转速调节范围减小及桨距角控制启动频繁等问题。论文提出的变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略，相比传统超速减载控制的经济效益和一次频率调节能力均有显著提升，同时为储能装置在新能源机组渗透率逐渐加大的背景下提出了新的应用思路。
传统超速减载控制通过保留部分有功备用参与系统调频一方面在正常运行时损失了风电场的发电效益，另一方面在负荷突减这一扰动下并未考虑到转速和功率调节深度的问题，调节效果不佳。
针对此问题，本文进一步探索发现最大功率跟踪模式在正常运行方式下可最大化发电效益，在负荷突减这一扰动下若可以参与调频，则其可调范围远大于超速减载模式。
本文结合变功率跟踪控制和MPPT模式的优点，最大化发电效益的同时实现DFIG在负荷突减扰动下的一次频率调节，同时针对在负荷突增扰动下风电机组无备用容量参与调频问题，合理配置储能提高风电机组调频能力，论文提出的基于超级电容储能的双馈风电机组参与系统一次调频配置如图1所示。
图1 DFIG的储能配置
超级电容器经过双向DC/DC变换器与双馈风电机组的直流侧母线电容相连接，超级电容器一方面由于功率密度大，可瞬时大功率输出；另一方面可循环次数较多，满足频繁充放电的需求，因此选取超级电容储能辅助DFIG风电机组参与调频。
本文中双馈风电机组的转子侧与网侧变流器可维持原有的控制方式，网侧变流器的作用是维持直流母线电容电压的稳定，故超级电容储能装置的充放电功率通过网侧变流器直接流向电网。
基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略原理框图如图2所示。
图2 超级电容储能系统的控制原理框图
首先根据负荷预测模块判断扰动类型。根据风机VSG技术标准《风电机组虚拟同步机技术要求和试验方法》，将调频死区设定为 ，此时可近似判定为系统无扰动，风电机组不参与惯性调节和一次频率调节。
在无扰动和负荷增加扰动下，风机运行在最大功率点跟踪状态下，实现发电效益最大化；若负荷减小，变功率点跟踪控制启动，根据频率偏差得到风机附加调节功率；若负荷增加，超级电容储能装置控制启动，根据频率偏差得到储能装置附加调节功率。
储能单元容量配置需要满足负荷突增扰动下的一次频率调节需求。若储能装置容量过小，无法提供充足的备用容量参与频率调节；若储能装置容量过大，则会增加储能系统成本，造成一定量的容量浪费。故综合上述因素，需要合理设置储能装置的容量。
本文所采用的超级电容器储能装置处于恒功率放电模式，可以得到图3所示的储能装置放电效率曲线，其中ƞ为超级电容放电效率，Umax为最高工作电压。
图3 超级电容储能装置的效率曲线
由上图可知，超级电容器在恒功率放电时，其放电效率与最高工作电压大小成正比。综合考虑超级电容器组的成本和放电效率问题，本文采用144 V*55 F超级电容器5串2并共10组组成该双馈风机机组的储能装置，其最低工作电压为32 V，最高工作电压为720 V，其放电效率为96.9%。
表1中对一次调频方案的技术经济性进行了对比，由对比可知预留备用的调频方案可以在调节过程中提供长期的功率支撑，其调节性能与火电相当，但经济损失巨大；相比之下，配置储能方案仅需一次性投入，投资额在可接受的范围之内，且调频性能明显优于火电，在后续的推广应用中，储能系统还可以进一步平滑出力、减少弃风弃光，业主可通过这些综合应用的模式增加收益。由此可知配置分布式的储能的双馈风电机组是风电场首选的一次频率调节方案。
表1 2种应用模式技术经济性对比
本文基于MATLAB/Simulink仿真平台建立四机两区域仿真模型进行仿真分析。由表2可知，在系统源荷随机波动场景下，基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略和超速减载预留10%备用容量相比，频率调节能力提高10%，平均风能利用率提高12%，平均输出功率增大23.5%,且超速减载控制在参与系统调节时桨距角调节时间占比高达20%，而基于超级电容器储能参与调频控制无需桨距角调节。
表2 源荷随机波动时响应性能指标
因此在源荷随机波动场景下，超级电容器参与调频控制在风机发电效益大大提高的基础上，其频率调节能力高于常规的超速减载控制，更能满足系统的一次频率调节需求，且无需进行桨距角调节，有利于变桨控制系统安全、可靠及延长寿命。
目前双馈风机普遍采用的最大功率跟踪控制策略或传统变桨、超速减载用于一次频率调节各有其不足，本文所提出的基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略，充分结合以上控制策略的优势，弥补其不足，达到在不损失风电机组发电效益的前提下，参与系统一次频率调节的效果，并且大大提高了一次频率调节能力和发电效益，经济性优势显著，为储能装置在新能源机组渗透率逐渐加大的背景下提出了新的应用思路，同时为风电机组参与一次调频的新方法提供了理论依据。
颜湘武, 宋子君, 崔森, 孙颖, 李铁成. 基于变功率点跟踪和超级电容器储能协调控制的双馈风电机组一次调频策略[J]. 电工技术学报, 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.