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摘 要：在我国发展可循环经济的背景下，新能源的开发利用值得重视，风电作为可循环的清洁能源收到越来越大的关注。但是，如何做好风电机组与电网之间的协同配合是电力系统的稳定运行的关键。本文介绍了基于储能方法的风力机组低电压穿越研究，希望能对相关学者提供借鉴。
关键字：储能方法；风电；研究
中图分类号：TM925文献标识码： A
1 概述
近几年来，风电在我国整个电力生产中所占的比重越来越大，随着风电机组的单机容量不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。当出现电网故障时，现有的风电保护原则是将风电机组立即从电网中脱网以确保机组的安全。这样，一旦电网发生故障，迫使大面积风电机组因自身保护而脱网，将严重影响电力系统的运行稳定性。
因此，国家电网公司根据近几年风电机组在电网中的运行特性，发布了新的风电机组并网标准（Q/GDW392-2009）《风电场接入电网技术规定》，也是目前我们国家实施的最新的风电场接入规则，其中明确提出了风电机组应具有低电压穿越能力，如图1.1所示，横坐标为电压跌落的时间，纵坐标为跌落的深度，从图中可看出，只有在电网电压跌落在曲线下方时，并网风电机组才能脱网，否则要继续并网运行。
图1.1低电压穿越要求
本文针对风力发电机中永磁机组的低电压穿越能力进行研究，目前永磁同步风力发电机低电压穿越解决方案是在直流母线上并联卸荷电阻电路方案，这种方案是将功率损耗在卸荷电阻上，效率较低且卸荷电阻发热问题严重。本文主要研究利用储能单元对能量的存储和回馈达到低电压穿越要求。
所研究的方案中，由储能介子和双向变换器组成储能系统，通过吸收、释放电能平衡风力发电机出口母线电压，从而使发电机与电网故障相隔离，提高风电机组的低电压穿越能力。
储能介质可选择锂电池、液流电池、超级电容等，为研究方便，本选择以超级电容为依托，研究储能系统在低电压穿越中的方法。
2系统结构与模型
2.1 系统结构
图2.1所示系统中，风力机直接驱动永磁同步发电机，永磁同步发电机再通过全功率变流器与电网连接，储能单元则通过双向变流器与风机出口连接
图 2.1带储能系统的永磁同步风电系统
图2.2为储能系统结构图，其中S1，S2表示IGBT,D1、D2表示二极管，L表示电感；RSC和CSC构成超级电容的最简单模型，其中RSC表示等效串联电阻。
图2.2储能系统结构图
2.2 系统模型
（1） 风力发电机组模型
为了简化仿真模型，风速设为恒定，且在此风速下风力发电机输出功率为1.5MW，风机参数设置如图2.3所示
图2.3 发电机数据
风机机组数据如图2.4所示
图2.4 风机机组数据
（2）儲能单元模型
超级电容是一种双层电容，它利用活性碳多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，作为一种短周期储能元件，超级电容具有功率密度高、大电流充放电力强、能量转换效率高和循环使用寿命长的优点。
超级电容的物理特性非常复杂，文献[1]采用梯形电路构建超级电容的分布参数模型，如图2.5所示
图2.5 超级电容模型
其中 Ri、Ci构成秒级充电特性；Rd、Cd决定分钟级充电特性；Rl、Cl 决定了电路10min级充电特性；Rlea确定电容自放电特性。
由于在电力系统中，电压跌落等故障持续时间很短，所以在仿真低电压穿越时，可以将超级电容简化为只含主导超级电容秒级充电特性支路，如图2.6所示
图2.6 超级电容简化模型
（3）双向变流器模型
能量双向流动的变流器可实现直流侧的电池组与交流电网之间的能量转换。考虑到变流器开关变换过程迅速，可采用不计调制波频率动态变化过程的变流器数学模型。考虑到三相三线制系统的三相电流之和为0，可不考虑零序分量。因此在本文中采用低频变流器数学模型[2].该模型在同步旋转坐标系下可表示为
(1)
(2)
(3)
式中：K为比例系数；δ为储能系统输出电压与系统电压夹角，是可控量；Us为系统电压有效值；ild,ilq为交流侧电流。
本文利用风机出口（低压侧）母线有功功率和电压作为控制信号，对稳态情况的有功功率和无功功率分别控制，对故障情况的电压进行调节。双向变流器控制框图如图2.7所示，在稳态情况下，有功功率和无功功率解耦控制的思路为：当电压信号高于阀值0.6pu时，由控制信号ΔP和ΔU分别通过控制器产生期望电流控制信号Idref和Iqref，采用前馈解耦控制策略得到控制量m和Φ；当电压信号低于阀值0.6pu时，将有功功率控制器的调节参数设置为0，这时起到电压支撑作用。
图2.7 双向变流器控制模型
其中，P为实际有功功率，Pref为有功率参考值，Idref为d电流分量参考值，Id为d轴电流分量，Iq为q轴电流分量，ud为d轴电压分量，urd为d轴电压目标值，urq为q轴电压分量，urd为q轴电压目标值，u为实际电压值，uref为电压参考值，Iqref为q轴电流参考值。
3系统仿真
单台风机仿真电气图如图3.1所示，其中风速设定在恒定风速12m/s，发电机运行在额定功率，额定转速附近，且储能系统储存容量假设为无限大。
图3.1 单台风机仿真电气图
设1.0s时刻11kV传输线出现三相短路接地故障，连接电压波形和发电机转速变化波形如图3.2和图3.3所示
图3.2连接点电压波形
图3.3 风力发电机转速
由图3.2 和图3.3可知：在没有储能系统时，发生故障后端电压不能恢复到正常水平，风力发电机的有功功率无法送出，会造成电磁转矩和机械转矩不平衡，转子转速不断提高，最终偏离平衡点；对于装有储能系统的电网，当电网发生大搅动时，电压可以快速恢复到正常水平，发电机转子由减幅振荡进入新的稳定运行状态，由此可见，加入储能系统可有效的提高机组的低电压穿越能力。
4结论与展望
由储能介子和双向变换器组成储能系统，通过吸收、释放电能平衡风力发电机出口母线电压，从而使发电机与电网故障相隔离，可实现提高风电机组的低电压穿越能力。
本文描述了一种利用储能系统实现风力发电机组低电压穿越的方法，根据储能系统的特性，不仅限于在低电压方案的解决上，还可利用其储存能力特性，应用在风力发电机组的功率平滑及电能调峰上。
关键字：储能方法；风电；研究
中图分类号：TM925文献标识码： A
1 概述
近几年来，风电在我国整个电力生产中所占的比重越来越大，随着风电机组的单机容量不断增大和风电场规模的不断扩大，风电机组与电网间的相互影响已日趋严重。当出现电网故障时，现有的风电保护原则是将风电机组立即从电网中脱网以确保机组的安全。这样，一旦电网发生故障，迫使大面积风电机组因自身保护而脱网，将严重影响电力系统的运行稳定性。
因此，国家电网公司根据近几年风电机组在电网中的运行特性，发布了新的风电机组并网标准（Q/GDW392-2009）《风电场接入电网技术规定》，也是目前我们国家实施的最新的风电场接入规则，其中明确提出了风电机组应具有低电压穿越能力，如图1.1所示，横坐标为电压跌落的时间，纵坐标为跌落的深度，从图中可看出，只有在电网电压跌落在曲线下方时，并网风电机组才能脱网，否则要继续并网运行。
图1.1低电压穿越要求
本文针对风力发电机中永磁机组的低电压穿越能力进行研究，目前永磁同步风力发电机低电压穿越解决方案是在直流母线上并联卸荷电阻电路方案，这种方案是将功率损耗在卸荷电阻上，效率较低且卸荷电阻发热问题严重。本文主要研究利用储能单元对能量的存储和回馈达到低电压穿越要求。
所研究的方案中，由储能介子和双向变换器组成储能系统，通过吸收、释放电能平衡风力发电机出口母线电压，从而使发电机与电网故障相隔离，提高风电机组的低电压穿越能力。
储能介质可选择锂电池、液流电池、超级电容等，为研究方便，本选择以超级电容为依托，研究储能系统在低电压穿越中的方法。
2系统结构与模型
2.1 系统结构
图2.1所示系统中，风力机直接驱动永磁同步发电机，永磁同步发电机再通过全功率变流器与电网连接，储能单元则通过双向变流器与风机出口连接
图 2.1带储能系统的永磁同步风电系统
图2.2为储能系统结构图，其中S1，S2表示IGBT,D1、D2表示二极管，L表示电感；RSC和CSC构成超级电容的最简单模型，其中RSC表示等效串联电阻。
图2.2储能系统结构图
2.2 系统模型
（1） 风力发电机组模型
为了简化仿真模型，风速设为恒定，且在此风速下风力发电机输出功率为1.5MW，风机参数设置如图2.3所示
图2.3 发电机数据
风机机组数据如图2.4所示
图2.4 风机机组数据
（2）儲能单元模型
超级电容是一种双层电容，它利用活性碳多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量，作为一种短周期储能元件，超级电容具有功率密度高、大电流充放电力强、能量转换效率高和循环使用寿命长的优点。
超级电容的物理特性非常复杂，文献[1]采用梯形电路构建超级电容的分布参数模型，如图2.5所示
图2.5 超级电容模型
其中 Ri、Ci构成秒级充电特性；Rd、Cd决定分钟级充电特性；Rl、Cl 决定了电路10min级充电特性；Rlea确定电容自放电特性。
由于在电力系统中，电压跌落等故障持续时间很短，所以在仿真低电压穿越时，可以将超级电容简化为只含主导超级电容秒级充电特性支路，如图2.6所示
图2.6 超级电容简化模型
（3）双向变流器模型
能量双向流动的变流器可实现直流侧的电池组与交流电网之间的能量转换。考虑到变流器开关变换过程迅速，可采用不计调制波频率动态变化过程的变流器数学模型。考虑到三相三线制系统的三相电流之和为0，可不考虑零序分量。因此在本文中采用低频变流器数学模型[2].该模型在同步旋转坐标系下可表示为
(1)
(2)
(3)
式中：K为比例系数；δ为储能系统输出电压与系统电压夹角，是可控量；Us为系统电压有效值；ild,ilq为交流侧电流。
本文利用风机出口（低压侧）母线有功功率和电压作为控制信号，对稳态情况的有功功率和无功功率分别控制，对故障情况的电压进行调节。双向变流器控制框图如图2.7所示，在稳态情况下，有功功率和无功功率解耦控制的思路为：当电压信号高于阀值0.6pu时，由控制信号ΔP和ΔU分别通过控制器产生期望电流控制信号Idref和Iqref，采用前馈解耦控制策略得到控制量m和Φ；当电压信号低于阀值0.6pu时，将有功功率控制器的调节参数设置为0，这时起到电压支撑作用。
图2.7 双向变流器控制模型
其中，P为实际有功功率，Pref为有功率参考值，Idref为d电流分量参考值，Id为d轴电流分量，Iq为q轴电流分量，ud为d轴电压分量，urd为d轴电压目标值，urq为q轴电压分量，urd为q轴电压目标值，u为实际电压值，uref为电压参考值，Iqref为q轴电流参考值。
3系统仿真
单台风机仿真电气图如图3.1所示，其中风速设定在恒定风速12m/s，发电机运行在额定功率，额定转速附近，且储能系统储存容量假设为无限大。
图3.1 单台风机仿真电气图
设1.0s时刻11kV传输线出现三相短路接地故障，连接电压波形和发电机转速变化波形如图3.2和图3.3所示
图3.2连接点电压波形
图3.3 风力发电机转速
由图3.2 和图3.3可知：在没有储能系统时，发生故障后端电压不能恢复到正常水平，风力发电机的有功功率无法送出，会造成电磁转矩和机械转矩不平衡，转子转速不断提高，最终偏离平衡点；对于装有储能系统的电网，当电网发生大搅动时，电压可以快速恢复到正常水平，发电机转子由减幅振荡进入新的稳定运行状态，由此可见，加入储能系统可有效的提高机组的低电压穿越能力。
4结论与展望
由储能介子和双向变换器组成储能系统，通过吸收、释放电能平衡风力发电机出口母线电压，从而使发电机与电网故障相隔离，可实现提高风电机组的低电压穿越能力。
本文描述了一种利用储能系统实现风力发电机组低电压穿越的方法，根据储能系统的特性，不仅限于在低电压方案的解决上，还可利用其储存能力特性，应用在风力发电机组的功率平滑及电能调峰上。