CN110611320A - 基于超级电容器储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于新能源技术领域的一种超级电容器储能控制的双馈风电机组的惯量与一次频率调节策略，其中虚拟惯量调节和一次频率调节都由超级电容器控制实现，使得风电机组的改进变得简易，不需增加风电机组额外附加控制，将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，超级电容储能装置的充放电功率通过网侧变流器直接流向负荷侧。该策略使得风机无论在负荷增加或减小的情况下，始终运行在最大功率点跟踪状态，大大提高发电效益。若负荷减小，控制超级电容器充电，吸收风机所输出的多余的能量；若负荷增大，控制超级电容器放电来满足一次调频时所需的备用容量供给，从而使得频率调节能力得到了明显的提高。

Description

基于超级电容器储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频 方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种适合双馈风电机组在全工况下进行一次频率调节的基于超级电容器储能的双馈风电机组惯量与一次调频方法。
背景技术
根据国际能源机构(International Energy Agency，IEA)公布的数据，自2009年以来风电在能源结构中的占比逐年增加，平均每年增长0.44％，2017年，风力发电占全球能源需求量的5.6％，风电渗透率具有持续增长趋势。双馈风电机组的变频器控制策略可以实现将有功、无功进行解耦，且实现变速恒频功能，是主流机型之一。由此带来的问题是DFIG转子转速和***频率无耦合关系，风电的大规模并网必会降低***调频能力。此外，DFIG通常处于最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)运行状态，没有备用容量进行一次频率调节，也进一步加剧了风电并网的频率稳定问题。
国内外针对风电机组的频率响应开展了较多研究，提出了一些成熟控制方法以满足电网友好型风电场的建设需求。例如在MPPT的基础上叠加虚拟惯性控制和下垂控制，有效增加***的等效惯量和阻尼，但下垂控制并未改变DFIG捕获的机械功率，因此只能在一定程度上缓解频率下降速度，可能造成频率二次下降；若预先控制DFIG减载运行，就可以留有功率裕度使风机持续参与调频。若直接通过桨距角调节获得备用并参与调频，但机械调节精度低速度迟缓，且考虑到实际运行中一般桨距角固定、不调，有利于变桨控制***安全、可靠及延长寿命。还有的方法调整了最大功率跟踪曲线，使得风机运行在次优功率曲线上，以此来获得一定备用容量，但超速控制减小了频率升高扰动下的转速调节范围，降低了频率调节能力。并且以上两种控制方式均未考虑到DFIG自身发电效益，降低了风能利用率。如何合理配置风电机组的调节机制来缓解发电效益和***稳定性之间的关系，是目前需要解决的问题。
另一方面，储能装置已广泛应用于风电场，当前已有方法在DFIG背靠背变流器直流母线侧并联电池和超级电容器组储能单元以平抑风速波动，平滑功率输出；在直流母线并联超导储能单元以改善DFIG应对低压事件的动态性能，为DFIG配备储能装置参与***调频提供了可能性。
发明内容
结合上述存在的问题，有必要将双馈风电机组的一次频率调节策略进行改进，本发明兼顾DFIG运行的经济性和***频率稳定性，提出了基于超级电容器储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频策略。该策略在最大功率跟踪模式的基础上进行改进，当出现负荷减小时，控制超级电容器充电，吸收双馈风电机组所发出的多余电能，抑制频率的升高，提高频率调节能力；***负荷增加时则由储能装置为风电机组提供备用容量参与***调频，实现DFIG不损失发电效益的基础上在全工况下均具有一次频率调节能力；在源荷随机波动场景下也无需桨距角调节就可以达到优于传统超速减载控制的频率调节能力且显著提高发电效益。
为防止过充或过放，需要首先判定超级电容储能***当前SOC状态是否满足SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax约束条件。满足SOC约束后，根据负荷预测模块判断扰动类型，超级电容储能***在下垂控制下开始充放电，输出功率参考值为Pref_scss＝KscssΔf，Kscss为超级电容储能***的下垂系数。当***频率下降时，超级电容储能***持续放电，当频率上升时，风电机组为超级电容储能***充电，减小功率输出。
附图说明
图1为负荷扰动下的超级电容器控制原理框图。
图2为超级电容储能***的控制策略流程图。
图3为DFIG储能配置原理图。
图4为超级电容器恒功率充放电原理图。
图5为超级电容储能装置的效率曲线图
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。附图1为负荷扰动下的超级电容器控制原理框图，即在最大功率跟踪控制的基础上增加了超级电容的储能控制和虚拟惯量控制。通过虚拟惯量的加入，使得***响应速度快，提高***频率暂态稳定性。通过超级电容器储能参与调频控制可提高频率调节能力。虚拟惯量调节和一次频率调节都由超级电容器控制实现。
附图2为超级电容储能***的控制原理框图，首先判定超级电容储能***当前SOC状态是否满足SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax约束条件。满足SOC约束后，超级电容储能***在下垂控制下开始充放电，输出功率参考值为Pref_scss＝KscssΔf。当***频率下降时，超级电容储能***持续放电，当频率上升时，风电机组为超级电容储能***充电，减小功率输出。
附图3即为超级电容储能装置参与***一次调频配置方案图，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。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负荷侧。
其中储能单元容量配置需要满足负荷突增或突减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***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。
超级电容器储能装置处于恒功率充放电模式，如附图4(a)、(b)所示为充放电的原理图。其中，充电功率为Pc，放电功率为Pd，电容两端电压为Uc，超级电容器储能装置两端电压为U，充放电深度为d＝1-γ，γ＝Umin/Umax为电压比率，超级电容最低工作电压为Umin，最高工作电压为Umax。由附图4所示，超级电容两端电压如下式：代入电容电流方程可得：故可得该超级电容器的充电功率为：在时间Tc内，超级电容器两端电压从电压Umin升高到最高电压Umax，可得到整个充电过程中，超级电容器储能装置充得的电能为：实际充入储能装置电能为故本文所提出恒功率充电模式下的超级电容储能装置效率如下式所示：同理，在时间Td内，超级电容储能装置电压由最高电压Umax到Umin的整个放电过程中，释放能量为：该储能装置释放的电能为：综合可得其放电效率为：综上，可得本文所提出的超级电容储能装置充放电效率为：为使得超级电容储能装置效率最高，则超级电容模组电压应相对较大，单个电容(TheSuper Capacitor，简称SC)电压通常不高，大约2.5V左右，故可通过串、并联数个SC构成高电压大电容模组来满足大功率储能要求。若储能装置由m组超级电容模组串联，n组超级电容模组并联，则按照最大功率输出定理，其输出功率的最大值为：并且应当确保超级电容器达到最小电压时所输出的功率状态为满功率输出的公式：故可以得到附图5所示的储能装置效率曲线。

Claims (4)

1.一种全工况下基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频方法，其特征在于，将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，转子侧与网侧变流器可维持原有的控制方式，网侧变流器维持直流母线电容电压的稳定，通过超级电容储能装置下垂控制的充放电功率经过网侧变流器流向负荷侧。
2.一种全工况下基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频方法，其特征在于，超级电容储能的动作时机与风电机组开始超载或减载运行的动作时机一致。若负荷增大，通过控制超级电容器放电可实现一次调频时所需的备用容量供给；若负荷减小，通过控制超级电容器充电来吸收双馈风电机组所发出多余的电能，使得双馈风电机组始终处于最大功率跟踪模式，从而实现发电效益最大化。
3.一种全工况下基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频方法，其特征在于，综合考虑了超级电容器组的成本和充放电效率问题，对其储能单元容量进行优化配置。超级电容器采用恒功率放电模式，其充放电效率与最高工作电压大小成正比，并且确保超级电容器达到最小电压时所输出的功率状态为满功率输出，通过串、并联数个SC构成高电压大电容模组来满足大功率储能要求。
4.一种全工况下基于超级电容储能控制的双馈风电机组惯量与一次调频方法，其特征在于，虚拟惯量调节和一次频率调节都由超级电容器控制实现，从而对风电机组的改进变得简单、容易，不需增加风电机组额外附加控制，超级电容器扩展功能得以实现。
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