專利名稱：一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風力發(fā)電控制領(lǐng)域，尤其涉及一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制 方法。
背景技術(shù)：
風能作為一種潔凈的可再生能源，符合環(huán)境保護計劃的要求，風力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè) 在世界范圍內(nèi)得到飛速發(fā)展，電網(wǎng)中風力發(fā)電裝機容量所占的比例逐步提高。但是由于風 能具有隨機性和間歇性的特點，大規(guī)模風電場對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成的影響也逐漸加大。同 時，由于系統(tǒng)負荷變化導致的頻率變化也會變得更加劇烈，容易使電網(wǎng)失去穩(wěn)定性。針對上述問題，現(xiàn)有以下控制策略用以減小風電場并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響。采用微電網(wǎng)領(lǐng)域中的虛擬同步發(fā)電機思想，即通過在分布式發(fā)電電源直流側(cè)配置 儲能系統(tǒng)，并配以基于虛擬同步發(fā)電機模型的并網(wǎng)逆變器控制算法，使分布式電源對大電 網(wǎng)體現(xiàn)同步發(fā)電機特性，為系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性做出貢獻。但目前研究工作并未有效體現(xiàn)虛擬 同步發(fā)電機對頻率的調(diào)節(jié)作用。通過將儲能系統(tǒng)配置于風電場出口處，可以有效平抑風電場輸出功率的波動，提 高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但這種控制策略仍未改變電力電子接口對電網(wǎng)的影響，并且當系統(tǒng)負荷 波動時仍然會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及風機的運行產(chǎn)生影響。因此，期望通過對風電場采取適當?shù)目刂撇呗?，即能平抑風電場輸出功率的波動， 又可以減弱系統(tǒng)負荷變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，有效提高風電場并網(wǎng)性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對上面技術(shù)背景中描述的風電場輸出功率波動、負荷變化對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響大 等不足，本發(fā)明提出了一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，.一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，用于將儲能 型風電場模擬成虛擬同步發(fā)電機以達到風電場輸出功率平滑的目的，儲能型風電場包括風 電場和儲能電池系統(tǒng)；儲能電池系統(tǒng)包括儲能電池和逆變器；通過控制逆變器，將風電場 與儲能電池系統(tǒng)一起等效為一臺虛擬同步發(fā)電機；其特征是所述方法包括以下步驟步驟1 采集儲能型風電場輸出的無功功率、端電壓值和頻率；步驟2 將步驟1的采集量代入虛擬同步發(fā)電機控制器，經(jīng)過功頻控制器與勵磁控 制器調(diào)節(jié)分別得到儲能電池功率指令值以及虛擬同步發(fā)電機勵磁電動勢值；步驟3 采集儲能電池輸出有功功率和逆變器輸出電流；步驟4 將儲能電池有功功率指令值、虛擬同步發(fā)電機勵磁電動勢值、儲能電池輸 出有功功率和逆變器輸出電流，代入虛擬同步發(fā)電機本體建模公式，得到虛擬同步發(fā)電機 的端電壓；步驟5 將步驟4中得到虛擬同步發(fā)電機的端電壓作為合成調(diào)制波給入逆變器的 空間矢量脈寬調(diào)制算法，經(jīng)調(diào)制輸出具有同步發(fā)電機特性的并網(wǎng)電壓。
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所述風電場的風能設備為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組，并等效為一臺風力發(fā)電機組。所述直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組包括風力機、永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器以及網(wǎng)側(cè)
變流器。所述儲能電池系統(tǒng)連接于風電場出口處，逆變器的控制策略采用虛擬同步發(fā)電機 控制算法。所述虛擬同步發(fā)電機控制算法包括虛擬同步發(fā)電機控制器算法和虛擬同步發(fā)電 機本體建模公式。所述的虛擬同步發(fā)電機本體建模公式采用同步發(fā)電機的二階機電暫態(tài)模型，包括 定子電壓方程與轉(zhuǎn)子機械方程。上述的儲能型風電場控制方法可使儲能電池吞吐風機發(fā)出的功率波動，從而平滑 風電場輸出功率；可使配置儲能電池的風電場對電網(wǎng)體現(xiàn)同步發(fā)電機特性，根據(jù)負荷波動 調(diào)整自身輸出功率，維持系統(tǒng)穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明實施例中儲能型風電場并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明實施例中虛擬同步發(fā)電機控制原理圖。圖3為本發(fā)明實施例中功頻控制器原理圖。圖4為本發(fā)明實施例中勵磁控制器原理圖。圖5為本發(fā)明實施例中風電場輸出功率平抑控制仿真結(jié)果圖；圖a為風速波形圖；圖b為風電場輸出有功功率波形圖；圖c為風電場輸出功率和 儲能電池吞吐功率示意圖；圖d為頻率波形圖。圖6為本發(fā)明實施例中風電場實現(xiàn)同步發(fā)電機調(diào)節(jié)特性仿真結(jié)果圖；圖a、圖b為虛擬同步發(fā)電機與電網(wǎng)始終按各自容量1 4分配負荷效果圖；圖c 為系統(tǒng)頻率趨勢圖；圖d為系統(tǒng)輸出電壓波形圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性 的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。下面結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的原理和具體的實施方式。如圖1所示，風電場并網(wǎng)系統(tǒng)由汽輪發(fā)電機組、配置儲能電池的風力發(fā)電機組組 成。其中，汽輪發(fā)電機組由多臺同等容量的汽輪發(fā)電機組并聯(lián)，組成火力發(fā)電廠輸入電網(wǎng)。風力發(fā)電機組采用直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組，由風力機、永磁同步發(fā)電機 PMSG(permanent magnet synchronous generator)、機側(cè)變流器以及網(wǎng)側(cè)變流器組成。機 組通過對雙脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)變流器的控制，實現(xiàn)風能的最大 功率跟蹤MPPT (Maximum Power Point Tracking)和對系統(tǒng)有功功率與無功功率的解耦控 制，使機組能充分利用風能并運行于單位功率因數(shù)。儲能電池系統(tǒng)由儲能電池和逆變器組成，儲能電池系統(tǒng)配置在風電場出口并網(wǎng) 處，相比于在直流側(cè)配置儲能系統(tǒng)，其減少了一級能量變換，經(jīng)濟性更好，并便于集中控制。 通過對儲能電池逆變器的控制，使風電場與儲能系統(tǒng)一起等效為一臺虛擬同步發(fā)電機，如虛線框內(nèi)所示。圖2是虛擬同步發(fā)電機控制方法原理圖。主電路采用三相電壓型逆變器，允許能 量雙向流動；LpCi分別為濾波電感與濾波電容，氏為線路電阻(i = a，b，C)。T#WT、Bat* VSG分別對應風電場、儲能電池和虛擬同步發(fā)電機。Uab。為風電場并網(wǎng)電壓，即虛擬同步發(fā) 電機端電壓。由控制部分采集并網(wǎng)處信號(無功功率、并網(wǎng)端電壓值和頻率)并進行控制， 并采集儲能電池輸出有功功率、儲能電池逆變器輸出電流，得到相應控制量給入同步發(fā)電 機模型，合成虛擬同步發(fā)電機電樞電壓，將其作為逆變器的空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM(spaCe vector pulse width modulation)算法調(diào)制信號波，逆變器輸出電壓經(jīng)LC濾波后可得到具 有同步發(fā)電機特性的風電場并網(wǎng)電壓。具體實施步驟如下1.由控制部分采集并網(wǎng)處的無功功率Q、并網(wǎng)端電壓值U和頻率f;2.計算儲能電池功率指令值Pt和虛擬同步發(fā)電機勵磁電動勢；虛擬同步發(fā)電機控制器算法包括功頻控制器和勵磁控制器。圖3為虛擬同步發(fā)電機的功頻控制器。此控制器參考同步發(fā)電機調(diào)速器原理設 計，采集并網(wǎng)處頻率的變化量，經(jīng)過控制得到儲能電池的功率指令值Pt，給入同步發(fā)電機模 型。在儲能電池容量允許的情況下，此功頻控制器可以實現(xiàn)功率平抑與調(diào)頻調(diào)壓雙重功能， 其具體控制原理為1)功率平抑功能。為便于分析，考慮系統(tǒng)負荷沒有波動的情況，此時f = fN = 50Ηζ, ΔΡ = 0ο 為風電場并網(wǎng)功率指令值，也作為虛擬同步發(fā)電機的額定有功功率值，其 取值為風電場由最大功率跟蹤MPPT控制輸出的有功功率經(jīng)低通濾波后的值，濾除了對電 網(wǎng)影響較大的功率高頻成份。儲能電池的功率指令值Pt = I3n-Pwt，實現(xiàn)了對風電場有功功 率的平抑。2)頻率調(diào)節(jié)功能引入發(fā)電機靜態(tài)調(diào)差系數(shù)R
權(quán)利要求
1.一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，用于將儲能型風電場模擬成虛擬同步 發(fā)電機以達到風電場輸出功率平滑的目的，儲能型風電場包括風電場和儲能電池系統(tǒng)；儲 能電池系統(tǒng)包括儲能電池和逆變器；通過控制逆變器，將風電場與儲能電池系統(tǒng)一起等效 為一臺虛擬同步發(fā)電機；其特征是所述方法包括以下步驟步驟1 采集儲能型風電場輸出的無功功率、端電壓值和頻率；步驟2 將步驟1的采集量代入虛擬同步發(fā)電機控制器，經(jīng)過功頻控制器與勵磁控制器 調(diào)節(jié)分別得到儲能電池功率指令值以及虛擬同步發(fā)電機勵磁電動勢值；步驟3 采集儲能電池輸出有功功率和逆變器輸出電流；步驟4 將儲能電池有功功率指令值、虛擬同步發(fā)電機勵磁電動勢值、儲能電池輸出有 功功率和逆變器輸出電流，代入虛擬同步發(fā)電機本體建模公式，得到虛擬同步發(fā)電機的端 電壓；步驟5 將步驟4中得到虛擬同步發(fā)電機的端電壓作為合成調(diào)制波給入逆變器的空間 矢量脈寬調(diào)制算法，經(jīng)調(diào)制輸出具有同步發(fā)電機特性的并網(wǎng)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，其特征是所述 風電場的風能設備為直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組，并等效為一臺風力發(fā)電機組。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，其特征是所述 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組包括風力機、永磁同步發(fā)電機、機側(cè)變流器以及網(wǎng)側(cè)變流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，其特征是所述 儲能電池系統(tǒng)連接于風電場出口處，逆變器的控制策略采用虛擬同步發(fā)電機控制算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求書4所述一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，其特征是所述 虛擬同步發(fā)電機控制算法包括虛擬同步發(fā)電機控制器算法和虛擬同步發(fā)電機本體建模公 式。
6.根據(jù)權(quán)利要求書5所述一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法，其特征是所述 的虛擬同步發(fā)電機本體建模公式采用同步發(fā)電機的二階機電暫態(tài)模型，包括定子電壓方程 與轉(zhuǎn)子機械方程。
全文摘要
本發(fā)明公開了風力發(fā)電控制技術(shù)領(lǐng)域中的一種具有并網(wǎng)特性的儲能型風電場控制方法。該方法通過在風電場交流側(cè)配置儲能電池系統(tǒng)，并對儲能電池系統(tǒng)的逆變器采取基于同步發(fā)電機模型的控制策略，將風電場和儲能電池系統(tǒng)等效為虛擬同步發(fā)電機，使風電場具備并網(wǎng)接口特性。該方法使風電場的輸出功率平滑，有效減小風電場輸出功率波動對電網(wǎng)頻率的影響；對電網(wǎng)體現(xiàn)同步發(fā)電機的特性，可根據(jù)系統(tǒng)負荷的波動自動維持系統(tǒng)功率平衡，使系統(tǒng)電壓頻率穩(wěn)定。
文檔編號H02J3/28GK102074967SQ201110003330
公開日2011年5月25日 申請日期2011年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月10日
發(fā)明者畢大強, 王思耕 申請人:清華大學