童 欣，郝剑波，张 坤

(1. 华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉430074;2. 湖南省电力公司 科学研究院，湖南 长沙410007;3. 湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙410082)

0 引言

风力发电系统由于风速、风向等自然条件的变化，其输出功率具有波动性、间歇性的特点。随着风电的电网穿透率的不断增加，这将对局部电网电压的稳定性和电能质量产生较大的负面影响［1～3］。目前，已有文献［4 ～9］针对平滑风电功率波动问题进行了分析研究，其中文献［4］结合风力机变桨控制和发电机变速控制，促使发电机输出较为平滑的有功功率;文献［5 ～9］通过各种储能设备快速吞吐有功功率，达到平滑风电功率波动、增强系统稳定性的目的。与此同时，电网故障也会给并网风电系统带来一系列的暂态过程，甚至会危及到风电系统的安全运行［10］。因此，在系统中配置一定的无功补偿设备 (如STATCOM)可起到支撑电网电压的作用，以帮助电网恢复正常工作，并提高风电系统的低电压穿越能力。当电网的故障持续时间超出一定范围后，根据电网规则要求，风电系统将被允许脱离电网［11］。为了最大利用风能资源以及提高当地负荷供电的可靠性，风电系统需要具有快速从并网运行模式平滑切换到离网运行模式的能力。锂电池具有能源效率高、能源密度高、存储性能优秀等特点，通过并联和串联的方式可组成大容量、高电压的锂电池储能系统，这将在电力系统中获得非常广泛的应用。本文将锂电池储能系统应用到风力发电中，并针对锂电池储能系统的运行特性，提出了一种可行的综合控制策略，从而能够有效地提高风电系统的运行性能。

1 锂电池数学模型

锂电池等效电路如图1 所示［12～13］。考虑到锂电池的物理和数学特性，该电池模型采用以下等效:(1)SOC 代表电池的荷电状态，即电池内活性化学物质的数量，被等效成一个动态更新的变量;(2)电池堆电势被等效成一个受控电压源，受其荷电状态SOC 变化的影响;(3)电阻Rn和电阻Rh分别代表电池的内阻损耗和化学反应损耗;(4)与电阻Rh并联的电容Ch被等效模拟电池的暂态特性。

单体电池电压Vcell与其荷电状态SOC 之间的关系为

图1 锂电池等效电路模型Fig．1 Equivalent circuit of lithium battery

式中:Ve为单体锂电池的标准电势差(3.797 V);k 为温度系数，一般可忽略温度的影响，认为在室温条件下k=0.182 9。

电池组一般由多个单体电池(假设为n 个)串联而成，电池堆电势Vs和等效电容Cs分别为

锂电池的荷电状态SOC 定义为

式中:SOCt+1和SOCt分别为t +1 和t 时刻的荷电状态;ΔSOC 为一个时间步长的荷电状态变化量。

2 锂电池储能系统结构

图2 为风电/锂电池储能系统的结构示意图。锂电池储能系统并接在风电系统出口处，它由锂电池组、双向DC －DC 变流器、DC －AC 变流器以及升压变压器构成。双向DC －DC 变流器用于控制DC－AC 变流器直流侧的电压稳定;DC－AC变流器在并网模式下通过调节网侧电流的d 轴和q 轴分量，控制其流向电网的有功功率和无功功率，实现有功和无功功率的解耦控制;在离网模式下控制负载的端电压和频率稳定。对于由多台风电机组构成的大型风电系统，可相应在风电系统出口处并接多台锂电池储能系统，以满足其工作性能的要求。

图2 风电/锂电池储能系统结构示意图Fig．2 Structure diagram of wind power generation/lithium battery energy storage system

风电系统并网运行时，根据电网的运行状况，锂电池储能系统的作用将有所不同。当电网正常运行时，锂电池储能系统主要用于平滑风电系统的有功波动，从而提高并网风电系统的电能质量和稳定性。当电网发生故障时，锂电池储能系统主要用于向电网提供无功功率，以帮助电网恢复正常工作。风电系统离网运行时，锂电池储能系统主要用于控制公共连接点的电压和频率稳定。

3 锂电池储能系统控制

当风电系统并网运行时，锂电池储能系统的DC－AC 变流器采用双闭环控制结构，控制开关连接端口1，如图3 所示。风力发电系统发出的有功功率PG经一阶低通滤波器得到并网功率参考值，与并网功率PT进行比较通过功率调节器得到q 轴(有功)电流的参考值;公共连接点电压的幅值参考值Mag_V*与其幅值测量值Mag_V进行比较，通过电压调节器得到d 轴(无功)电流参考值。电流内环采用前馈解耦控制策略［14］，实现系统有功功率和无功功率的独立控制。为满足DC－AC 变流器热容量要求，其输出电流iB的大小将被限制在一定范围内(本文取iB－max= 1.2 p.u.)，即无功电流和有功电流的参考值也将相应受到限制。当电网发生故障时，以无功电流作为优先控制对象，通过=(i≤iB－max)对有功参考电流进行限制，此时锂电池储能系统将运行在STATCOM 模式下，向电网提供无功功率，以帮助电网恢复正常运行。

4 系统仿真

图3 锂电池储能系统的控制框图Fig．3 Control diagram of lithium battery energy storage system

当风电系统离网运行时，锂电池储能系统的DC－AC 变流器采用V/f 控制，控制开关切换至端口2，如图3 所示。公共连接点电压的的d，q分量参考值，与其测量值进行比较分别通过电压调节器得到电压调制波d，q 分量的参考值，。由于风电系统并网运行时公共连接点的相位θ1与离网运行时控制器设定的相位θ2之间可能会存在一定的相位差，这样在切换过程中可能会引起系统的震荡甚至失稳。对此，通过相位限速器来控制公共连接点的相位从θ1平滑切换到θ2，从而实现风电系统从并网运行模式到离网运行模式的平滑切换。

连接锂电池组的双向DC －DC 变换器的控制原理如图3 所示。图中，DC－AC 变流器直流侧电压参考值与其测量值uDC进行比较通过电压调节器得到双向DC －DC 变换器的调制电流参考值，与双向DC －DC 变换器输入电流iSB进行比较再通过电流调节器得到双向DC －DC变换器占空比d1的反馈控制量，以达到电流对其参考值的快速跟踪。作为占空比d1的前馈控制量，可以抑制双向DC －DC 变换器两端的电压波动给电流控制带来的干扰［15］。

利用Matlab/Simulink 对图1 所示的风电/锂电池储能混合系统进行仿真。具体仿真参数如下:电网线电压额定值为20 kV (有效值)，频率为50 Hz;锂电池组的额定电压为600 V，额定功率为600 kW，额定容量为200 kW·h，单体电池数为n=3 750，Rn=0.02 Ω，Rh=0.01 Ω，Cs=0.667 F;DC－AC 变换器的额定功率为1 MVA，交流侧输出线电压额定值为650 V (有效值)，直流侧电压额定值为2 400 V，功率器件为IGBT，开关频率为8 kHz;连接锂电池组的双向DC/DC 变换器的额定功率为600 kVA，功率器件为IGBT，开关频率为10 kHz。DC －AC 变换器的直流侧电容为10 000 μF，输出滤波电感为2 mH;双向DC/DC变换器的升压电感为0.3 mH;一阶低通滤波器的时间常数T1=600 s。在电网发生故障时，当地负荷的额定有功功率和无功功率分别为500 kW 和200 kVar。

图4 (a)可以看出，风力发电系统输出的有功功率PG波动较大;经锂电池储能系统调节后，实际注入电网的有功功率PT较为平滑。储能系统发出的有功功率如图4 (b)所示。由图4 (c)可知，风电系统经锂电池储能系统补偿后的实际并网功率PT能较好地跟踪其参考值，这同时也说明该锂电池储能系统的响应速度基本能满足系统的要求。

图4 锂电池储能系统平滑风电的功率波动Fig．4 Lithium battery energy storage system smooths wind power fluctuations

当电网电压在0.1 ～0.3 s 三相跌落50%时，公共连接点电压uPCC及其幅值Mag_ V 也相应发生跌落，如图5 (a)，(b)所示。在电网电压跌落期间，锂电池储能系统最大输出电流被限制在1.2 p.u. 以内，如图5 (c)所示，其输出的无功电流id由0 增加到1.185 p.u.，为电网提供无功功率支持，以帮助电网恢复正常运行。锂电池储能系统输出的有功电流也相应受到了限制，从0.33 p.u. 降低到0.05 p.u.，如图5 (d)所示。图5(e)为锂电池储能系统输出的有功功率和无功功率。由于锂电池储能系统的无功补偿作用，公共连接点电压从0.5 p.u. 上升至0.62 p.u.。DC －AC 变流器的直流侧电压uDC也保持在其允许范围之内，如图5 (f)所示。随着电网故障的清除，电网恢复到正常工作，锂电池储能系统也将迅速恢复到故障之前的运行状态。

图5 电网电压跌落时，锂电池储能系统的工作特性Fig．5 When the grid voltage sag occurs，the operating characteristics of lithium battery energy storage system

当电网故障持续的时间较长时，这可能会危及到风电系统的安全运行，按照新的电网规则要求，风电系统将被允许脱离电网。以下是风电系统在电网故障情况下脱离电网运行的仿真结果。电网电压在0.0 ～0.1 s 处于50%的跌落状态(图6 (a)， (b))，风电系统保持其输出功率不变(图6 (c)，(d))，锂电池储能系统的运行状态与图4 中电网电压跌落时运行状态一致(图6(e)，(f))。图6 (g)，(h)为风电/锂电池储能混合系统总的输出电流和功率。图6 (i)， (j)为输入到电网的电流和功率。由于电网电压的跌落，当地负荷的电能质量也相应受到影响，它吸收的有功功率和无功功率分别为PL=125 kW 和QL= 50 kVar，均未达到其额定值 (图6 (k)，(l))。在0.1 s 时，电网的连接开关K1 断开，锂电池储能系统DC －AC 变流器的控制开关从端口1 切换至端口2。此时，输入到电网的电流和功率迅速降低到0 (6 (i)，(j))。由于锂电池储能系统的控制作用，公共连接点的电压能够迅速恢复到额定值(图6 (a)，(b))，从而当地负荷也能恢复到正常运行(图6 (k)，(l))。在脱离电网的运行过程中，锂电池储能系统一方面起到了稳定系统电压/频率的作用，另一方面也起到了平衡系统功率的作用，即风电的输出功率与当地负荷的输入功率之间的差额功率由锂电池储能系统来提供。在0.1 s 以后，风电/锂电池储能混合系统总的输出电流和功率(图6 (g)， (h))与当地负荷的输入电流和功率(图6 (k)，(l))相等。

图6 系统由并网转为孤岛的运行特性Fig．6 Operating characteristics of the system when it transfers from grid－connected to grid－isolated mode

5 结束语

锂电池储能系统在所提的控制策略下，当电网正常运行时能起到平滑风电功率波动的作用;当电网发生故障时，能为电网优先提供一定的无功功率，以帮助电网恢复正常运行;当脱离电网运行时，能够起到稳定系统电压/频率以及平衡系统功率的作用。仿真结果很好地说明了所提出的控制策略的正确性和有效性。

［1］孙涛，王伟胜，戴慧珠，等．风力发电引起的电压波动和闪变［J］．电网技术，2003，27 (12):62-66，70．Sun Tao，Wang Weisheng，Dai Huizhu，et al．Voltage fluctuation and flicker caused by wind power generators ［J］．Power System Technology，2003，27 (12):62-66，70．

［2］Eel－Hwan Kim，Jae－Hong Kim，Se－Ho Kim，et al．Impact analysis of wind farms in the jeju island power system［J］．IEEE Systems Journal，2012，(1):134-139．

［3］迟永宁，王伟胜，刘燕华，等．大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响［J］．电力系统自动化，2006，30(15):10-14．Chi Yongning，Wang Weisheng，Liu Yanhua，et al．Impact of large scale wind farm integration on power system transient stability ［J］．Automation of Electric Power Systems，2006，30 (15):10-14．

［4］廖勇，何金波，姚骏，等．基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制［J］．中国电机工程学报，2009，29 (18):71-77．Liao Yong，He Jinbo，Yao Jun，et al．Power smoothing control strategy of direct－driven permanent magnet synchronous generator for wind turbine with pitch angle control and torque dynamic control ［J］．Proceedings of the CSEE，2009，29(18):71-77．

［5］Ushiwata K，Shishido S，Takahashi R，et al．Smoothing control of wind generator output fluctuation by using electric double layer capacitor ［C］．Seoul，Korea:International Conference on Electrical Machines and Systems，2007．

［6］张步涵，曾杰，毛承雄，等．电池储能系统在改善并网风电场电能质量和稳定性中的应用［J］．电网技术，2006，30 (15):54-58．Zhang Buhan，Zeng Jie，Mao Chengxiong，et al．Improvement of power quality and stability of wind farms connected to power grid by battery energy storage system ［J］．Power System Technology，2006，30 (15):54-58．

［7］Suvire G O，Mercado P E．Active power control of a flywheel energy storage system for wind energy applications ［J］．IET Renewable Power Generation，2012，6 (1):9-16．

［8］Sheikh M R I，Muyeen S M，Takahashi R，et al．Smoothing control of wind generator output fluctuations by using Superconducting Magnetic Energy Storage unit［C］．Tokyo:International Conference on Electrical Machines and Systems，2009．1-6．

［9］阮军鹏，张建成，汪娟华．飞轮储能系统改善并网风电场稳定性的研究［J］．电力科学与工程，2008，24(3):5-8．Ruan Junpeng，Zhang Jiancheng，Wang Juanhua．Improvement of stability of wind farms connected to power grid using flywheel energy storage system［J］．Electric Power Science and Engineering，2008，24 (3):5-8．

［10］张兴，张龙云，杨淑英，等．风力发电低电压穿越技术综述［J］．电力系统及其自动化学报，2008，20 (2):1-8．Zhang Xing，Zhang Longyun，Yang Shuying，et al．Low voltage ride-through technologies in wind turbine generation ［J］．Proceedings of the CSU-EPSA，2008，20 (2):1-8．

［11］Q/GDW392—2009 风 电 场 接 入 电 网 技 术 规 定［S］．2010．

［12］Gao L，Liu S Dougal R．Dynamic lithium－ionbattery model for system simulation［J］．IEEE Transaction on Components and Packaging Technologies，2002，25 (3):495-505．

［13］Miyanaga N，Inoue T，et al．Large－scale Li－Ion battery cells for space use［C］．The Twenty － Fifth International Telecommunications Energy Conference，2003:241-248．

［14］Ye Y，Kazerani M，Quintana V H．A novel modeling and Control method for three － phase PWM converters ［C］．Vancouver BC:PESC，2001 IEEE 32th Annual，2001．102-107．

［15］陈瑶．直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究［D］．北京:北京交通大学，2008．