外文翻译译文电池储能加强风力发电机在电力系统集成

电池储能加强风力发电机在电力

系统集成

Sharad W. Mohod and Mohan V. Aware

摘要

风力发电，因其在电网的电网穿透率因而正在覆盖到世界各地。由于其随时间变化的性质和造成稳定性的问题，风力发电是一直波动的，这种弱的互联风在电网的发电来源会直接影响电能质量和它的可靠性，局部能源库应当赔偿波动功率和支持加强电力的风力发电机系统。在本文中提出了在电流控制模式下电压源逆变器(VSI)蓄能，即通过直流总线的电池。风力发电测量出风速的变化，并储存在蓄电池中，这个储能直流电压保持在整个刚性总线的电压源逆变器上，所提出来的方案提高了电力系统的可靠性和稳定性和维护单位功率因数，它也可以运行在电力系统的独立模式下，在风力发电的功率交换和动态情况下的负载是可行的，在普通点耦合时能保持规范的电能质量。它加强了电力系统的薄弱电网部分，在这种控制策略评估动态条件使用测试模拟系统，结果通过比较，验证了控制器的性能。

关键词：Terms-Battery储能；电能质量；风能发电系统。

1.简介

在最近几年，风力发电已经作为一种干净的和取之不尽，用之不竭的新能源而备受关注的，风力发电的普及率已经在世界各地持续增加，电力发电可再生能源投资的增长速度也正在世界范围内增加，德国大约有16%的电力来自风能，丹麦也有12%电力来自风能，美国正在计划产生20%的来自风能的电力，印度是全球第五大风能生产国，其在2009年总风电潜力估计为45195兆瓦，装机容量为10925兆瓦。然而，风电场输出功率是波动的，并且会影响到互联电网。所以这就需要一些措施来减少输出波动率并保持在网格的电能质量。

已经做了很多评估研究试图减轻风力发电系统的影响，在互联电网系统有一些基于氢，电容器，电池储能和超导磁储能的形成研究。在日本，电池储能被用于减缓风电场稳定短期波动输出的变化，提出了大量的能量储存为了提供所需设备去管理风电波动，加强风力吸收，实现节省燃料成本，并减少CO2排放的目的。提出的一种统计方法就是利用两节电池储能，其中风力是用于一个充电电池储存，而另一个是用于放电电池储存，该控制方法是为电池充电状态提出的，静态补偿器和储能电池固定速度

的风力发电机为电力系统提高了电能质量和增加了稳定性。风力发电渗入到电力系统将会增加对风力变速的进一步运用以容纳电力系统的最大功率，因此，它通过今天的电池储能促进了风力发电系统，电池储存能对充电放电快速反应，使它在电力系统中作为一个恒定电压源，当风速波动，特别是在高输出低于正常运行速度时，电池储存是有效的，因此，输出曲线平滑很大程度上取决于电池的储能能力。

在本文中，该系统在加强电力系统上是高效和经济。为了验证该系统的有效性，电池储存和风力发电系统提出了电流电压源逆变器的控制方式，位置控制器在

MATLAB/Simulink 中模拟运行是基于瞬时建模的，提出电能储存的控制系统有以下目标：

*在公共耦合总线的单位功率因数

*风力发电机的无功功率支持和电池负载

*在电网故障情况下独自操作

本文结构如下：第2部分介绍了广义薄弱网络系统，第3部分给出了系统配置加强了电力系统，第4部分提出了数学模型，第5部分介绍了系统的性能，第6部分是结论总结。

2.薄弱网格系统的弱发电机

广义风力发电机接口系统在电力系统中对各侧都有电压，风力发电机所连接的总线是电力系统中的一个薄弱节点，它可以通过阻抗连接到强大的网格上，如图1.所示。在广义电力系统中，三相电源被对称地发送，线电压与倍相电压相等，并且总3的三相功率恒定，电压降阻抗可以写成：

V 1?V 2= IZ （1）

3 其中V 1和V 2是均方根(RMS)电压，I 是均方根电流，Z 是传输阻抗线路以及变压器进网格。

在公共连接点（PCC ），风电场和本地负载也连接起来，风力连接的短路功率SK 可以写成：

(2) Z /V S 2

图1 .电力系统的广义风力发电机

风力发电量的变化通过阻抗Z 就会引起电流的变化，这些电流的变化又会引起电压V 2的变化。在实践中，使网络连接短路比小于2.5是可以避免的，因为它增加了电压波动被称为弱网格。

阻抗Z=R+JX 是存在于基波频率中的，普遍存在的阻抗谐波为：

Z h = R + jhX (3)

其中h 是谐波顺序，也就是说，感应电抗随着频率线性变化。

风力发电量和负荷的组合表示为P+jQ ，其中P 是有功功率，Q 是无功功率。无功功率则依赖于电压和电流相位之间的移动，如式（4）：

(4) )P Q (tan 1-=φ 风力的无功功率对电压V 2有一定的影响，这些影响依赖于本地负载和反馈的电网阻抗，因此，在风能产生电力系统中使用能量储存系统去强化弱电网是很有必要的。 3 .加强系统的系统配置

该储能加强了风力产生的网格在电力系统上配置其工作原理和所述开关逆变器的控制策略，如图2所示：

图2.储能加强风力发电机的计划

3.1工作原理

在这个系统中，电源电流的大小是通过瞬时电流源、功率变换器和负载来测定的，电池作为一种能源达到电压调节的目的，该风能发电系统被连接到不受控制的整流桥，其输出电压为可变直流，并且连接到电池储存充电。该电池还可以从低需求的电

网中带电，用于调峰需求，误差电流可以在公共耦合点的网格注入电流控制电压源逆变器。

3.2系统的控制策略

利用该控制策略去加强风力发电系统，如图3所示。

在实施控制策略并入电网系统过程中，直流环节需要通过功率变换器连接风能发电系统并入电网中，感应发电机的输出是通过整流器的第一轮转换，电池储能系统的（BESS ）的直流电压与参考值连接，它的误差会被送入比例积分器，比例积分控制器的输出被乘以一个基准正弦波发生器，因此，可以得到预期的参考电流I*Ref ，实际电流可以通过电流传感器从所需的参考电流检测和削减出来，使误差发送到滞后电流模式控制器生成开关模式。因此，这种控制策略在电网系统的开关逆变器中作为一种瞬时脉冲宽度调制的电流反馈控制方法（PWM ）。

图3.系统的控制策略

图4.PWM 瞬时反馈控制

逆变器运行的电流控制模式表现为： i ia sa i ia i ia L /)'(L /i )R (dt di ν-ν+-= （5）

（6） i ib sb ib i t ib L /)'(Li /i )R (d di ν-ν+-=

i ic sc i ic i ic L /)'(L /i )R (dt di ν-ν+-= (7 ) (8) C /)S i S i S i (dt

d C ic B ib A ia dc ++=νia ν，和是逆变器电压，，和PCC 电压，是逆变器电流，通过ib νic νsa 'νsb 'νsc 'νic ib ia i i ,i 和和参考电流的比较获得开关信号，是实际的源电流，误差电sc sb sa *i *i ,*i 和sc sb sa i i i 和，流被应用于滞后控制器，会对开关电源产生正确的信号，是开关进行开和c b a i i ,i ???和关的操作，直到电流超过或者低于有效值。在这种技术中，一种独立的比较器用于驱动逆变器，一个三臂桥逆变器的导通状态用三变量逻辑开关函数表示，分别是。滞后控制器相位A 反转得到开关函数的特性，这一特性构成C B A S S ,S 和)i (f S a A ?=了所描述的磁滞回线。

（9）

2/h i if ,1S 2

/h i if ,0S a A a A >?=-

1'S 0S A A ==和由于这种开关函数，逆变器用电源电流无谐波的方式将电流注入电网中。

注入的电流将会抵消一部分有反应性的和高次谐波的负载电流，从而提高功率因数，为了实现这个目标，电网检测并产生电流同步逆变命令，一个三相平衡电压源在电网上被表示为：

（10）

)

120t sin(V )120t sin(V )

t sin(V o c sc o b sb a sa +ω=ν-ω=νω=ν 因此，对于比较的参考电流必须来自源（电网）电压，这些电流可以表示为：

（11）

)

240t sin(I i )120t sin(I i )

t sin(I i o sc o sb sa -ω=-ω=ω= 其中I 和幅值滤波相电源电压成正比，这确保了控制电流源是为了看正弦波时电源电压是否平衡。

风力发电系统和储能电池系统是最合适的，因为它可以迅速注入或者吸收无功功率去稳定电网，它还以非常快的速度控制这些线路分布和传输系统。

4.风力电池发电系统的数学模型

风力电池发电系统的数学模型描述如下：

4.1风能发电系统

感应发单机已用风涡轮发电系统，因为它的优点就是从变速原动机发电，与同等级的其他机器相比，更适合高速运行，便于维护，降低成本，电压和频率控制的电网，风力发电系统输出功率表示为：

(12) 3

win AV 21P ρ=是空气密度，A(m 2)是通过的涡轮叶片横扫的区域，利用所有的风能是不可能)m .kg (3-ρ实现的，因而只能提取一部分的风能，被称为风力涡轮功率系数C P ，如下式表示：

(13)

wind p mech P C P =其中P mech 是风力发电机的机械功率；

(14) 59.01716Cp ==这也被称为Betz’ s 限制。

这个系数可以表示包含速度和倾角的函数，它是一个高度非线性的λ和θ的函λθ数的功能，如果机械扭矩T mech 被应用，可以很方便地生成系统，其中是计算涡轮转ω速的。

turbine mech mech /P T ω= (15)

因此：

)V ,(f P wind turbine mech ω= (16)

(17) p wind 2C V R 21Pmech ∏ρ=

其中，V win 是风的速度，单位是m/s 。

图5.直流电池存储和风力风电机

4.2直流电池和风力发电机

在逆变器中，电容器作为中间元件，减弱了风力发电系统，电网系统系统如图3所示，使用来建模的电容器比电感更加有效和昂贵。

（18） b )inv (dc )inv (dc dc I I I V dt d C --= 其中C 是电路电容，V dc 是整流电压，I dc （矩形）是整流后的直流测电流，I dc (mv) 是逆变器直流侧电流，如图5所示。

电池存储连接到直流电网，由一个电压源Eb 和一个内部电阻Rb 代表，内部电压随着电池充电而变化，终端电压V dc 表示如下：

（19）

b b d

c R I E V -= Ib 代表电池电流。保持足够的直流链接级以满足电压逆变器是很有必要的。（20） inv dc V M 22V ≥ V inv 是到线中性的电压逆变器电压，交换频率是2kH, 输出频率是50HZ,M 是调制指数（0.9），因此，这个直流线性电路专门为800V 。

直流环节电容计算为：

（21）

cpp s O V f I C =

F s 是交换频率，V cpp 是峰峰值电容电压，I O 是逆变器电流。

4.3电池模型

在电池储存的分析系统中，电池的数学模型是依赖于系统研究的，电池模型的数据目前是作为终端的行为而言：相似的短期模型是将电压源Eb 与一个内部电阻Rb 串联起来研究的。电池的响应时间是依赖于它的电气参数，实际上的一般使用铅酸蓄电池。在电池存储的应用上，直流环节的设计上大量的电池串联产生所需要的操作电压。

4.4电压源逆变器

在电压源逆变器上，转换器的每个开关都被表示为一个二进制开关，该电阻的值是无限的，如果开关是关闭或者零或者是开启的，那么该逆变器的输出电压方程可以如下书面表示过程：

（22)

其中V AN .V BN ,V CN 是逆变器的相电压。

对控制器的滞后型可以推导出逆变器的开关函数，S A,S B,S C是开关函数，Vdc是电池电压。

5.系统的性能

一种从风能中提取的电池能量储存的风力发电机方案如图2所示，它是在MATLAB/SIMULINK系统集成模块中模拟出来，SIMULINK模型库包括变频器，异步发电机，负荷模型等，这是已经建成的模拟系统，对于给定的系统仿真参数如表1中列出：

表1.系统参数

系统参数规格

电源电压三相，415V，50HZ

电源和线性电感0.5mH

风力发电机参数（感应参数）150kW,415V，50HZ,P=4，Rs=0.01，Rr=0.015Ω，

Ls=0.06H，Lr=0.06H,平均风速5m/s

直流线性参数直流线性电压800v，C=5F

整流桥参数缓冲电阻R=100Ω，Ron=0.01Ω，C=1F

逆变器参数IGBT设备，三臂桥类型额定电压：1200V；正向电流：50A；栅级电压+/-20v；延迟开启时间：70ns；延迟关闭时间：400ns；功耗300W

电池存储直流电压：800v

接口变压器Y-Y型，415 / 800v.50Hz

负荷参数三相415v，非线性负荷

5.1稳态和动态性能

负载被认为是一个非线性负载的系统仿真，该系统的性能是为了改善电能质量而进行观察，以及当电源不可用时可以支持负载。这个逆变器开关打开时间是0.2s，电源电流是Is，负载电流是I L,逆变器的电流测量和无逆变控制器电路也在单机运行模式中，从电源提供的电流是正弦，谐波等形式，该控制器系统如图6（a）所示，系统负载电流如图6（b），从逆变器注入的供电电流如图6（c），间隔时间，负载电流将会是电源电流和逆变器电流相加。电网故障时间在t=0.6s，电源电压不可用，因此逆变器将会支持负载和利用风能发电机电池储能系统作为一个独立模式。

图6.测量电流（a），源电流（b），负载电流（c）逆变器电流

图7.直流线性电能（a），直流电压（b），风力发电机的整流电流

（c）电池供应电流（d），充电电容放电

5.2直流线性性能

驱动风力发电机产生能量和在直流线性电路上提供一个非控制接口，可变速感应输出发电机是速度依赖性的，将转换输出为直流电压是很有必要的，直流环节电压如图7

（a）所示，为了从风力发电机的负荷转换成实用的电力，产生的电力供给电池充电整流器，这种控制策略保持了恒定的直流电压的直流环节，风力发电机整流电流如图7（b）所示，电池电流提供的电流如图7;

（c）显示，充电和直流放电电容器如图7;

（d）在模拟系统上放电深度是不考虑的。

5.3 风力发电机的性能

感应发电机和汽轮机是通过直流环节来进行电力转移的，风力涡轮机是在5m/s风速时操作产生的，电流和电压分别显示在图8的（a）和（b）中。

比例积分控制器应用于控制系统，并且它的响应速度时极快的，它纠正了测量变量和期望设定值之间的误差，Kp是确定反应的电流误差，Ki是确定反应的最近的误差之和，PI控制器用来增加超调量的变化，沉降时间消除了系统的稳态误差，模拟的传递函数为：

（23）

控制器的性能如图9所示，这是用于稳定在分布式电网的电压，电源电流保持与电源电压同步，这表明了常见的耦合观点上的功率因数，它满足了电能质量规范，同相电流源和电压源的结果如图10所示。

图8.风力发电机产生的电流和电压，（a）三相电压（b）三相电流

图9.控制参数

操作前后的电流波形可以分析电能质量测量，傅里叶表示的波形分析是无需系统控制器，电源电流信号的总的谐波失真（THD）如图11（a）所示，测量的THD和它的谐波顺序如图11（b）表示。

当控制器是在开启状态时，在常见耦合下可以观察电能质量改进，在操作中逆变器的放置和电源电流的波形如图12（a），快速的傅里叶变换如图12（b）所示。结果表明THD在标准范围内已经得到了大大的提高，无逆变控制器和国际电工学标准的比较如表2所示。

图10.PCC的电流源和电压源

图11.电流波形及其无控制器的FFT（a）源电流和电流源的FFT

图12.电流波形及其控制器的FFT（a）源电流和电流源的FFT

表2.控制器参数

F 3 5 7 9 11 THD

电流源谐波

阶

无控制器64.9 0.1 22 10 0.1 8 22.9

控制器44.2 0.2 0.6 0.2 0.1 0.35 1.29

国际电工学标准 3

在电力系统中的加强风力能源储存方案不仅能改善电能质量还支持实际的无功功率负载。

6.结论

本文提出了风能提取方案与接口的电池储能系统的有功和无功功率的交换电流控制模式去支持负载功率，滞环电流控制器是用来产生逆变器的开关信号的这样一种方式，它将注入电流分布系统。该方案保持的单位功率因数和谐波源电流是在分布式网络共同连接的，风力发电的交换是在直流母线的能量储存和提供的稳定状态下调节的，这也使得在负载的瞬时需求中得到实际的潮流，这些建议是控制系统适用于快速注射或者吸收无功/实际电力系统的功率流，电池能量储存系统提供了快速的响应，提高了风电波动输出下的性能，并且也提高了电压稳定性，该方案提供了一个选择，在可利用的风能中选择最经济的实际负载功率，电池、传统的资源和系统支持去加强电力系统电能质量的规范。