潘曉悅

（上海市電力公司奉賢供電公司，上海 201400）

0 引言

風(fēng)能是一種自然資源，風(fēng)電功率取決于風(fēng)速，具有不可控和不可預(yù)期性，因此風(fēng)電并網(wǎng)功率波動很大，會對電網(wǎng)安全運行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟性帶來影響。蓄電池儲能系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中保持電力平衡和電能質(zhì)量的關(guān)鍵系統(tǒng)。在一個典型、獨立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)用蓄電池的充放電特性，在風(fēng)速變化以及負荷瞬變時進行功率平衡的調(diào)節(jié)，可以使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常供電。

為了驗證風(fēng)電場的直流側(cè)蓄電池儲能系統(tǒng)在這個典型、獨立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，在瞬態(tài)負載和可變風(fēng)速條件下滿足系統(tǒng)電能的平衡要求，采用MATLAB／Simulink對固定負載，變化風(fēng)速工況；固定風(fēng)速，負荷瞬變工況；風(fēng)速和負荷同時變化工況；通過建模進行了仿真試驗和分析。

1 建模參數(shù)

1.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)輪采用3葉片，選用玻璃鋼纖維，層流翼型，升阻比高，性能優(yōu)良。發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機（PMSG），通過軸系直接耦合在輪轂上，由葉輪直接驅(qū)動發(fā)電，不需要齒輪箱等中間傳動部件。永磁同步發(fā)電機經(jīng)背靠背式全功率變頻器系統(tǒng)與電網(wǎng)相連，通過變頻控制系統(tǒng)來實現(xiàn)風(fēng)電機組的變速運行。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機功率為1.5MW；空載反電動勢為894.45V；齒部磁密度為1.744T；電壓為690.23V；電流為1.26kA；鐵心損耗為8.075kW；電樞銅損為74.215W；效率為94.24%；短路電流為2.17kA。

1.2 蓄電池儲能系統(tǒng)

蓄電池采用全釩氧化還原液流電池，電池安放兩艙。在每個艙室內(nèi)有離子膜硫酸釩酸電解質(zhì)，由兩個獨立的電解質(zhì)槽的艙室泵將電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流。這個反應(yīng)過程可以逆反進行，對電池進行充電、放電和再充電。蓄電池儲能系統(tǒng)的儲能容量為1 100kWh；持續(xù)4h的輸電功率為200kW；峰時10s的最大輸出功率為400kW、5min為300kW。

2 MATLAB仿真分析

使用MATLAB／Simulink軟件進行仿真和模擬的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖，如圖1所示。在構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)模型框圖的基礎(chǔ)上，設(shè)計詳細的每個模塊仿真圖［1，2］。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建?？驁D

為了驗證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中直流側(cè)儲能系統(tǒng)的作用，根據(jù)定量分析的原理進行了3種工況的仿真試驗［3，4］。

2.1 固定負載，變化風(fēng)速的仿真

設(shè)負荷為1.1MW，保持不變；風(fēng)速為12m／s，t為0s，并考慮了穩(wěn)態(tài)條件。仿真開始后2s，風(fēng)速從12m／s下降至7m／s，t為4s，保持2s，風(fēng)速從7m／s上升至12m／s，保持2s，仿真結(jié)束時t為10s。固定負載，變化風(fēng)速的仿真波形，如圖2所示。

從圖2可以看出，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率，隨著風(fēng)速的變化而變化。發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流的波形（電壓和電流圖放大顯示為0.05s一個周期的波形），可以看出發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流還算平穩(wěn)。

在負荷不變的情況下，流經(jīng)電池的電流，隨風(fēng)速變化而變化。與預(yù)計的一樣，當發(fā)電機風(fēng)速降低而輸出功率降低時，由于負荷側(cè)的負載不變，此時需要蓄電池向負荷側(cè)供電。

從固定負載，變化風(fēng)速時仿真波形圖可以清晰地看到，蓄電池從原來的充電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)（電流由正變負）。當風(fēng)速回復(fù)到原來的狀態(tài)，蓄電池又恢復(fù)到充電狀態(tài)。

電池容量從原來的容量不斷增加，到后來容量減少，再到容量增加，都是隨著流經(jīng)電池電流的變化而變化。

圖2 固定負載，變化風(fēng)速時的仿真波形

為了直觀地看出固定負載，變化風(fēng)速時發(fā)電機輸出功率、負荷側(cè)功率和電池的功率變化情況，將3條曲線整合到一張圖中，如圖3所示。

圖3 固定負載，變化風(fēng)速時的功率曲線圖

從圖3可以看到，電池的功率加上負荷側(cè)功率等于發(fā)電機輸出功率，說明仿真成功。

2.2 固定風(fēng)速，負載瞬變的仿真

設(shè)風(fēng)速恒定為12m／s，并考慮了穩(wěn)態(tài)條件。仿真開始時t為0s，負荷為1.2MW，1s后負荷從1.2MW下降至0.8MW，保持2s，負荷很快從0.8MW上升至1.2MW，保持2s，負荷從1.2 MW上升至1.6MW，保持2s，仿真結(jié)束時t為10s。固定風(fēng)速，負載瞬變的仿真波形，如圖4所示。

圖4 固定風(fēng)速，負載瞬變時的仿真波形

從圖4可以看到，由于風(fēng)速恒定為12m／s，所以發(fā)電機轉(zhuǎn)速非常穩(wěn)定，保持在20r／min。由于發(fā)電機輸出功率穩(wěn)定，保持在1.25MW。從發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流的仿真波形（電壓和電流圖放大顯示為0.08s一個周期的波形）可以看出，輸出電壓和輸出電流都比較平穩(wěn)。隨著負荷側(cè)電流的變化，流經(jīng)電池的電流也隨之變化。當發(fā)電機風(fēng)速不變，負荷側(cè)按照設(shè)定的參數(shù)變化時，蓄電池向負荷側(cè)供電。當負荷側(cè)電流大于設(shè)定值時蓄電池充電，當負荷側(cè)電流小于設(shè)定值時蓄電池轉(zhuǎn)為放電狀態(tài)，電池容量的有序變化也說明了這一點。

為了直觀地看出固定風(fēng)速，負載瞬間變化時發(fā)電機輸出功率、負荷側(cè)功率和電池的功率變化情況，將3條曲線整合到一張圖中，如圖5所示。

圖5 固定風(fēng)速，負載瞬變時的功率曲線圖

從圖5可以看到，電池的功率加上負荷側(cè)功率等于發(fā)電機輸出功率，說明仿真成功。

2.3 風(fēng)速和負荷同時變化的仿真

設(shè)風(fēng)速為12m／s，t為0s，并考慮了穩(wěn)態(tài)條件。仿真開始后2s，風(fēng)速從12m／s下降至7m／s，t為4s，保持2s后風(fēng)速從7m／s上升至12m／s，保持2s，仿真結(jié)束時t為10s，風(fēng)速變化的仿真曲線圖，如圖6所示。

圖6 風(fēng)速變化圖

設(shè)初始負荷為1.2MW，仿真開始時t為0s，1s后負荷從1.2MW下降至0.8MW，保持2s，負荷從0.8MW上升至1.2MW，保持2s，負荷從1.2MW上升至1.6MW，保持2s，仿真結(jié)束時t為10s，負載瞬間變化的仿真曲線圖，如圖7所示。

圖7 負荷瞬間變化圖

風(fēng)速和負荷同時變化的仿真波形，如圖8所示。

圖8 風(fēng)速和負荷同時變化的仿真波形

從圖8可以看到，隨著風(fēng)速的變化，發(fā)電機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機輸出功率隨之變化。發(fā)電機的輸出電壓和輸出電流的仿真波形（輸出電壓和輸出電流圖放大顯示為0.08s一個周期的波形），可以看出輸出電壓和輸出電流都比較平穩(wěn)，同時也顯示了與設(shè)定值有關(guān)的負荷側(cè)電流變化仿真波形。隨著發(fā)電機風(fēng)速和負荷側(cè)電流的變化，流經(jīng)電池的電流，也隨之變化并向負荷側(cè)供電，電池容量有序變化。

為了直觀地看出風(fēng)速和負荷同時變化時發(fā)電機輸出功率、負荷側(cè)功率和電池充放電功率變化情況，將3條曲線整合到一張圖中，如圖9所示。

這次仿真是在風(fēng)速和負荷同時變化的情況下，要求蓄電池正常充放電，在發(fā)電機輸出功率不足時放電，功率過剩時充電。從圖9可以清楚地看到，電池的功率加上負荷側(cè)功率等于發(fā)電機輸出功率，說明仿真成功。

圖9 風(fēng)速和負荷同時變化時的功率曲線

3 結(jié)語

1）仿真結(jié)果表明，在不同的控制策略下，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池儲能系統(tǒng)，能夠很好地發(fā)揮平衡功率的作用，不僅可以在系統(tǒng)出現(xiàn)功率過剩時有效儲存由風(fēng)力發(fā)電機提供的電能，而且能夠在風(fēng)速擾動下快速平滑風(fēng)電場的功率輸出，降低風(fēng)電波動對電網(wǎng)的沖擊，并在風(fēng)速過低導(dǎo)致風(fēng)電發(fā)電不足時，作為補充電源向重要負荷提供電能，以平衡整個系統(tǒng)。

2）通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率隨機波動的仿真試驗，提出了一種使用蓄電池的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流側(cè)能源存儲設(shè)備的獨立風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，并對穩(wěn)定輸出電壓及功率進行了分析。采用一個雙向的充電／放電控制器，使得蓄電池能夠保持負載電壓，同時也能限制流向蓄電池的電流過高。仿真結(jié)果表明，在瞬態(tài)負載和可變風(fēng)速條件下的系統(tǒng)電能能夠滿足平衡。蓄電池的應(yīng)用從技術(shù)上來說是可行的，而且蓄電池很適合作為儲能手段應(yīng)用于可再生能源。

為了最大限度地利用風(fēng)能發(fā)電，采用直流儲能是個好方法。相信在不久的將來，儲能會更加方便快捷，存儲容量也會更大，儲能新設(shè)備的誕生，可以更好地應(yīng)用于電能削峰填谷，維護電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，發(fā)揮更大的作用。

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