BESS在并网风电场中的稳定性研究

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摘要：基于感应发电机的风电系统需要对其有功功率和无功功率的双重控制，静止无功补偿器可以对无功功率进行补偿，维持风电接入点电压的稳定，但输出的有功功率无法调节。针对上述问题，相关研究提出了不同的储能系统，目的在于控制风力发电输出的有功功率。本文根据不同储能系统的相关特性与优缺点，提出了bess（Battery Energy Storage system）在风电场中的控制策略，该方法具有快速的功率吞吐能力和灵活的四象限调节能力，能有效地跟踪电气量的波动，提高系统稳定性。因此，将BESS与风力发电单元相结合，有利于减少风电场的输出波动对电网的影响。最后，本文给出了相关仿真结果对该控制策略进行验证。

关键词：风电系统 BESS 无功功率 有功功率 电压稳定

引言

蓄电池储能系统（BESS）主要是通过正负极的氧化还原反应，将正极、负极活性物质的化学能转化为电能。目前应用于电力系统的蓄电池储能技术主要有镍镉蓄电池、铅酸蓄电池、液流电池以及钠硫电池等。

铅酸蓄电池价格便宜，生产成本低，且技术成熟，可靠性高。因此，铅酸蓄电池已广泛应用于电力系统的各个领域。早在上个世纪80年代，美国加州CHINO变电站就安装了10MW/40MW的基于铅酸电池的储能电站。然而铅酸电池也存在许多缺点：污染环境、能量密度低、充电速度慢、使用寿命短等。目前铅酸蓄电池在电力系统应用的研究主要目的是电力调峰、提高供电质量提和高系统运行稳定性。

镍镉（NiCd）蓄电池虽与铅酸蓄电池一样，对环境也存在较大的污染，但镍镉电池充电池效率高，放电时端电压较稳定，内阻较小，且对充电环境要求不高，因此镍镉蓄电池也被广泛应用。美国阿拉斯加的Golden Valley 安装有最大可提高40MW功率的镍镉蓄电池储能系统。镍镉蓄电池的缺点在于记忆效应及镉的重金属污染。

锂离子电池具有非常好的性能，但其昂贵的成本限制了在其电力系统的应用。钠硫电池（Sodium-sulfur batteries， NaS）储能是目前一种新型热门的电池储能方式，储能密度相当高，可经过串并联后组成较大的模组，但需要在高温条件下工作而受到限制。随着生产技术的成熟，预计钠硫电池的成本将大幅度降低。

全汞、多硫化钠/溴，以及锌溴等液流电池被视为具有广泛发展前景的电力储能电池。液流电池具有正/负极电对点位差大，且其可逆性好，化学过程中的副反应小，溶解度高且稳定，能够100%放电，易于制备集成，环境友好，腐蚀性小等特点。因此，液流电池非常适合商业化规模的储电，包括与可再生能源配合、改善电能质量、改善供电可靠性等。

蓄电池储能系统已用于电网的各个方面，包括有功和无功功率控制、电能质量改善、以及电力系统稳定性提高等方面。在各种蓄电池技术中，铅酸蓄电池虽然不是性能最优异的电池，但其可靠性高、技术成熟、成本较低，成为储能系统的一个研究方向。

1、并联型储能系统的控制策略

采用静止无功补偿器可以对无功功率快速补偿，维持风电场接入点电压的稳定，但这种方式无法调节有功功率；采用蓄电池储能系统则可以控制风力发电输出的有功功率。储能系统不仅可以用于电力调峰，使得不可调度的风力发电单元能够作为可调机组单元运行，还具备向电力系统提供频率控制、快速功率相应等辅助服务的能力。因此储能系统不仅可以实现风电场的储能管理，还能改善风电并网引起的电能质量问题、提高系统运行稳定性和提高电能质量，进而提高风电穿透功率极限。

为了维持电网发生故障后，风力发电机组点电压的稳定，本文在传统变流的控制接触上，加入电压阈值的判断，为维持电压稳定，电压输入信号有d轴和q轴输入风量Vd、Vq所产生，具体控制框图如图1所示。

由上图可知，稳态情况下，有功和无功功率解耦控制的思路是：当电压信号高于阈值0.6p.u.时，由功率差 和电压差 分别通过控制器产生期望电流控制信号 和 ，采用前馈解耦控制策略得到调制度 和电压角度 。

3、仿真结果

采用Matlab/Simulink进行仿真，由图2和图3可以看到：没有BESS装置时，发生故障后端电压不能恢复到正常水平，感应电机的有功无法送出，造成电磁转矩和机械转矩的不平衡，从而转子转速不断提高，最终偏离平衡点；而对于装设有BESS装置的电网，当电网大扰动发生后电压可以很快的恢复到正常水平，发动机的转子经历了一个减幅振荡后进入新的稳定运行状态。

上述仿真系统模拟了并网风电系统中经常出现的联络线短路故障，研究了BESS对并网风电场运行稳定性的改善。对实例系统的仿真系统表明，采用该控制策略的BESS可以在网络故障后有效地提高风电场的稳定性。

4、结论

上文将电压阈值和解耦控制引入到蓄电池储能系统的控制中，BESS快速的功率吞吐能力和灵活地四象限调节能力平滑风电场的输出，减小风电输出功率的波动对电网的影响，提高了基于感应电机风电场的稳定性。

参考文献

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