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储能系统技术 储能系统 构网型GFM 调峰调频 ★ 5.0

一种基于超级电容器的风力发电机组改进型构网控制策略以优化一次频率调节能力

An Improved Grid-Forming Control Strategy of Wind Turbine Generators with the Supercapacitor for Optimizing Primary Frequency Regulation Ability

作者 Zeyu Zhang · Dan Sun · Chen Zhao · Heng Nian
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2024年8月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 构网型GFM 调峰调频
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 直驱式风电机组系统 超级电容储能系统 一次调频 电网形成控制策略 协调控制方法
语言:

中文摘要

为优化配备超级电容器储能系统(SC - ESS)的直驱式风力发电机组(WTG)系统的一次调频(PFR)能力,本文提出一种基于扩展直流母线能量的风力发电机组系统并网构网型(GFM)控制策略。该策略可灵活利用风电机组转子动能和直流母线电容中存储的能量,在网侧变流器(GSC)和超级电容器储能系统中维持电压稳定并为电网提供频率支撑,而机侧变流器(MSC)可作为能量源。为灵活利用超级电容器的功率输出能力,设计了一种基于增功率外环的超级电容器储能系统级联控制方案,以与网侧变流器协同进行统一的电压和功率控制。同时,设计了一种直流母线电压与功率的解耦机制,以减少二者之间的相互干扰。此外,提出了一种风力发电机组与超级电容器的协调一次调频控制方法,综合考虑设备安全、一次调频能力指标和一次调频成本之间的相互依存关系。该方法优化了风力发电机组和超级电容器储能系统在不同频率阶段参与一次调频的深度,可确保上述问题得到妥善处理。在标准的IEEE四机两区系统上进行的案例研究验证了所提控制策略的优越性。

English Abstract

To optimize the primary frequency regulation (PFR) ability of the Type-IV wind turbine generator (WTG) system equipped with a supercapacitor energy storage system (SC-ESS), this paper proposes an expanded DC-link energy-based grid-forming (GFM) control strategy of WTG system. This strategy utilizes the energy stored in the WT rotor kinetic and the DC-link capacitance flexibly to maintain voltage stability and provide frequency support to the power grid in the grid-side converter (GSC) and SC-ESS, while the machine-side converter (MSC) can serve as the energy source. To flexibly utilize the power output ability of SC, an increased-power outer loop-based cascade control scheme of SC-ESS is designed to coordinate with GSC for unified voltage and power control. Meanwhile, a decoupling mechanism between DC-link voltage and power is designed to reduce their mutual interference. Besides, a coordinated PFR control method of WTG and SC is presented to comprehensively consider the interdependency among equipment safety, PFR ability indexes, and PFR costs. This method optimizes the depth of WTG and SC-ESS participating in PFR under different frequency stages, which can ensure the above issues. Case studies on a standard IEEE four-machine two-area system verify the superiority of the proposed control strategy.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的基于超级电容储能的风电机组构网型控制策略具有显著的技术借鉴价值。尽管研究对象是风电系统,但其核心技术理念与阳光电源在光伏逆变器和储能系统领域的战略方向高度契合。

该技术的核心价值在于通过构网型(GFM)控制实现新能源设备的主动支撑能力。论文提出的扩展直流母线能量控制策略,能够灵活调用多种能量源(转子动能、直流电容、超级电容)参与一次调频,这与阳光电源正在推进的"光储一体化"解决方案形成技术共鸣。特别是其设计的功率-电压解耦机制和分级协调控制方法,可直接应用于阳光电源的储能变流器(PCS)产品开发,提升系统在电网频率波动时的快速响应能力。

从应用前景看,随着国内外电网对新能源并网标准的不断提高,构网型技术已成为行业必然趋势。阳光电源可将该论文的超级电容协调控制思路拓展至混合储能系统(超级电容+锂电池),优化不同储能介质的功率分配策略,在保证设备安全的前提下最大化调频性能,这对提升产品竞争力具有战略意义。

技术挑战主要集中在三个方面:一是超级电容成本较高,需要精确的经济性评估模型;二是多能量源协调控制的实时性要求对控制器算力提出更高要求;三是需要大量实际电网场景的验证数据。建议阳光电源可结合自身在光伏领域的技术积累,开展"光伏+混合储能"的构网型控制联合研发,抢占技术制高点,同时推动相关标准制定,巩固行业领导地位。