【储能技术】东北电力大学 韩舒淇 等：基于风电制氢与超级电容器混合储能的可控直驱永磁风电机组建模与控制

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精品文章推荐理由
专家意见：本文提出了一种集成风电、电解槽和电容器于直流母线的结构及其控制策略，可平抑风电机组波动的功率，降低了风电机组弃风比率，具有重要的意义。文章发表在《广东电力》2019年5期“储能技术专栏”。欢迎广大读者阅读。
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基于风电制氢与超级电容器混合储能的可控直驱永磁风电机组建模与控制
韩舒淇1，李文鑫2，陈冲3，梁立中3(1.东北电力大学 电气工程学院；
2.国网黑龙江省电力有限公司大庆供电公司；
3.大连恒流储能电站有限公司)


摘  要：针对风电机组出力波动导致电网调峰压力较大、弃风率较高现象，提出一种基于风电制氢与超级电容器混合储能的可控型直驱永磁风电机组的解决方案。建立了直驱永磁风电机组、制氢装置(电解槽、压缩机、储氢罐)及超级电容器的数学模型，并构建一种电解槽堆与超级电容器组耦合于直驱永磁风电机组中间直流母线的结构。提出可控型直驱永磁风电机组的上层控制策略，同时推导了直驱永磁风电机组单元与混合储能单元(电解槽、超级电容器)的控制方程。剖析可控型直驱永磁风电机组运行于各工况下的协调控制策略，并通过PSCAD/EMTDC仿真验证所建模型的准确性及上层控制策略的有效性。结果证明：利用风电制氢与超级电容器可使直驱永磁风电机组出力可控、友好入网，减缓电网的调峰压力，提高风能利用率。
基金项目：国家电网有限公司科技项目
作者简介：
      韩舒淇(1993)，女，吉林吉林人，在读硕士研究生，研究方向为电力系统稳定与控制、新能源并网。
      李文鑫(1991)，女，黑龙江黑河人，工程师，工学硕士，研究方向为电力系统稳定与控制、新能源并网。
      陈冲(1992)，男，辽宁锦州人，工程师，工学硕士，研究方向为电力系统稳定与控制、新能源及大规模储能，E-mail: 1510383504@qq.com。
      梁立中(1967)，男，吉林长春人，高级工程师，工学硕士，研究方向为电力系统稳定与控制、新能源及大规模储能。
引文信息
★ 韩舒淇，李文鑫，陈冲，等. 基于风电制氢与超级电容器混合储能的可控直驱永磁风电机组建模与控制[J]. 广东电力，2019，32(5）：1-12.
HAN Shuqi, LI Wenxin, CHEN Chong, et al. Modeling and Control of Controllable D-PMSG Based on Hybrid Energy Storage of  Wind Power Hydrogen Production and Supercapacitor[J]. Guangdong Electric Power，2019，32(5)：1-12.

研 究 背 景   
      近些年，我国风电发展迅猛，近十年风电并网容量已增长100倍，成为我国第三大主力电源，预计到2030年风电、光伏等新能源并网容量将超过水电，未来将逐步实现传统能源的全部替代。然而风电机组出力具有波动性及间歇性，给电网造成了很大的冲击，尤其在“三北”地区的冬季，供暖机组的大量运行导致电网调峰压力较大，风电功率的注入进一步加剧电网调峰压力，为了确保系统的稳定可靠运行不得不大量弃掉良好的风能资源，据不完全统计2017年全年弃风总量达419亿kWh，造成了清洁友好能源的极大浪费。氢气能量密度高、清洁且应用领域广泛，随着国家政策导向及相关专家的不懈专研，电解槽、超级电容器等储能设备技术日渐成熟，成本也不断降低；因此，可采用风电制氢有效解决上述问题。

存 在 问 题   
国内学者关于风氢耦合系统的研究主要集中在电解槽容量优化、经济分析、风电平抑及系统控制策略等方面。如文献[16]基于制氢设备的功率-效率特性，以煤风氢复合能源网经济性最优为目标，制订了系统的调度运行策略，通过仿真结果证明了该调度策略不仅可以促进风电的消纳，也可以保证系统运行的效益。文献[17]研究了各系统能量传递转换机理，基于分层控制原理，提出一种系统的能量管理策略，实现了风电的最大化消纳、煤化工系统的持续运行且制氢系统状态处于安全范围之内。关于风氢耦合系统的研究国外学者已取得一定进展，国内学者尚处于探索阶段。文献[18]将电解槽、燃料电池与超级电容器连接于含双馈型风电机组的风电场交流汇流母线上，制订的控制策略以超级电容器的荷电状态、电解槽与燃料电池额定功率为约束条件，实现风电场风电能源的消纳。文献[19]基于多目标控制算法，实现了制订设备容量的最优匹配。文献[20]建立了风电场弃风量统计模型，将电解槽、氢气、风电上网电价等数据导入模型中，并以经济收入最优为目标，确定了风电场制氢设备的匹配容量。文献[21]建立双馈风电机组、电解槽、燃料电池的数学模型，电解槽与燃料电池通过DC-DC与DC-AC变流器并联于交流母线，通过并网与孤网仿真结果验证了所建模型的准确性，并验证了制订控制策略可以实现风电消纳、离网时系统可持续运行。从上述文献可知，目前绝大多数研究方法通过在风电场配置集中式氢储能实现风电的消纳，但并不能确保风电机组的出力完全可控。
国外学者针对风氢耦合系统研究较多，并取得一定的科研成果。文献[22]提出风电机组-燃气轮机-制氢混合的控制策略，实现了以下3个目标：①负荷侧电压与频率的调节；②风能的最优利用；③调节柴油发电机运行在低负载条件。文献[23]基于粒子群算法实现了风电机组、光伏、电解槽及燃料电池容量的最优配比，在风、光有效消纳的同时确保了混合系统低成本运行。文献[24]采用风力机、光伏、电解槽、燃料电池、超级电容器集成于低压交流侧，制订的系统调度运行控制策略实现了混合系统各个设备的协调运行，且实时满足了系统负荷功率需求。文献[25]构建了一种风电机组、光伏、燃料电池及电解槽并联于直流母线的结构，基于粒子群算法实现各个设备容量的最优匹配，平抑风光波动的同时节约系统成本。文献[26]为平抑风电出力波动性，采用电解槽及燃料电池连接于风电机组低压交流母线，并提出一种控制策略解决了风电机组单独并网时的频率不稳及电能质量差的问题。从上述文献可知，大多数学者采用的方法是在风电机组交流侧加制氢系统，但并不能确保风电机组入网可控。

本文研究内容
  a)建立数学模型。本文将建立直驱永磁风电机组、制氢系统及超级电容的数学模型，并构建制氢系统与超级电容器耦合于直驱永磁风电机组中间直流母线的结构。
  b)制订控制策略。制订并解析可控型直驱永磁风电机组的上层控制策略，推导直驱永磁风电机组、制氢系统及超级电容器的设备层控制方程，研究可控型直驱永磁风电机组的各个运行工况。
  c)仿真验证。于PSCAD/EMTDC中搭建可控型直驱永磁风电机组整体模型，并通过仿真验证所建各个设备模型的准确性及控制策略的可行性，为下一步研究提供依据。








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