風/柴/儲能風力發電系統儲能裝置控制與仿真

姚鑫,栗文義，趙振興，趙鵬

（1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010080;2.神華神東電力有限公司，內蒙古準格爾旗017100）

風/柴/儲能孤立風力發電系統比并網風力發電系統更容易受到風速變化的影響[1-4]。當風速低于額定風速時會造成風機出力不足；當風速高于切出風速時，會導致風力發電機緊急停機；風速變化時會導致風機輸出功率的波動，這些因素都會影響風力發電系統供電穩定性[5-7]。

在風速波動導致風力發電機組無法向負荷輸出穩定功率時，安裝儲能裝置是確保向用戶輸送穩定電能的有效手段之一[8-10]。對于小型孤立風力發電系統，一般采用蓄電池作為儲能裝置。

目前，對蓄電池控制器的研究主要集中在蓄電池充放電方式的方案選擇、與交流系統進行能量交換的逆變器及其控制策略等方面[11-14]。逆變器的實現方案有低頻環節逆變技術和高頻環節逆變技術，其控制方法主要基于正弦波脈寬調制技術或空間矢量脈寬調制技術，實現蓄電池向交流系統提供穩定合格的電能[15-18]。

上述研究方法主要是將蓄電池同交流系統直接連接，缺點是控制方法較為復雜，在交直交風電系統中，則缺乏對直流母線的充分利用[19-23]。本文設計了適用于連接在直流母線上的蓄電池控制器模型，該控制器能夠控制蓄電池與系統直流母線進行能量交換。

1 系統結構

目前已經投入使用的孤立風力發電系統發電機多采用小型永磁同步發電機或小型異步發電機。本文采用永磁同步發電機（Permanent Magnet Synchr-onousGenerators，簡稱PMSG），它發出的電能經過整流-逆變環節，輸送給用戶使用。柴油發電機作為備用發電機組[24-27]。系統結構如圖1所示。

圖1 小型孤立風力發電系統結構

圖1 中VB表示儲能裝置，連接于系統直流母線上。這種交直交系統的優點在于風力發電機組與儲能裝置共用一套整流-逆變裝置，節約成本，負荷不受發電機頻率變化的影響[28]。儲能裝置在風能充足時吸收電能，在風能不足時向系統放電以維持直流母線電壓的穩定，從而通過逆變器向用戶提供合格的交流電能。

儲能裝置與系統的功率交換情況如下[29]：

設發電機輸出功率為Pg，在充電時，儲能裝置吸收的電能為Pb，輸送給負荷的電能為Pd。忽略系統損耗，功率交換表達式為

從式（1）可以看出，當用戶負荷容量固定時，儲能裝置吸收能量Pb隨發電機輸出功率Pg變化而變化。當Pb為正時，儲能裝置從系統吸收電能，此時為充電狀態。當Pb為負時，儲能裝置向系統釋放電能，以補充由于風力不足所造成的風力發電機組的出力不足。

2 儲能裝置充電與放電的數學模型

將儲能裝置分為充電和放電2個狀態進行分析，以便更容易了解控制器的設計思路。由于儲能裝置的工作電壓低于整流器輸出的直流電壓，所以必須使用Buck-boost電路，即通過斬波器實現調壓[30]。

2.1 充電狀態模型

當風力充足時，儲能裝置運行于降壓斬波（Buck）模式，從系統吸收電能進行儲能[31]。儲能裝置充電狀態見圖2。

圖2 儲能裝置充電狀態

在圖2Buck-boost電路中，Ta1和Ta2為上下兩個橋臂。當系統運行于降壓斬波模式時，上橋臂Ta1運行，下橋臂Ta2截止，C為系統消除諧波的電容，其端電壓為直流側母線電壓Vdc。在放電時，儲能裝置由電容C、上橋臂Ta1、電感La和VB形成通路。蓄電池端電壓為VB。當直流側電壓高于儲能裝置端電壓VB時，電感La吸收直流側電容能量，并向蓄電池放電。當Ta1關斷的時候，La保存的能量可以繼續向蓄電池放電，進行續流。

斬波器輸出電壓的平均值與直流電壓的關系為

式（2）中，da為Ta1的占空比，值為ton/TS，ton為開關導通時間，TS為Ta1的切換周期。

電壓和電流的關系為

式（3）中，ra為電感La的內電阻；ia為儲能裝置的充電電流。由于上橋臂Ta1的狀態是斷續的，故電感La的電流ia是變化的。為了便于計算，在Ta1的一個關斷周期內，采用平均值的方法得到電感的平均電流值，故式（4）可以改寫成

在高頻切換時，Ta1的實際電流與參考電流之間的偏差較小，在每一個導通周期內，實際電流能夠跟隨參考電流的幅值而變化，通過設定合適的參考電流，就可實現對儲能裝置充電模式的控制。

2.2 放電狀態模型

當風資源不足導致風機出力減少或停機時，儲能裝置必須放電，向用戶穩定供電。儲能裝置放電狀態見圖3。

圖3 儲能裝置放電狀態

圖3 中，儲能裝置處于升壓斬波狀態，即Boost狀態，上橋臂Ta1截止，下橋臂Ta2運行。與充電狀態相比較，電感的電流方向相反，幅值為ia1。當Ta2導通時，電感與儲能裝置形成回路，電感暫時存儲蓄電池所釋放的電能，當Ta2關斷時，由Ta1的并聯二極管，將電感所存儲的能量輸送至直流電容C，直流側母線因為吸收蓄電池電能而升高，從而實現向系統補充電能的作用。

斬波器輸出電壓的平均值Va與直流電壓Vdc之間的關系為

放電狀況下的控制思路與充電方式相同，即控制式（11）中的參考電流值實現儲能裝置放電控制。

2.3 控制器設計方案

控制器原理如圖4所示。

圖4 充放電控制器原理

采用電壓外環、電流內環的控制思路[32]。外部電壓回路為定電壓控制，根據參考電壓的幅值，對檢測到的直流母線電壓Vdc進行調節，進而控制儲能裝置的充放電電流。控制系統對輸出的載波與三角波信號進行調制，產生脈沖觸發信號，從而調節斬波器電壓，實現充放電控制。具體的控制器仿真框圖如圖5所示。

圖5 控制器結構

本文設計的充放電控制系統主要針對蓄電池儲能，也適用于對超導磁儲能[33]和超級電容器儲能[34]，這兩種儲能方式在仿真中可以采用電感或電容器件作為儲能元件，對這些元件進行斬波調壓控制可以實現與系統的能量交換。此外，本控制電路對飛輪儲能、燃料電池儲、抽水蓄能、壓縮空氣儲能等方式不適用，因此只適用控制蓄電池、超導磁儲能和超級電容器儲能這類儲能設備。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型與參數

采用一臺額定功率6 kW永磁同步發電機作為風力發電機組，額定風速12 m/s，輸出電壓690 V，頻率可變。由于系統采用整流-逆變方式向用戶供電，故發電機頻率的變化不會對負荷產生影響。使用同等容量和電壓等級的柴油發電機組作為系統的備用機組，當風力發電機組出力不滿足負荷需求時，柴油機啟動運行。

根據上述儲能裝置充放電控制原理和數學模型建立孤立風/柴/儲能發電系統的仿真模型。為了簡化分析，系統采用不可控整流器。仿真中，直流負載的大小為500Ω，直流穩壓電容為0.001 F；整流器緩沖電阻為1×105Ω，緩沖電容為1×1012F，二極管內阻和內部電感分別為1×10-3Ω和0H，正向壓降為0V。可以根據改變儲能裝置中電容值的大小來模擬不同容量的蓄電池，大容量電容所存儲的電量需要滿足系統短時（小于1 min）供電需求，本仿真中儲能電容設定為1.5 F。仿真采用ode23 tb算法，離散仿真類型，采樣時間為1×10-4s，仿真時長為30 s。

3.2 無儲能設備仿真結果

對于孤立風/柴互補發電系統，在風力充足時使用風力發電機組向用戶提供電能，當風力不足時，啟動柴油發電機組發電。模擬這種切換過程的直流側母線電壓如圖6所示。

圖6 風/柴互補時系統運行狀況

在0.1 s時，風速達到切入風速，風力發電機組開始向負荷供電。直流側電壓穩定在0.926 kV左右，此時系統通過逆變器，向負荷提供穩定的交流電。在5 s時，由于風速持續下降，導致風機出力減少，此時備用機組投入。小型應急柴油發電機的啟動時間為15~60 s，這里設定為20 s。在第20 s時，柴油發電機組啟動成功，開始向用戶供電。

由于風力發電機組在剛投切時會產生過電壓，故直流母線電壓的峰值會接近于1.2 kV。在實際的系統中，需要采取發電機軟啟動等方法來消除這種過電壓。由圖6可知，在風機出力不足被切除到柴油發電機組投入使用期間，直流電壓跌落到0，顯然造成該孤立風電系統無法向負荷供電。因此，必須采取儲能設備，維持這一切換時間內直流電壓的穩定。

3.3 有儲能設備仿真結果

風能不足時儲能設備放電，仿真結果如圖7所示。風能充足時儲能裝置處于滿充狀態，儲存的電量完全滿足負荷短時需求。

圖7 儲能設備放電對直流電壓的影響

在5 s～25 s時，由于儲能設備放電，系統直流電壓維持穩定在0.926 kV，此時用戶不受風電機組切出的影響，保證了供電的穩定性。

當風速恢復到能夠使風電機組保持額定出力，或者使用柴油發電機組持續向負荷供電時，應同時向儲能設備充電，以保證在系統發生短時的電壓跌落時，維持電壓穩定。儲能裝置充電過程如圖8所示。

圖8 儲能設備充放電仿真結果

柴油發電機投行后，在26~29 s期間，儲能設備從系統吸收電能。在整個充電過程中，系統直流電壓略有下降，這是由于在充電時儲能設備相當于一個新增負荷的緣故。

在仿真中，需要考慮直流電壓控制與斬波器、逆變器之間的相互聯系以及蓄電池輸入和輸出特性對控制器的影響。此系統最重要的目標是實現逆變器輸出電壓波形完整，在直流電壓穩定時，采用空間矢量脈寬調制技術作為逆變器的控制電路，逆變器輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 逆變器輸出交流電壓

由于逆變器輸出含有高頻諧波等分量，因此三相交流電壓波形并不完全平滑，但對用戶正常用電不構成較大影響,在實際的系統中可以采取相應的濾波措施消除諧波。

在運行中，應當根據風電機組和柴油發電機組的容量合理選擇儲能設備的容量以節約蓄電池購置成本和縮短充電時間，降低因充電而對系統電壓造成的影響。

3.4 風機功率波動時的無儲能設備仿真結果

當風速波動時，直流電壓和逆變器輸出三相交流電壓的仿真結果如圖10和圖11所示。

仿真結果表明，在風速波動導致風機輸出功率波動時，如果不采取任何控制措施，則會導致直流側電壓波動和逆變器輸出電壓的波動，不能滿足供電要求。

圖10 風機輸出功率波動時直流側電壓

圖11 風機輸出功率波動時逆變器輸出交流電壓

3.5 風機功率波動時使用儲能設備仿真結果

采用蓄電池可以在風機功率輸出低于額定值時釋放電能，保持直流母線電壓穩定，在風機輸出功率高于額定值時，通過蓄電池充電或啟用卸載負荷吸收多余的電能，使直流母線的電壓升幅降低。仿真結果如圖12所示。

圖12 風速波動時的電壓和功率變化

在5~15 s時，風機輸出功率持續減小，此時蓄電池向直流母線釋放電能維持電壓和功率穩定。在15~20 s時，風機輸出功率出現劇烈變動，風機輸出功率由5.5 kW增加到15 kW。

針對這種情況可以快速啟用蓄電池吸或卸載負荷吸收風機發出的多余電能，無論采取何種方式，都相當于增加了系統負載，故導致直流母線電壓跌落到430 V，系統向用戶輸出的功率減小，在增加蓄電池進行充電后，系統輸出功率在極短的時間內出現大幅度波動，在15.6 s時電壓波動幅度顯著降低，電壓幅值開始上升。

在20 s時，直流電壓和輸出功率恢復到正常水平。在20~30 s時，風機切出，由蓄電池維持釋放電能，直流電壓和功率保持穩定。

仿真結果表明，該蓄電池控制器可以在一定范圍內控制蓄電池維持系統電壓和功率穩定。由于小型孤立風力發電系統中蓄電池容量有限，故遇到風機輸出功率因風速變化導致頻繁劇烈變動時，必須切除風機，避免保蓄電池因為頻繁充放電導致的使用壽命縮短。

4 結論

本文采用電壓外環和電流內環的思路設計控制器，該控制器可以有效控制連接在系統直流母線上的蓄電池等儲能裝置，實現儲能裝置穩定、快速補償孤立風/柴/儲能發電系統由于風力不足而引起的電壓跌落或電壓波動。仿真結果表明，所設計的儲能裝置控制器可以滿足功率為幾個到幾十個千瓦的小型孤立發電系統的需求。因此，基于對斬波器控制的儲能裝置在實際應用中具有實用性。

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