儲能型直驅風電系統低電壓穿越能力研究

趙 輝，馬玲玲，岳有軍

(1. 天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384;2. 天津農學院，天津 300384)

前言

隨著風力發電規模和風電機組單機容量的不斷增大，風電系統對電網的影響變得越來越重要。目前，新的電網規則均要求風電機組具有一定的低電壓穿越能力，即在一定程度的電網故障下，風電機組能夠繼續并網運行，故障切除后發電機組能夠迅速恢復正常，以提供無功功率支撐穩定電網。相對于雙饋風力發電系統，采用風輪機直接驅動的永磁直驅風力發電系統省去了傳動齒輪箱，系統中無電刷和滑環，其運行可靠性和發電效率得以提高[1，2]。關于研究永磁同步風電系統低電壓穿越的文獻較少，已有文獻中，文獻[3，4]說明通過控制網側變換器，可以在一定程度上提高低電壓穿越能力，但是提高的水平有限。文獻[5]分析了在直流母線上并聯卸荷電阻的方案，但沒有考慮卸荷電阻的散熱問題，且這種方案將功率損耗在卸荷電阻上，效率較低。文獻[6-8]研究了在直流母線上并列儲能系統的方案，并比較了各儲能元件在低電壓穿越應用的特點，但沒有分析具體的儲能方式、對應的能量儲存以及回饋的控制策略。

性能優良的儲能電池與大規模風力發電配套使用，是改善電力系統運行性能的重要手段。多硫化鈉-溴儲能電池（PSB）是一種新型電池，兩種液體電解質分別貯存在兩個貯罐內，電池容量可大可小，具有能量轉化率高，使用壽命長，可大批量生產等優點。適合大規模電力儲能，是一種潛力巨大的新型環保優秀儲能電池[9]。

本文研究了雙向Buck-boost DC/DC變換器的控制策略，構建了在直流側增加多硫化鈉-溴電池儲能裝置的直驅永磁風力發電系統，分析了儲能系統對平衡直流母線兩側功率，平抑電機輸出功率波動以及當電壓跌落和恢復時提高機組低電壓穿越能力的動態響應過程和運行特性，仿真實驗驗證了系統模型和控制策略的正確性和可行性。

1 儲能型直驅永磁風電系統原理

具有儲能環節的直驅永磁風力發電系統主要由風力機、PMSG、雙PWM變換器、雙向DC/DC變換器、儲能裝置和全橋逆變器等構成，如圖1所示。發電機首先將風能轉化為頻率和幅值變化的交流電，通過整流后變為直流，然后再經過三相逆變器變換為三相電壓和頻率恒定的交流電傳送至電網。在直流側增加儲能裝置用以對電能進行儲存或釋放，平衡電網所需功率，抑制功率波動；當電網發生故障時，儲能裝置可以用來儲存直流側積累的多余能量，當電網故障切除時，儲能裝置可以釋放能量，向電網回饋功率以支撐電網電壓，提高風電機組的低電壓穿越能力。

2 控制策略

2.1 發電機側變換器控制策略

以發電機轉子磁通為參考坐標系的永磁同步電機電壓方程如下：

式中：usd、usq和isd、isq分別為發電機定子輸出電壓、電流的d軸和q軸分量；Ls和Rs分別為定子電感和電阻；ω為發電機轉速；ψ為永磁磁通。發電機的電磁轉矩方程為

式中：Pn為發電機的極對數。由式（2）可以看出，發電機電磁轉矩可以通過定子電流的q軸分量進行控制。

圖2為發電機側變流器的控制原理圖，可以實現電磁轉矩和無功功率的解耦控制。內環為轉子電流控制環，由ird和irq兩個控制通道組成，均采用帶積分和輸出限幅的PI型電流調節器，電流誤差經調節后輸出電壓控制量，再疊加上△urd、△urq前饋電壓補償量，即可得到同步旋轉坐標系中的轉子電壓控制量，經SVPWM 調制后產生實際所需的勵磁電壓及電流。外環為轉速控制環，根據當前風速計算出對應于風力機最佳葉尖速比的轉速值作為轉速環的給定值，和發電機轉速反饋值比較后的差值送入帶積分和輸出限幅的PI型控制器，輸出有功電流的給定i*rq，從減少轉子勵磁電源雙 PWM 變流器損耗的角度考慮，將有功電流給定設為0。無功電流給定i*rd可根據電網對風力發電系統的無功功率要求計算得出。

圖1 直流側加儲能裝置的直驅永磁風電系統

2.2 網側變換器控制策略

在兩相同步旋轉d、q坐標系中，使d軸定向于電網電壓矢量，則網側變換器的模型可表示為式（3）。

式中：id、iq分別為網側變換器輸出電流的d、q軸分量；Sd、Sq分別為開關函數Sk(k＝a，b，c)變換到d、q坐標系中d、q軸相應的開關函數；Udc為直流側電壓；L和R分別為輸出交流感抗的電感和電阻分量；C為直流側電容；iL為直流側電流。

圖3為網側變換器的控制原理框圖，可以實現輸出有功和無功功率的解耦控制。通過直流側電壓控制器確定d軸參考電流，控制變換器輸出的有功功率；通過調節無功功率設定值，調節輸出功率因數，可向電網傳送或吸收一定的無功功率。

圖2 電機側變換器控制框圖

圖3 網側變換器控制框圖

2.3 雙向Buck-boost變換器和儲能環節控制策略

雙向變換器結構簡單、開關器件數量少、損耗小。電池側采用LCL濾波，能有效地減小電池端的紋波電壓和紋波電流，其工作模式由功率不平衡狀況決定。永磁同步發電機輸出的有功功率Ps經發電機側變換器后饋入中間直流環節，在忽略變換器損耗情況下，發電機側變換器輸出的功率與發電機輸出功率相等，即

式中：usd、usq、isd、isq分別為d、q同步旋轉坐標系下發電機定子電壓、電流的d、q軸分量；udc為直流母線電壓；is為發電機側變換器輸出直流母線電流。ig為網側變換器輸入直流母線的電流，網側變換器從直流側輸入的功率為

圖4 雙向Buck-boost變換器控制框圖

當變換器功率保持平衡時，即Ps＝Pg時，雙向變換器處在待工作狀態；當Pg＞Ps時，S1被觸發，變換器以Buck模式工作，電池充電；Pg＜Ps時，S2被觸發，變換器以Boost模式工作，且KM閉合，電池放電。圖4為本文提出的雙向DC/DC變換器控制器原理圖。圖中，fs為載波頻率；△P為直流側輸入輸出有功功率偏差，以此偏差作為主要判斷條件，記△P＝Ps－Pg，則△P大于零時，脈沖信號觸發S1，電池進行充電；△P小于零時，脈沖信號觸發S2且KM閉合，電池放電；△P等于零時且Udc在允許范圍之內波動時，不輸出脈沖信號，儲能電池不投入工作。通過PI調節器確定功率器件的導通占空比；采集直流側電壓作為輔助判斷條件，當根據功率偏差對儲能裝置充放電控制不夠快時，或者直流側電壓上升幅度較大，由直流側電壓作為輔助條件對儲能裝置進行控制。

3 仿真分析

使用 MATLAB/SIMULINK構建了直流側加多硫化鈉-溴電池的直驅永磁風電系統的仿真模型，為簡化仿真模型，風速設為恒定值，且在此風速下發電機輸出功率為1.5 MW。系統仿真參數如下：

永磁同步發電機：定子電阻 0.017Ω，定子電感3mH，極對數32；電網側：電網線電壓690V，濾波電感 3.7mH；直流側：電容 6800μF，直流側電壓設定1100V，雙向 DC/DC變換器控制系統載波頻率fs為2140 Hz，電感0.6mH，濾波電容900μF。電網電壓跌落55%，從0.15 s跌落開始，到0.2 s跌落結束，跌落持續時間為0.05 s，仿真波形如圖5、圖6所示，包括電機定子電流、輸出有功功率、無功功率以及直流側電壓的仿真波形。

當電網電壓跌落時，電機側變流器不采取措施，正常運行。電網側變流器由于采取限流措施，導致輸出功率受到限制，將會造成直流側功率不平衡，電容兩側輸入功率大于輸出功率，會導致直流側電壓上升[10]。圖5在沒采用儲能裝置調節情況下，致使直流母線電壓升高至 1450V，遠超出限定值，必對變換器和逆變器造成一定損壞。有功功率由于電網電壓的跌落，迅速跌落至 0.2p.u.左右，隨著電流增大，0.2s時迅速激增至1.3p.u.左右。圖6在儲能裝置的有效調節下，直流側多余的能量被電池吸收儲存，直流母線電壓上升值很小，基本穩定在1100V左右，保證了變換器及風電機組平穩運行。有功功率僅跌落至 0.65p.u.左右,經過短時的振蕩后，恢復至額定值，由于直流側溴電池能夠快速進行充放電，較好地平抑發電機輸出功率波動。

當電網電壓恢復時，直流側電壓不足，儲能設備中存貯的能量釋放出來，為電容充電，經電壓型全橋逆變器快速向電網提供無功功率支持，穩定電網電壓，所以定子電流較不采用儲能裝置情況下波動大幅減小，由于電磁轉矩主要由定子電流調控，從而避免了電磁轉矩大幅震蕩的現象。儲能裝置吸收的功率及時補償電網側所需功率，此時無功功率Q基本上為0。

4 小結

利用溴電池巨大的儲能優點，結合直驅永磁同步風力發電特點，建立了儲能型直驅風力發電控制系統。在電網電壓跌落時，儲能環節能平衡電網需求功率；對發電機輸出功率波動實現平抑；在電網電壓跌落及恢復時，基于網側變換器輸入電網無功功率有限，儲能裝置將所儲能量由電壓型全橋逆變電路直接回饋給電網以支撐電網電壓，從而直驅風電系統仍保持并網幫助機組恢復至正常運行狀態，使風電機組和機側變換器不受電壓跌落影響，有效地提高了低電壓穿越能力。儲能型直驅風力發電控制系統改善了直驅風力發電系統并網運行的電能質量和穩定性，且動態響應快。

圖5 未采用儲能裝置仿真波形

圖6 采用儲能裝置仿真波形

[1]遲永寧, 王偉勝, 劉燕華, 等. 大型風電場對電力系統暫態穩定性的影響[J]. 電力系統自動化.2006, 30(5): 10-14.

[2]李建林, 高志剛, 胡書舉, 等. 并聯背靠背 PWM變流器在直驅型風力發電系統的應用[J]. 電力系統自動化, 2008, 32(5): 59-62.

[3]Mullane A，Lightbody G，Yacamini R. Wind turbine fault ride-through enhancement[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2005 20(4): 1929-1937.

[4]Morren J, Pierik J T G, de Haan S W H. Voltage dip ride-through control of direct-drive wind turbines[C]. //Proceedings of the 39the International University Power Engineering Conference(UPEC).Bristol(UK): 2004.

[5]胡書舉, 李建林, 許洪華. 永磁直驅風電系統低電壓運行特性的分析[J]. 電力系統自動化, 2007,31(17): 73-76.

[6]HALPIN S M，SPYKER R L，NELMS R M.Application of double-layer capacitor technology to static condensers for distribution system voltage control[J]. IEEE Transactions on Power Systems,1996, 11(4): 1899-1903.

[7]GOMEZ Jose L D, ENJETI Prasad N. An approach to achieve ride through of an adjustable speed drive with fly back converter modules powered by super capacitors[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2002, 38(2): 514-522.

[8]TSAI J I. Design of a short time compensation capacitor for turbine blade vibration suppression[J].Electric Power Systems Research, 2007(77):1619-1626.

[9]葛善海, 衣寶廉, 張華民. 多硫化鈉溴儲能電池高效電極的研究[J]. 電源技術, 2003, 27(5):446-450.

[10]李建林, 胡書舉, 許洪華, 等. 全功率變流器永磁直驅風電系統低電壓穿越特性研究[J]. 電力系統自動化, 2008, 19(32): 92-95.

[11]張仕彬, 林仲帆, 杜貴平, 等基于雙向變流技術的蓄電池充放電裝置[J]. 電力電子技術, 2008,42(5): 77-79.

[12]Ekaitz Zulueta, Teodoro Rico. Hybrid modelling of open loop DC-DC converters[J]. Kevista Facultad de Ingenieria, U.T.A, 2003, 11: 41-47.

[13]FATU M, LASCU C, ANDREESCU G D, et al.Voltage sags ride-through of motion sensorless controlled PMSG for wind turbines// Proceedings of 42nd IAS Annual Meeting: Industry Applications Conference, September 23-27, 2007, New Orleans,LA, USA: 171-178.

[14]Nicholas P W S, Dragon Jovcic. Dynamic modeling, simulationand analysis of an offshore variable-speed directly-driven per-manent-magnet wind energy conversion and storage system(WECSS)[C]. OCEANS 2007-Europe. Aberdeen,cotland: IEEE Oceanic Engineering Society,2007:1-6.

[15]MITTAL R, ANDHU K S, AIN D K. Low voltage ride through of gridinterfaced wind driven PMSG[J].ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 2009, 4 (5) :73-80 .