基于飛輪儲能裝置的風力發電系統輸出功率柔性控制*

歐陽慧珉, 張廣明， 顧 劍， 黃宇程

(南京工業大學 自動化與電氣工程學院,江蘇 南京 211816)

0 引 言

風能作為一種清潔高效的可再生能源，受到了世界范圍的青睞[1]。隨著總裝機容量的不斷增大，風力發電系統的輸出電能對并網系統的影響越來越突出。風力發電機輸出的功率存在大的波動，直接并網會威脅到電網的安全運行。因此，研究和解決風力發電系統并網問題具有實際意義。

目前，主要通過控制風力機的轉速[2]和控制槳距角[3-4]來實現風力發電系統輸出功率柔性控制。前者使風電場輸出的有功功率能很好地跟蹤所給定功率曲線，但該方法調節能力有限，當風力機輸出的最大有功功率不足以滿足要求時，就失去了作用。后者通過對槳距角的控制來改變風機的迎風面，盡可能地捕獲到相對平穩的風速，從而使風電場輸出波動相對較小的功率。該方法的缺點是在風速變化較快時，由于變槳距機構的慣性較大，機構無法很好地捕捉到平滑的風能。

飛輪儲能系統具有以下優點： (1) 對環境沒有污染，綠色環保；(2) 能量轉換效率高；(3) 性能較穩定，受外界因素影響較??；(4) 無限次充放電，且充放電迅速，壽命長；(5) 系統維護簡單，對地形沒有特殊要求。飛輪儲能已廣泛用來實現風力發電系統的輸出功率控制[5-10]。當儲能系統連入并網型風力發電系統時，可通過對風力發電系統輸出有功、無功功率的快速跟蹤并根據需要對有功、無功功率進行吸收和補償，使風電系統的輸出滿足并網要求。當風電系統輸出的電能大于電網所需電能時，儲能系統吸收多余的電能；當風電系統的輸出電能不能滿足電網的電能需求時，儲能系統釋放其存儲的能量供給電網，從而達到柔性控制目的。

本文通過雙脈沖寬度調制(Pulse Width Mod-ulation, PWM)變流器將風電系統與儲能系統相連，控制系統間能量雙向流動，從而調節風力發電系統的輸出功率。在瞬時功率理論研究的基礎上，對風力發電系統輸出功率采用內、外環相結合的控制策略。網側PWM變流器采用直流側電壓和無功功率的外環控制，儲能側PWM變流器則采用直接功率控制策略，雙PWM變流器的內環控制均采用dq軸電流的解耦控制。仿真結果證明了該方法的有效性。

1 含有飛輪儲能裝置的風力發電系統結構和工作原理

圖1 引入儲能系統的風力發電系統結構圖

引入儲能系統的風力發電系統結構如圖1所示。其中，風電機組主要由風輪機、感應發電機、并聯電容器組等部分組成。并聯電容器組為感應電機的起動和運行提供足夠的無功補償，維持輸出端電壓的恒定。飛輪儲能單元通過雙電壓源PWM型變流器和連接電抗器接到感應發電機母線上。當風力發電系統的輸出功率不能滿足電網的需要時，以風力發電系統母線上的有功、無功功率作為雙PWM變流器的控制信號來驅動儲能系統向風力發電系統供電；反之，當風力發電系統輸出的電能多于電網所需的電能時，儲能系統吸收多余的電能，從而平抑系統的輸出功率，保證輸入電網的電能質量。

2 功率控制器設計

2.1 瞬時功率理論

在abc三相坐標系中，設ea，eb，ec為三相瞬時電壓，ia，ib，ic為三相瞬時電流，則有功瞬時功率和無功瞬時功率分別為

(1)

abc三相坐標系中的瞬時電壓、電流經Clarke變換和Park變換，得到dq坐標系中的瞬時電壓ed、eq，瞬時電流id、iq。

有功瞬時功率和無功瞬時功率化為

(2)

2.2 儲能側變流器控制器設計

儲能側變流器采用有功和無功功率控制。通過儲能側變流器對有功和無功功率指令值的快速跟蹤形成電壓外環控制，電流內環控制則是對輸入的d軸和q軸電流進行解耦控制。儲能側變流器控制器結構如圖2所示。

圖2 儲能側變流器控制器結構

在外環中，取電壓矢量的方向為d軸方向，則電壓矢量的模等于d軸的電壓分量，根據瞬時功率理論和式(2)可得

(3)

有功功率和無功功率控制，即儲能側變流器外環控制如圖3所示。圖中Pref為風力發電系統需要輸出的有功功率，P為風力發電系統實際輸出的有功功率，通過兩者相減可得到儲能系統所需要吸收或釋放的有功功率的指令值，再除以d軸的電壓分量可得到儲能側有功電流的指令值idref。同理，得到儲能側無功電流的指令值iqref。

圖3 儲能側變流器外環控制

在內環中，根據背靠背雙PWM變流器在dq兩相旋轉坐標系下的數學模型，可得儲能側變流器的電壓方程為

(4)

式中：ud1、uq1——儲能側變流器交流側電壓的d、q軸分量；

ed1、eq1——儲能系統的d、q軸電壓分量。

從式(4)可知，ud1、uq1分別受交叉耦合項ωLiq1和-ωLid1的影響，給控制器設計帶來很大困難，故須對外環輸出電流的dq軸分量進行解耦。針對這一情況，令

(5)

將式(4)代入式(5)整理得

(6)

式中，kp1、kp2、ki1、ki2分別為PI控制器的參數。

可知當參數使上式成立時，就能實現功能，同時也對電流實現了dq軸解耦控制。

儲能側變流器內環控制如圖4所示。該內環實現了dq軸電流的解耦控制，得到了輸出電壓信號，然后根據PWM的空間矢量控制技術(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)產生脈沖信號，來控制變流器工作。

圖4 儲能側變流器內環控制

另外,電網側變流器采用的是定直流電壓和無功功率控制。通過直流側電壓和無功功率來確定內環的參考電流值。內環則通過dq軸電流解耦控制得到輸出電壓信號。

電網側的內環同樣采用的是dq軸電流的解耦控制，通過對dq軸電流指令值的跟蹤來得到電壓。電網側變流器的內環控制與儲能側變流器的內環控制類似，在此不再贅述。

3 參數的選擇

3.1 電流內環的參數設計

由于電流內環中d軸和q軸的電流控制結構相同，這里以q軸電流為例設計控制器。電流內環控制器的傳遞函數框圖如圖5所示。

圖5 電流內環控制器的傳遞函數框圖

則閉環傳遞函數為

(7)

此時該系統為典型的二階系統，有

(8)

由于采用SVPWM方式時，kPWM的值為1，則

(9)

(10)

整理得閉環傳遞函數

(11)

3.2 電壓外環的參數設計

電壓外環的傳遞函數框圖如圖6所示。

圖6 電壓外環的傳遞函數框圖

整理得開環傳遞函數為

(12)

其中，C為直流側的電容，Tc=τ1+3T，τ、τ1為延遲時間。

(13)

頻寬h通常取值為5，得

τ=5(τ1+3T)

(14)

(15)

4 仿真研究

4.1 仿真模型

在MATLAB/Simulink環境中對系統進行仿真。采用給直流電源添加階躍信號后經逆變器得到波動交流信號模擬風力發電系統輸出功率，用三相電壓源模擬吸收和釋放能量的儲能系統。主要仿真參數如表1所示。

表1 主要仿真參數

4.2 仿真結果分析

4.2.1 模擬風力發電系統輸出

本文采用加入階躍信號的直流源來模擬風力發電系統不穩定的輸出，其輸出電壓、電流分別如圖7、圖8所示。

圖7 風力發電系統輸出電壓

圖8 風力發電系統輸出電流

4.2.2 飛輪儲能系統抑制風電輸出功率波動

未經飛輪儲能系統作用的風力發電系統輸出功率波形如圖9所示，可看出由于風能的波動，風力發電系統的初始輸出功率存在明顯的波動。

圖9 未經飛輪儲能系統作用的風力發電系統輸出功率波形

經飛輪儲能系統作用后的風力發電系統輸出有功功率如圖10所示。由圖可知，有功功率經短暫調整后在0.1s前就穩定在約15kW，在 0.2s 和0.4s兩個時刻，有功功率突然波動，但在短暫的調整后回到了原來的位置。有功功率的輸出表明了該控制系統的有效性，對于風力發電系統波動輸出，系統的控制策略起到了平滑輸出功率的作用，使風力發電系統的功率輸出在儲能環節的作用下保持平滑。

圖10 經飛輪儲能系統作用后的風力發電系統輸出有功功率

5 結 語

本文針對風電系統輸出功率的波動問題提出了一種基于飛輪儲能裝置的功率柔性控制策略。采用外環控制確定電流參考值和通過內環解耦得到變流器工作的電壓信號相結合的控制結構，從儲能側變流器控制器和電網側變流器控制兩個方面分別設計了控制器。仿真結果證明了該方法的有效性。

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