風儲微電網運行控制研究

賀　軍，　張俊洪

(海軍工程大學，電氣工程學院，湖北 武漢　430033)

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風儲微電網運行控制研究

賀軍，張俊洪

(海軍工程大學，電氣工程學院，湖北 武漢430033)

摘要：隨著能源與環境問題日益凸顯，可再生能源受到關注。在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立了風儲微電網三相交流系統模型，重點分析永磁直驅風電控制策略、微電網控制策略以及在可再生微電源實行最大能量捕捉情況下微電網如何維持穩定運行。并網運行時微電網控制聯絡線功率，大電網為微電網提供頻壓支撐；孤島運行時微電網以主從控制模式運行，采用恒頻恒壓控制。在考慮風速、負載變化情況下，仿真表明微電網模型滿足功率平衡和電壓、頻率的運行要求。仿真結果驗證了模型和控制策略的可行性與正確性。

關鍵詞：風力發電； 永磁同步發電機組； 儲能電池； 微電網； 最大功率跟蹤； 動態仿真

0引言

分布式電源發電靈活，與環境友好，其主要包括風力發電、太陽能發電、燃料電池、小型水利電力等。為了提高分布式能源的不足，發揮分布式發電的優勢，進而形成了微電網概念。微電網將分布式發電、負載、儲能裝置，連在一起形成一個可控電源供應系統，既可以并網運行亦可獨立運行。文獻[1]介紹了微電網研究的最新進展并結合中國未來智能電網建設對未來微電網發展進行展望。文獻[2]運用MATLAB/Simulink建立了D-PMSG仿真模型,發電機轉速控制策略中采用dq同步旋轉坐標下的矢量控制方法,用d軸電流控制無功功率,用q軸電流控制轉速,實現了機組的解耦控制,對風速階躍變化時機組運行情況進行了仿真。文獻[3]通過MATLAB/Simulink建立各種微電源模型，對嚴重故障情況下微電網自愈和維持電能質量能力進行了模擬試驗。文獻[4]重點考慮到風光互補系統與大電網互聯運行。文獻[6]通過算例仿真對不同分布式電源在低電壓微電網中，從聯網模式到孤立運行的動態特性進行了研究。文獻[9]以直驅型同步風電機組為研究對象，建立了機組各個組成部分的數學模型。在此基礎上利用MATLAB/Simulink搭建了基于全功率變流器的并網直驅型同步風電機組的仿真模型，研究了使機組運行在最優功率狀態下的綜合控制策略。本文將建立完整的風儲混合微電源系統模型，包括風力機模型、發電機模型、最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制策略、儲能控制策略、微電網控制策略、系統考慮儲能電池的充放電過程、捕捉最大新能源功率的過程、反映微電網不同條件下的真實運行狀況。

1永磁直驅風力發電機結構及控制

由風力機的空氣動力學特性知道風力機的機械輸出功率為

(1)

式中：ρ——空氣密度；

r——風輪半徑；

V——風速；

Cp——λ和θ的函數；

λ——葉尖速比，λ=ωrR/V；

θ——槳距角。

貝茨理論證明風能利用系數上限為0.593。在槳距角不變的情況下，只要根據電機轉速，保證最優葉尖速比保持不變。本文取λopt=8.1，可維持Cp=CPmax，在風機轉速滿足最佳葉尖速比情況下獲得最大風能。

1.1永磁同步發電機及變流器控制模型

本文中永磁同步發電機(Permanent Magnetic Synchronous Generator, PMSG)的模型在同步旋轉坐標下的電壓方程為

(2)

磁鏈方程為

(3)

轉矩方程為

Te=1.5np[ψfisq+(Ld-Lq)isqisd]

(4)

式中： usd、usq——電機d、q軸輸出電壓；

isd、isq——d、q軸電樞電流；

Ld、Lq——定子繞組d、q軸電感；

ψsd、ψsq——d、q軸磁鏈；

ωe——電角頻率；

ψf——永磁體磁鏈。

1.2電機側整流器矢量控制

電機側整流器的目標主要是實現追蹤最大功率以及控制d軸電流為零。在本文中以控制發電機轉速實現對最大功率的追蹤，控制回路由雙閉環回路構成，外環為發電機轉速控制，內環為電流控制，如圖1所示。因d軸電流分量與無功功率相關，設d軸電流參考值Idref為零；q軸電流分量與轉矩相關，可通過控制q軸的速度獲得q軸電流參考值Iqref。發電機側三相電流在dq軸同步旋轉坐標下進行變換得到dq軸的電流分量，電流分量分別與Idref及Iqref作比較，然后通過PI控制器調節和坐標逆變換得到調制信號輸入值。由式(2)可知，dq軸之間存在耦合項，通過前饋補償的方法可消除二者之間的耦合，前饋電壓交叉項為ωeψsq和ωeψsd，即可實現電流的解耦，最終實現整流器的控制，得出輸出信號usdusq，經過坐標反變換和PWM環節，使整流器按功率給定值輸出功率。

圖1　電機側整流器控制框圖

1.3網側逆變器矢量控制

網側逆變器的首要任務是維持直流母線電壓恒定，控制直流側的有功功率Pe與網側PWM逆變器并入電網的有功功率Pg平衡。當Pg

圖2　網側逆變器控制框圖

2儲能電源控制原理

本文儲能系統利用的是Simulink已有鉛酸儲能電池，經DC/DC,DC/AC功率變換器模塊接入微電網構成風/儲混合微電網的儲能系統。微電網獨立運行時逆變使用U/f控制，通過母線電壓和頻率的反饋，調整有功和無功補償。并網運行時逆變單元采用P/Q控制，根據調度指令補償聯絡線功率。如圖3所示，雙向DC/DC變換器的控制目標是始終保持直流側電容電壓恒定和蓄電池充放電控制。在蓄電池充電或放電過程中，直流側電容電壓保持在設定值處，減小輸出電壓頻率和幅值波動。當直流側電容電壓升高至Udcref時，PWM輸出開關脈沖控制開關管S1通斷，使DC/DC變換器工作于Buck模式，蓄電池轉入充電狀態以吸收電能；當并網變流器工作于逆變狀態時，即儲能系統輸出功率，直流側電容電壓Udc降低，PWM輸出的開關脈沖控制開關管S2通斷，DC/DC變換器工作于boost模式，蓄電池放電。

圖3　儲能系統控制框圖

2.1獨立運行儲能逆變器U/f控制策略

如圖4所示，U/f采用電容電流內環、電壓外環控制方案，電容電流內環與電感電流內環相比，外特性更強，本文采用電容電流內環。基于電壓和電流雙環控制策略，電壓外環需要采集負載側電壓，經過坐標變換得到Ud、Uq，與給定標準電壓分別作差，經PI補償環節得到電流內環給定值。采集濾波電容電流，經坐標變換與電流給定值作差，再經過補償環節得到電壓參考值。其解耦原理與前面所述原理相似，此處不再贅述。經過坐標反變換與調制環節輸出指定電壓幅值與頻率。

圖4　U/f控制框圖

2.2并網運行儲能逆變器P/Q控制策略

如圖5所示，控制策略采用功率外環與電流內環雙環控制策略，需要采集電網電壓與電網電流，經過P/Q計算模塊得到功率實測值，與給定值分別經PI調節得到電流內環給定值，再分別與采集電流值作差經過PI調節和前饋解耦環節，得到電壓參考值。

圖5　P/Q控制框圖

3風/儲混合微電網的仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立了直驅型永磁同步發電機組的仿真模型，具體參數如下： 額定風速11m/s，風輪半徑11m，額定功率150kW，定子電阻0.01Ω，電感0.395mH，機組轉動慣量350kg/m2,極對數32，永磁體磁鏈1.67Wb。儲能電池電壓100V,容量1000Ah。并網逆變器及DC/AC、DC/DC模塊參數分別如表1、表2所示。

表1　并網逆變器參數

表2　AC/DC與DC/DC模塊參數

3.1風/儲混合微電網并網仿真分析

仿真2.5s時風速由11m/s變為為10m/s，3.5s時風速由10m/s變為9m/s，電機側變流器根據風速變化調節發電機轉速，發電機電磁轉矩也跟隨變化，風能利用系數曲線保持在最大值上，實現了最大功率點的跟蹤，由圖6可知發電機功率輸出與轉速具有良好的動態響應特性，此時風電機組功率運行在最大值。

圖6　永磁直驅風力發電機組運行參數

微電網并網運行時，微電網管理器發出調度指令，微電網向配電網提供53kW功率。由圖7可知2s 時負載由80kW增加20kW，儲能電池實行P/Q控制，根據聯絡線功率缺額向微電網持續輸出恒定功率。整個仿真時段儲能系統輸出功率隨著風力輸出功率變化和負荷投切而波動，補償了微電網內的功率差額，使得PCC處的交換功率能基本維持在設定值處，減小對電網的影響。微電源輸出大于負荷需求，微電網向配電網送出電能。

圖7　微電網并網運行情況

3.2風/儲混合微電網獨立運行仿真分析

微電網獨立運行時微電源給負載供電，為了維持系統運行穩定，微電網采取U/f控制模式。如圖8所示，在微電源和負荷功率發生變化時，主電源相應變化確保負荷的電能質量。風速3s時由9m/s降為8m/s,功率輸出變化明顯，由100kW降為80kW，系統能實時追蹤風速變化。當風速、負載變化時，儲能系統作為主控單元通過平衡功率輸出保持電壓和頻率在正常范圍內波動，系統在獨立運行階段維持電壓和頻率穩定，即使風電和負載的功率波動，儲能系統可以快速消除微電網內部功率失衡，避免電壓和頻率的大幅波動。

圖8　微電網孤網運行情況

4結語

本文根據風/儲混合微電網特性構建了風/儲微電網三相交流系統模型。該模型中，風力發電機組采用了MPPT控制策略，能追蹤風速實時變化，實現最大功率的輸出。重點分析了風/儲微電網在不同運行方式下的控制策略，以及實行最大能量捕捉情況下如何維持穩定運行。微電網采取恒功率控制與恒頻恒壓控制，并網運行時有效與大電網交換功率，孤島運行時滿足功率平衡和電壓、頻率的運行要求。結果顯示微電網運行過程中控制有效，系統運行穩定可靠。

【參 考 文 獻】

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Operation Control Study of Wind-Battery Micro-Grid

HEJun,ZHANGJunhong

(College Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：As the energy and environmental problems become serious renewable energy has received much attention. In this thesis a AC wind/storage hybrid micro-grid model was simulated, to analyzed control strategy of a direct driven permanent magnet synchronous generators and micro-grid and how micro-grid operated stably when taking obtain maximum utilization of renewable energy into consideration. In the process of grid-connected operation, the grid controlled the power of tie line and provide reference voltage and frequency. Under islanding mode micro-grid took master slave control mode, where the battery was the main control unit using U/f control mode. Taking the variable wind speed into consideration, simulation showed that the micro-grid operation in islanded mode and the switching progress met the power balance and standard of voltage and frequency. the results of simulation verified the feasibility of this proposed model and control strategy.

Key words：wind power system；permanent megnetic synchronous generator (PMSG)； storage battery； AC micro-grid； maximum power point tracking； dynamic simulation

收稿日期：2015-07-02

中圖分類號：TM 301.2

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2015)12- 0050- 05

通訊作者：賀軍