基于模糊控制的非并網風力發電機組直流母線電壓飛輪儲能控制策略

盧欣，張劍，王靖，劉鐵，宋飛

（1.國網天津市電力公司電力科學研究院；2.國網天津節能服務有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

基于模糊控制的非并網風力發電機組直流母線電壓飛輪儲能控制策略

盧欣1,2，張劍3，王靖3，劉鐵3，宋飛4

（1.國網天津市電力公司電力科學研究院；2.國網天津節能服務有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

風力資源大規模的開發是實現減少溫室氣體排放，緩解環境污染以及提高可再生能源利用率的重要手段，同時，大規模非并網風力發電理論避開了風電并網的技術難題。但是，由于風能的隨機性和不可控性，會導致風力發電系統輸出功率也會隨之波動，因此，在非并網風力發電系統中配置相應的儲能裝置，以確保向負荷供電的電能質量，已成為可再生能源充分利用的關鍵。在風速波動的情況下，利用本文提出的風力發電機組直流母線控制策略，可減少對機組變流器以及用電負荷的沖擊，這對于非并網風力發電機組保證負荷的安全穩定運行，具有重要的積極意義。

非并網風力發電；直流母線電壓；控制策略

風電得到世界公認，也最接近商業化，作為市場競爭力強的可再生能源技術，其占用土地少，社會爭議少，環境友好，能較快實現規模化和產業化。非并網風電是指大規模風電直接應用于一系列通過技術創新、能較好應用風電特性的產業。大規模風電的終端負荷不再是電網，其與蓄電池配套的小型獨立運行供電系統也不同，而是將風電直接輸送到一些高載能的企業，即實現100%能量轉換，解決無法上網的風電的利用問題。因為，非并網風力發電機組的終端負荷，對電能質量有一定的要求，所以，本文提出一種基于模糊控制的飛輪儲能系統控制方案，該方案能穩定非并網風力發電機組直流母線電壓，改善機組后級變流器的工作條件，提高了向終端負荷的供電質量。

1 系統構成與配置

圖1為飛輪儲能系統輔助的非并網風力發電機組系統結構圖，該系統由飛輪儲能系統、變槳距直驅風力發電機組、變換器、負載等組成，其中飛輪儲能系統并聯于直流母線。

圖1 風力發電機組系統結構圖

2 系統控制策略

系統控制策略如圖2所示。

圖2 飛輪儲能系統控制策略示意圖

3 飛輪儲能系統轉速限制策略

飛輪儲能系統儲存/釋放能量為：

式中J為飛輪儲能系統飛輪轉子轉動慣量，ω為飛輪旋轉角速度初值，為飛輪旋轉角速度的變化量。在本文的控制策略中，設飛輪儲能系統最大儲能為其額定值的120%，則飛輪轉速最大最小值的限制需滿足：

表1 飛輪儲能系統轉速限制規則表

4 基于轉子磁鏈定向永磁同步電機矢量控制

基于dq旋轉坐標系下，永磁同步電機定子電壓方程與磁鏈方程為：

三相永磁同步電機輸出轉矩為：

式中，pm為電機極對數，ψd、ψq為分別為d軸和q軸上等效磁鏈。

設三相永磁同步電機氣隙磁導分布均勻，有Ld=Lq=L ，則式（5）即可簡化為：

由式（6）可以看出，對永磁同步電機采用基于轉子磁鏈定向矢量控制，定子電流矢量位于q軸，無d軸分量，此時電磁轉矩完全由定子電流控制。本文采用電流滯環控制，進而跟蹤模糊控制器給出的飛輪電機轉速參考值，對電機的轉速進行調節。

5 系統建模

5.1 飛輪儲能系統模型

飛輪儲能系統包括飛輪電機、電力電子變換器等，與風力發電機相同，飛輪電機亦采用由MATLAB Simulink中提供的永磁同步電機模型，電力電子變換器采用Universal Bridge模塊。按照圖2所示的控制策略，通過轉速環和電流滯環控制器對飛輪電機進行轉速控制以實現飛輪儲能系統的充、放電，圖3為仿真模型結構圖。

圖3 飛輪儲能系統仿真模型結構示意圖

5.2 仿真模型

結合風力發電機組模型和飛輪儲能系統模型，以及所提出的模糊控制器和穩定風力發電系統直流母線電壓的飛輪儲能系統控制策略，可以得到完整的系統仿真模型結構示意圖，如圖4所示。

圖4 飛輪儲能系統穩定非并網風力發電機組直流母線電壓仿真模型結構示意圖

6 仿真驗證

6.1 系統參數

風力發電機組的參數為：風力機掃風半徑為5m，永磁同步風力發電機定子電阻為0.175?，d軸電感為3.6mH，q軸的電感為3.6mH，永磁體勵磁磁通為3.332Wb，電機轉動慣量為0.028kg.m2，電機的極對數為4。鋼制低速飛輪及飛輪電機參數為：永磁同步飛輪發電/電動機定子電阻為0.175?，d軸電感為3.6mH，q軸電感為3.6mH，永磁體勵磁磁通0.3332Wb，電機及飛輪的轉動慣量為0.328kg.m2，電機的極對數為4。

6.2 仿真結果及分析

根據給定的模擬風速階躍曲線，運行基于模糊控制的飛輪儲能系統穩定，非并網風力發電機組直流母線電壓仿真模型，即可得仿真結果。如圖5為給定的模擬風速階躍曲線，在0.2s時，風速由10m/s階躍至8m/s并在0.23s時回至10m/s；在0.5s時，風速由10m/s階躍至12m/s并在0.53s時回至10m/s。圖6為未引入飛輪儲能系統時，非并網風力發電機組的直流母線電壓波形。可看出未引入飛輪儲能系統時，隨著風速的跳變，風力發電機組直流母線電壓上下波動，嚴重影響了向終端負荷的供電質量。圖7為引入飛輪儲能系統后的直流母線電壓波形。可看出直流母線電壓隨著風速跳變而波動的情況，得到了有效抑制，改善了風電機組后級變流器的工作條件。

圖5 風速階躍模擬曲線

圖6 未引入飛輪儲能系統時直流母線電壓波形

圖7 引入了飛輪儲能系統時直流母線電壓波形

圖8 給出飛輪轉速變化曲線，可看出飛輪實際轉速較好的跟蹤了由模糊控制器給出的飛輪轉速參考值。由于飛輪本身較大的轉動慣量，在很短的時間內，飛輪實際轉速無法做出較大的變化，所以，飛輪實際轉速要比模糊控制器給出的轉速參考值平穩。

圖8 飛輪轉速變化曲線

7 結語

本文提出的一種基于模糊控制的飛輪儲能系統控制方案，能穩定非并網風力發電機組直流母線電壓，改善機組后級變流器的工作條件，提高了向終端負荷的供電質量。

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TM614，TM76

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0213-03

（國家電網公司科技項目資助（合同號：SGTJDK00KJJS1600036）光伏微電網關鍵技術研究和核心設備研制）。