風儲聯合發電系統運行控制研究

內蒙古電力科學研究院 劉紫玉

1 永磁風力發電機及儲能系統數學模型

全功率逆變型電源主要代表是永磁風電機組和光伏電源。圖1中發電單元通過網側變換器與電網連接，交流側出口處接有濾波器以免電力電子器件高平開斷產生的諧波進入電網。濾波器由電感L1、L2和并聯電容Cf以及Rf構成。

圖1 永磁直驅風力發電機組主電路拓撲結構

若忽略并網變換器以及交流側濾波器上的功率損耗，根據功率平衡關系，可得到變換器交直流側功率關系表達式：式中：Udc表示直流母線電壓，Pin=2Udciin表示永磁直驅風力發電機的輸入功率，iin為新能源發電單元的輸出直流電流，Pg表示流入電網的功率。在不同工作狀態下，PMSG并網選擇不同的控制策略：

電網正常運行條件下，PMSG并網變換器通常采用基于電網電壓矢量定向的雙閉環PI控制策略，由直流電壓外環和并網電流內環構成。將并網電流矢量分解到兩個旋轉坐標系d軸（d軸方向由電網電壓矢量確定）與q軸上，實現對有功分量與無功分量的解耦控制。其中，直流電壓PI控制外環的輸出作為并網變換器交流側有功電流分量（d軸分量）PI控制器的參考輸入；無功電流分量（q軸分量）控制器的參考值設置為零，以保證電源能夠單位功率因數運行。

電網短路故障下，PMSG并網處電壓將迅速被改變，但風力機的輸出功率仍保持原值，其交流側電壓并不能隨之迅速改變，將導致流過變換器的電流快速增大，極有可能導致過電流（尤其在不對稱故障情況下）。此時，在并網變換器控制回路中引入電流限幅環節以保護變換器。然而變換器輸出電流受限或該電流增大的速率小于PMSG并網處電壓減小的速率，將導致并網變換器送出到電網功率減小。故障期間PMSG發電單元輸入到變換器直流側的功率并不會發生變化，這將會導致直流母線兩側功率不平衡。此情況下直流電壓將會以較快速度上升。不對稱故障下，由于變換器交流側出口處有功功率中二倍基頻分量的存在，PMSG直流母線電壓將發生大幅波動。當直流母線電壓波動的幅度超過變換器最大調節能力范圍，PMSG將會失穩或過壓保護動作。蓄電池組模型為：

其中：

儲能系統一般由儲能模塊、變流器及相應的控制系統組成，儲能系統的儲能元件為蓄電池，變流器為DC/AC變流器。儲能系統綜合控制系統由兩部分組成，儲能系統蓄電池控制器通過監測蓄電池充放電狀態檢測其出力狀況，并在功率參考值超過蓄電池組吸、發功率限值時，以其限值作為功率控制器的有功功率參考值。

2 風儲聯合系統的控制策略

2.1 并網逆變器控制方式

單相并網發電系統的基本設計最終目標就是將風機所發出的高頻直流電直接轉化成作為與其他電網負載電壓同頻、同相的高頻交流電，從而既向電網負載用戶供電、又向其他電網用戶發電的系統，電網用戶可把它看成一個容量無窮大的單相交流驅動電壓源，而并網逆變器的直流輸出既同樣可通過控制為直流電壓源，同樣可通過控制來作為驅動電流源[1-2]。

在這種電流控制驅動模式下，并網逆變器可呈現出高阻抗驅動特性，因此設計可有效減少直流電網內部電壓擾動對直流輸出并網電流的直接影響，從而大大改善直流輸出并網電流的運行質量。實際上還可通過相位調整與自動并網管理系統控制輸出輸入電流的相位大小和輸出相位來調整控制系統的有功輸出和系統的無功輸出。常用的電流控制方法主要有滯環電流控制和基于SPWM的電流控制。本文選用單極倍頻SPWM調制，三角載波頻率為10kHz。

2.2 雙閉環控制系統設計

電流內環控制參數設計：為實現對id、iq的無靜差調制引入閉環PI控制器，其控制方程如下式所示，由于id的控制可由直流電壓的控制實現，因此電壓外環PI控制器的輸出即為電流內環的有功分量id的參考值idref，無功電流內環的參考值則根據需要向電網輸送無功功率的指令。

綜上，基于電網電壓矢量的并網逆變器系統控制結構圖可用圖2表示。本次設計逆變器并網控制采用雙閉環控制系統，即電流內環和電壓外環相結合的控制方式，可較好地控制逆變器的輸出。

圖2 雙閉環控制策略整體結構圖

3 仿真結果及分析

在PSCAD中搭建風儲聯合發電系統模型，分別設置不同運行工況，并監測不同工況下系統的運行狀態，風機出力受自然條件變化影響，由仿真結果可知，隨著風速的增加，風機電源提供工況電流與短路電流幅值相應明顯增加，在故障發生前分別為0.39IN、0.75IN、0.9IN，在故障發生后達到0.51IN、1.05IN、1.2IN。即在風速較大時發生故障，逆變器限幅器發揮作用，故障電流達到限幅器上限。

在PSCAD中搭建如下風儲聯合發電系統：無窮大系統11kV，額定頻率60Hz，風儲聯合系統經過0.23/11kV升壓變接入系統，系統接200kW負載，風機額定出力200kW，蓄電池額定容量0.24kAh，直流母線電壓0.5kV。在仿真運行到3s時風速由80m/s下降至10m/s，運行到3.5s時風速由10m/s升高至80m/s；仿真運行至4.5s時系統電壓由11kV跌至5.5kV，仿真運行至4.75s時系統電壓由5.5kV升高至11kV。

圖3 兩種場景直流母線電壓波動情況對比

對比單獨風力發電系統和風儲聯合發電系統的仿真結果，可看出當風速及系統電壓出現變化時，相比于單獨的風力發電系統，風儲聯合發電系統可很好平穩母線電壓的波動、維持系統穩定。圖4顯示，當風速由80m/s下降至10m/s，相比于單獨的風力發電系統出力提高了整體系統的有功出力。當風速由10m/s升高至80m/s時，風儲系統通過儲能吸收多余的有功，從而降低系統有功功率的波動。

圖4 兩種場景輸出有功無功對比

4 結語

新能源發電存在一些隨機性較大的周期問題，電壓、頻率等發電參數周期變化多，不能很方便的將其并入電網。可得相比于單獨的風力發電系統，風儲聯合發電系統可很好平穩母線電壓的波動，降低系統有功功率的波動。