基于MMC-BESS 的風電場功率及電壓綜合調節策略

程從智，徐晨，戴珂，黃永爍，潘非

(1.華中科技大學電氣與電子工程學院電力電子與能量管理教育部重點實驗室，武漢 430074;2.廣西電網有限責任公司南寧供電局，南寧 530229; 3.上海追日電氣有限公司，上海 200331)

0 引言

風力發電在減輕環境污染、調整能源結構等方面具有突出作用，已成為可再生能源領域中發展最快且潛力最大的發電方式之一［1］。但是隨著風電滲透率逐漸增加，對電網運行穩定及電能質量的影響勢必加重。風電機組輸出功率取決于風力，風力受風速影響最大［2］。由于風速的隨機性和高不確定性，風電機組的輸出功率具有極大的波動性［3］; 負荷突變以及風電場出力不均勻，會導致風電場PCC 電壓的不穩定［4-5］。

目前業界常規方法為通過儲能裝置與無功補償裝置對功率波動及PCC 電壓分別進行獨立調節。為平滑風電場輸出功率，可以采用超級電容、飛輪儲能裝置［6］實現功率波動抑制，雖然其充放電快，但是能量密度小，無法抑制大幅度的功率波動。也可采用混合儲能裝置的方法，如文獻［7-9］將風電場功率進行分頻，并根據儲能介質的不同特點，采用超級電容平抑波動速度快的高頻部分、蓄電池抑制波動速度稍平緩的中頻部分，將波動幅度相對平緩的低頻部分作為并網功率的方法，來平滑波動的風電場功率。雖然解決了單一儲能裝置能量密度低或功率密度低的缺點，但是其協調控制策略比較復雜。若此時風電場還有穩定PCC 電壓的需求，一般需要另外安裝靜止無功發生器( SVG)［10］或靜止無功補償器( SVC)［11］，但是也帶來了補償裝置數量多，系統結構復雜且不易維護的問題。

由于模塊化多電平變換器( MMC) 具有高等效開關頻率，高度模塊化，擴展方便等優點，在中高壓大功率場合下的應用越來越廣泛［12-14］。電池儲能系統( BESS) 與MMC 結合后，拓展了儲能系統的無功補償能力，當應用于風電場中，可集有功、無功補償于一個裝置內，同時解決風電并網功率及PCC 電壓波動問題，改善并網風電場的電能質量，簡化了系統結構。

文中首先分析了風電場輸出有功及PCC 電壓波動的原因，然后給出MMC-BESS 的拓撲結構。通過建立數學模型，得到等效電路，并給出了其內部控制策略。針對風電場輸出有功及PCC 電壓波動問題，給出了波動功率抑制策略和PCC 電壓調節策略。通過搭建實驗樣機，在模擬的風電場并網場景中驗證了這兩種控制策略，實驗結果表明MMC-BESS 可以平滑風電場有功輸出，以及調節PCC 電壓，提高風電場輸出的穩定性。

1 風電場PCC 電壓與無功的關系

對風電場而言，其輸出的有功受風速的影響很大，具有很大的波動性和隨機性。而本地負荷突變甚至嚴重時的短路故障又會導致并網點電壓突升/突降。圖1為風電場并網系統示意圖。

圖1 風電場并網系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind farm grid-connection system

如圖1( a) 所示，單機無窮大系統母線接負載和風電場，由于風電場接入后產生并網功率波動以及負載突變產生PCC 電壓波動，故又接入MMC-BESS。為分析PCC 電壓的變化，出于簡單考慮，假設圖1( a) 沒有風電場和MMC-BESS，并且變壓器匝數比為1∶1。忽略傳輸線的等效電阻，圖1 中VS是理想的電網電壓，VT是PCC 端口電壓，X是線路感抗，P是負載的有功功率，Q是無功功率，φ 是功率因數角。可以得到負載的有功功率P與PCC 電壓幅值如式(1) 所示:

當負載為純電阻時，所能吸收的最大有功功率為式(2) ，此時負載阻抗與線路感抗模相等。

當負載改變時，建立PCC 端口電壓VT與電網電壓VS幅值之間的關系，以及負載的有功與其為阻性時所吸收的最大有功功率Pmax之間的關系，如式(3) 所示:

依據式(3) ，假如負載功率因數不同，可得到該系統的P-V 特性鼻狀曲線，如圖1( b) ，從中可以看出，負載功率因數不同，吸收的最大有功功率也不同，系統需工作于臨界點之上的區間內。當負載為阻容性時，其所吸收的最大有功功率高于負載純阻性時所吸收的最大有功功率，且PCC 電壓高于電網電壓;當負載為阻感性時，所吸收的最大有功功率低于負載純阻性時所吸收的最大有功功率，且PCC 電壓低于電網電壓。負載的感性或容性會影響PCC 電壓降低或升高，造成電能質量問題。

2 MMC-BESS 的結構與內部控制

2.1 MMC-BESS 的結構

2.1.1 拓撲結構

圖2( a) 為三相MMC-BESS 拓撲結構，每相由上下兩橋臂組成，每個橋臂由N個級聯的子模塊組成，上下橋臂通過濾波電感LF連接到PCC 上。子模塊為一個半橋結構，包括兩個開關管及其反并聯二極管、并聯在直流側的電容和儲能單元，如圖2( c) 所示。根據上下兩個開關管的導通狀態，子模塊交流側輸出電壓為vbat_cp_N或0。將每相上橋臂N個子模塊級聯電壓定義為vjp(j=a，b，c) ，每相下橋臂N個子模塊級聯電壓定義為vjn(j=a，b，c) ，公共直流側電壓定義為Vdc，上下橋臂電流分別定義為ijp和ijn(j=a，b，c) ，裝置輸出電流定義為icj(j=a，b，c) ，PCC 電壓定義為vTj(j=a，b，c) ，上橋臂第N個子模塊的電容電流定義為icp_N，其直流側電壓和交流側電壓分別為vbat_cp_N和vcp_N。

圖2 MMC-BESS 的電路拓撲Fig.2 Circuit topology of MMC-BESS

2.1.2 等效模型

忽略橋臂電阻，對上下橋臂使用基爾霍夫電壓定律( KVL) ，可以得到式(4) ，其中vjN表示每相輸出對直流側中點電位差。

式(5) 定義esumj為每相上下橋臂的共模電壓，edifj為每相上下橋臂差模電壓，也即第j相的等效內部電動勢，icir為流過上下橋臂的相間環流。

對式(4) 分別作差、和運算可以得到式(6) 和式(7) :

式(6) 其實就是描述MMC-BESS 的外部特性的方程，式(7) 是描述內部電壓電流特性的方程，控制共模電壓就能控制環流，控制差模電壓就能控制裝置輸出電流，實現了內部環流和輸出電流的解耦。根據式(6)可以得到其等效數學模型，如圖3 所示。

圖3 MMC-BESS 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of MMC-BESS

2.2 MMC-BESS 的內部控制

MMC-BESS 的內部控制定義為變換器級別的控制，在給定的有功和無功電流指令下，內部控制可以使裝置輸出電流無靜差地跟蹤參考電流指令，同時保證各子模塊SOC 平衡。

圖4為MMC-BESS 的有功功率與無功功率控制框圖。在dq 旋轉坐標系下，采用PI 控制器和RC 重復控制器［15］( repetitive controller) 對指令值進行跟蹤。等效電抗的存在導致dq 軸電流發生耦合，故對dq 軸電流進行狀態變量反饋交叉解耦，可以加快控制器的調節速度。同時采用PCC 電壓前饋以縮短電流內環動態響應時間。通過對dq 軸電壓參考指令進行Park 反變換，最終得到輸出電壓參考信號vref。有功、無功電流指令分別將由第3 節所提到的功率波動抑制、PCC 電壓調節策略得到。

圖4 MMC-BESS 有功與無功功率控制示意圖Fig.4 Schematic diagram of active and reactive power control for MMC-BESS

對于MMC-BESS 的正常運行要求各子模塊荷電狀態( State of Charge，SOC) 均衡，文中采用文獻［16-17］所提SOC 均衡控制策略。

3 MMC-BESS 的系統側控制

MMC-BESS 系統側控制的目的是針對裝置安裝點的風電場輸出有功功率和PCC 電壓波動，給MMCBESS 提供有功和無功電流指令。系統側控制主要分為兩個部分，即功率波動抑制和PCC 電壓調節。功率波動抑制是為了平滑風電機組有功輸出，對波動的風電場有功功率“削峰填谷”;當本地負荷發生突變時，通過調節MMC-BESS 輸出的無功功率來穩定PCC 電壓，抑制PCC 電壓波動。

3.1 MMC-BESS 的功率波動抑制

如圖1( a) 所示，忽略本地負荷，系統功率關系如式(8) ，其中，Pg是電網吸收的有功，Pwf是風電場發出的有功，Pmb是MMC-BESS 發出的有功，Pf是整個系統的有功損耗。由于損耗較小，一般情況下忽略不計。

當風速變化較大時，風電場產生的有功波動幅度較大，此時電網吸收的有功波動幅度也相應的變大，因此需要對其進行平滑。由于風電場功率的高頻部分是主要的平抑目標，而低通濾波算法可以實現將高頻分量濾除，只通過低頻分量的功能，故如圖5 所示，文中采用一階低通濾波器來設計波動功率抑制策略。通過一階低通濾波器濾除風電場有功功率波動部分，得到期望的風儲系統向電網輸出的有功，將該期望的有功與風電場輸出有功作差，得到MMC-BESS 輸出有功功率的指令值P*mb，再與2/3 和1/VTd相乘得到MMCBESS 的有功電流指令值I*d 。通過控制MMC-BESS 輸出的有功電流，使其反向輸出波動功率，平抑風電場的功率波動，從而使電網得到穩定的有功功率。其中τ =1/2πfL，fL是低通濾波器的截止頻率。

圖5 波動功率抑制控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of fluctuating power suppression control

3.2 MMC-BESS 的PCC 電壓調節

當考慮本地負荷時，負荷的突變會導致PCC 電壓突升/突降，根據圖1( b) P-V 特性鼻狀曲線，控制MMCBESS 向電網注入一定的無功功率，可以穩定PCC 電壓在規定的范圍之內，達到抑制PCC 電壓波動的目的。

如圖6 所示，檢測PCC 三相相電壓，定義旋轉坐標系的d 軸與三相等效電動勢共軸，則經過等幅值Park變換后，d 軸電壓分量就是三相相電壓幅值。將其與額定電壓指令值作差，可得到誤差信號，誤差信號經PI控制器得到的就是MMC-BESS 的q 軸電流指令值。通過控制MMC-BESS 輸出相應的無功電流，使其向電網注入一定的無功功率，抑制PCC 電壓的暫降和突升，減少對電網的沖擊。

圖6 PCC 電壓調節控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of PCC voltage regulation control

4 樣機試驗結果

為了驗證所提控制策略的正確性，設計了一臺20 V/0.66 kVA 的三相十二模塊的MMC-BESS 實驗樣機，如圖7，實驗參數見表1。每個橋臂有兩個子模塊，子模塊直流側的儲能單元由兩個12 V/100 Ah 鉛酸蓄電池串聯組成，采用載波移相調制，單個子模塊的開關頻率為1 kHz，則整個裝置的等效開關頻率為4 kHz。

表1 MMC-BESS 實驗參數Tab.1 Experimental parameters of MMC-BESS

圖7 MMC-BESS 實驗樣機Fig.7 Downscaled laboratory prototype of MMC-BESS

由于子模塊直流側并聯電池總電動勢為24 V，當調制比為1 時，MMC-BESS 交流側等效輸出線電壓有效值為29.39 V，則實驗在PCC 線電壓有效值20 V 下進行。由于不具備接入風電場的實驗條件，以及裝置功率等級的限制，因此通過MATLAB 隨機函數直接生成短時風電場并網有功波動功率，并對風電場負載進行投切，在低壓小功率等級下，模擬實際的風電場并網場景。

4.1 有功功率波動抑制實驗結果

假設短時風電場并網有功波動功率即風電場功率的高頻部分如圖8( a) 。風電場輸出的額定有功為200 W，波動功率最大超過50 W，即0.25 p.u.，不符合標準文獻［18］的有功功率波動最大幅值低于0.1 p.u.的規定。

圖8 風電場波動功率抑制Fig.8 Suppression of wind farm fluctuating power

為方便分析，把圖8( a) ΔPwf直接取反作為MMCBESS 輸出有功的指令值P*mb，并將圖1 本地負荷切除，網側阻抗為0.5 mH，模擬風電場并網實驗。圖9( a) 為此時裝置的a 相線電壓和b 相相電流，圖9( b) 為圖9( a) 圖波形細節，可看出在風電場并網功率波動時icb分別超前、滯后vab30°和150°，由于電流正方向為指向PCC，故裝置吸收/發出有功功率。將圖9( a) 的數據導入MATLAB 算出MMC-BESS 瞬時功率Pmb如圖8( b) ，將圖8( a) ΔPwf與圖8( b)Pmb相加得到抑制后的風電場并網有功波動功率如圖8( c) ，可以看出MMC-BESS 能夠迅速平抑風電場功率的波動部分，平滑了風電場輸出的有功，實現了對波動功率削峰填谷。在圖8( c)中，1 min 內最大功率波動為10 W，即0.05 p.u.，小于0.1 p.u.，符合標準文獻［18］的相關規定。

圖9 波動功率抑制實驗波形Fig.9 Experimental waveform of fluctuating power suppression

4.2 PCC 電壓調節

如圖1 所示，本地負荷由表1 給出的電阻A 和電阻B 組成，分別為Δ 形連接和Y 形連接，網側阻抗為6 mH。對負載進行投切，模擬風電場PCC 電壓波動。

首先模擬PCC 電壓跌落，MMC-BESS 發出感性無功進行支撐的情況。如圖10( a) 所示，Δt0時段只有負載A 投入，通過調壓器使PCC 線電壓在額定值附近，Δt1時段再投入負載B，PCC 線電壓由1.0 p.u.降低到0.894 p.u.，下降了10.6%。Δt2時段裝置投入，Δt3時段，調節PCC 電壓，裝置工作在容性工況下，發出一定的感性無功補償電流，PCC 線電壓恢復到0.998 p.u.，電壓波動為0.2%。圖10( b) 給出了電壓跌落調節細節，分別為PCC 線電壓和相電流，由于電流正方向為指向PCC，線電壓超前相電流122°，所以此時MMC-BESS輸出感性無功來支撐PCC 電壓。

圖10 PCC 電壓調節實驗波形Fig.10 Experiment waveform of PCC voltage adjustment

其次模擬PCC 電壓較高時，MMC-BESS 發出容性無功，降低PCC 電壓的情況。如圖10( c) 所示，Δt0時段內同時投入負載A 和負載B，再通過調壓器使PCC 線電壓在額定值附近，Δt1時段切除負載B，PCC 線電壓由1.0 p.u.升高到1.13 p.u.，上升了13.0%。Δt2時段裝置投入，Δt3時段，調節PCC 電壓，裝置工作在感性工況下，發出一定的容性無功補償電流，PCC 線電壓恢復到1.004 p.u.，電壓波動為0.44%。圖10( d) 給出了電壓升高調節細節，分別為PCC 線電壓和相電流，線電壓滯后相電流63°，所以此時MMC-BESS 輸出容性無功來降低PCC 電壓。具體實驗數據見表2 所示。

表2 PCC 電壓調節實驗數據Tab.2 Experimental data of PCC voltage regulation

可以看出不管是PCC 電壓跌落還是升高，裝置都可以很好的調節PCC 電壓，使PCC 電壓波動范圍穩定在額定值±5%以內，符合國家標準［19］的規定。

感性負荷的投入會降低PCC 電壓，切出會抬升PCC 電壓，容性負荷則與之相反。采用上文所提PCC電壓調節策略，使MMC-BESS 等效為容性或感性，依然可以使PCC 電壓波動范圍穩定在額定值±5%以內。

5 結束語

文中分析了風電場并網功率及PCC 電壓波動的原因，將電池儲能單元與模塊化多電平變換器相結合，研究了MMC-BESS 的補償裝置，與常規方法相比，集有功、無功補償于一個裝置內，簡化了補償系統結構。將其應用到風電場中，可調控有功功率和無功功率，具有快速的四象限功率補償能力，通過搭建實驗平臺，在低壓小功率等級下，模擬風電場并網場景進行驗證，可得如下結論:

(1) 給出了一種基于MMC-BESS 的有功功率波動抑制策略，在模擬風電場并網場景中，使抑制后的風電場并網有功波動功率1 min 內最大功率波動為10 W，即0.05 p.u.，小于0.1 p.u.，符合相關標準的規定，平滑了模擬風電場輸出;

(2) 針對本地負荷的投切而導致的風電場中PCC電壓波動問題，通過檢測PCC 電壓，控制MMC-BESS向PCC 注入的無功功率，進行快速的無功補償，使PCC電壓的波動范圍限制在額定值±5%以內，符合相關標準的規定，提高了模擬風電場的暫態穩定性;

(3) 可以通過增加橋臂子模塊數量及其直流側串聯電池數量來提高裝置電壓等級，用于實際的風電場電能質量治理，具有一定的實用價值。