黨存祿，林國富

（蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著風力發(fā)電裝機容量及并網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，風能的不確定性導致風電機組輸出波動的功率，并網(wǎng)后給局部薄弱電網(wǎng)帶來不容忽視的負面影響；電網(wǎng)電壓跌落時，給風電系統(tǒng)的運行帶來一系列暫態(tài)過程，此時如果大量風電機組不具備低電壓穿越 能力而脫網(wǎng)，會增加電網(wǎng)電壓的恢復難度[1]。

對于直驅(qū)風電系統(tǒng)存在的輸出功率波動問題，科研人員提出在全風速范圍內(nèi)，結(jié)合變槳距和變速控制來平滑發(fā)電機的輸出功率[2]，但該方法的風能利用率不高；利用變換器直流環(huán)節(jié)電壓的變化和漿距角協(xié)調(diào)控制來平滑風電系統(tǒng)的輸出功率[3]，但該方法會導致直流電容頻繁地充放電，降低了直流電容的使用壽命。對于直驅(qū)風電系統(tǒng)存在的低電壓穿越問題可通過改進控制策略的方法解決[4]，這種方法沒有額外成本，但從能量守恒角度來看，不可能從根本上解決電網(wǎng)故障期間由于暫態(tài)能量過剩而引起的過電壓、過電流問題，只能在電壓、電流之間達到一種較好的均衡狀態(tài)，減小故障期間過電壓、過電流對風電機組的影響；還可采用在變換器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)耗能電阻，使電網(wǎng)電壓跌落期間直流環(huán)節(jié)積累的能量被電阻消耗掉的方法解決[5]，這也是目前實踐中普遍應(yīng)用的方法，但在電網(wǎng)電壓跌落期間，直流環(huán)節(jié)積累的能量被白白浪費了。

超導儲能系統(tǒng)（Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES）具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高及循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點[6]。其毫秒級響應(yīng)速度非常適合用于需要短時快速進行功率調(diào)節(jié)的場合。文獻[7]中將SMES通過變壓器連接于風電場的交流母線上，來平滑整個風電場的并網(wǎng)功率；文獻[8]中采用與文獻[7]中相同的結(jié)構(gòu)，來提高風電場的暫態(tài)穩(wěn)定性，但這樣的連接方式所需SMES容量較大，考慮經(jīng)濟性，應(yīng)用SMES以中小型為主[9]，同時采用這樣的連接方式會使風電場對SMES的依賴性過強，一旦變壓器或SMES遇到檢修或故障情況，風電場的并網(wǎng)運行將再次出現(xiàn)輸出功率波動和暫態(tài)穩(wěn)定性問題。文獻[10]中提出了將SMES連接于直驅(qū)風電系統(tǒng)變換器直流環(huán)節(jié)，來解決直驅(qū)風電系統(tǒng)的輸出功率波動和低電壓穿越問題，但文中并沒有考慮在SMES實際運行過程中超導磁體線圈電流水平的監(jiān)測問題。

因此，本文進一步研究將SMES并聯(lián)在直驅(qū)風電系統(tǒng)變換器直流環(huán)節(jié)，一方面對SMES斬波器提出雙閉環(huán)加脈沖判斷的控制策略，確保超導磁體線圈電流水平在允許的范圍內(nèi)，使SMES快速、準確地充放電；另一方面在常規(guī)直驅(qū)風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器控制策略中加入諧振控制器，實現(xiàn)對負序分量引起波動的有效控制，從而解決直驅(qū)風電系統(tǒng)并網(wǎng)運行過程中存在的輸出功率波動和低電壓穿越問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，風機直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機（Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG），PMSG 發(fā)出的電能經(jīng)變換器送至電網(wǎng)，SMES 接于變換器的直流環(huán)節(jié)。

電網(wǎng)電壓正常時，當風速變化使得PMSG 輸出功率大于系統(tǒng)并網(wǎng)功率參考值時，通過控制斬波器的S1管恒通，S2管斬波，將多余的能量存儲在SMES中；當風速的變化使得PMSG 輸出功率小于系統(tǒng)并網(wǎng)功率參考值時，通過控制斬波器的S1管恒斷，S2管斬波，將SMES 中存儲的能量釋放出來，補充功率缺額。保證直驅(qū)風電系統(tǒng)最大限度地捕獲風能的同時，向電網(wǎng)輸送較為平滑的有功功率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

電網(wǎng)電壓不對稱跌落時，機側(cè)變換器保持其控制方式不變，通過對斬波器的控制，SMES 吸收直流環(huán)節(jié)所積累的能量，穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電壓；通過對網(wǎng)側(cè)變換器的控制，維持并網(wǎng)電流平衡，抑制并網(wǎng)功率波動，保證直驅(qū)風電系統(tǒng)繼續(xù)并網(wǎng)運行。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 機側(cè)變換器控制策略

變換器控制框圖如圖2所示，機側(cè)變換器轉(zhuǎn)速參考值ω*由最大功率點跟蹤控制算法給出[11-12]，無功電流分量isd的參考值isd*設(shè)定為零。

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

電網(wǎng)電壓不對稱跌落，采用常規(guī)的控制方式時，由于負序分量的存在，網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流在d-q坐標系中會出現(xiàn)2 倍于電網(wǎng)頻率的波動，威脅變換器的穩(wěn)定運行，向電網(wǎng)注入諧波?？紤]到負序分量帶來的不利影響，在網(wǎng)側(cè)變換器常規(guī)控制策略中加入諧振控制器[13-15]，對負序分量引起的2 倍于電網(wǎng)頻率的波動實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差控制。

圖2 中直流環(huán)節(jié)電壓偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到并網(wǎng)電流d 軸參考值，無功功率偏差（?。┙?jīng)功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到并網(wǎng)電流q 軸參考值，即

并網(wǎng)電流d、q軸電流偏差經(jīng)比例積分諧振控制器調(diào)節(jié)后，加上前饋解耦控制補償量得到在d-q坐標系中調(diào)制電壓參考值，即

其中，Gr(s)為諧振控制器的傳遞函數(shù)，表達式為

式中：ωg為電網(wǎng)角頻率；Kr為諧振系數(shù)；ωc為截止頻率。調(diào)制電壓d、q軸參考值再經(jīng)過坐標變換，采用空間矢量調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生開關(guān)管的觸發(fā)脈沖。

諧振控制器對頻率為2ωg的信號增益大，而對其他頻率的信號衰減作用強，當并網(wǎng)電流d、q軸分量不含2倍于電網(wǎng)頻率的波動時，諧振控制器不起作用，網(wǎng)側(cè)變換器控制變成常規(guī)的雙閉環(huán)控制。

圖 2 變換器控制框圖Fig.2 Block diagram of converter control

2.3 SMES斬波器控制策略

變換器直流環(huán)節(jié)功率方程為（忽略損耗）

有功功率的偏差經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到SMES輸出電流參考值，即

式中：Ps為PMSG輸出的有功功率；Pdc為直流環(huán)節(jié)吸收的有功功率；Pg為風電系統(tǒng)并網(wǎng)的有功功率。

電網(wǎng)電壓正常時，在Ps變化的前提下，要使Pg保持不變，通過控制斬波器，使SMES實時吸收、釋放能量來改變Pdc即可。有功功率平滑參考值由計算平均值的方法給出，即

is1*與SMES輸出電流實際值is1比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到斬波器占空比d1，即

式中：np為PMSG極對數(shù)；Ψf為PMSG轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；isq為PMSG定子q軸電流。

SMES雙向DC/DC斬波器控制框圖如圖3所示。

圖 3 SMES斬波器控制框圖Fig.3 Block diagram of SMES chopper control

再結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生斬波器的驅(qū)動信號，經(jīng)脈沖判斷后控制斬波器開關(guān)管的通斷。

電網(wǎng)電壓跌落時，要控制變換器直流環(huán)節(jié)電壓在允許的范圍內(nèi)，仍采用上述雙閉環(huán)的控制方式，只是將功率外環(huán)變成電壓外環(huán)。

通過控制開關(guān)實現(xiàn)上述兩種控制策略的切換，系統(tǒng)運行時，實時檢測電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓正常時，控制開關(guān)接于端口1，SMES按照平滑功率波動的方式運行；電網(wǎng)電壓跌落時，控制開關(guān)切換至端口2，SMES按照提高系統(tǒng)低電壓穿越能力的方式運行。

由于SMES運行的過程中，必須監(jiān)測超導磁體線圈的電流，使其運行在一定范圍內(nèi)才能保證SMES的正常工作[16-17]，因此在斬波器的控制過程中引入脈沖判斷環(huán)節(jié)，當超導線圈的電流水平滿足系統(tǒng)功率/電壓指令需求時，根據(jù)功率/電壓偏差的正負，確定觸發(fā)脈沖的極性的同時，產(chǎn)生S1管通/斷的驅(qū)動信號；當超導線圈的電流水平不滿足系統(tǒng)功率/電壓指令需求時，則根據(jù)超導線圈的電流水平對功率/電壓指令進行適當修改，保證SMES的正常運行；當超導磁體的電流水平越限時，對系統(tǒng)的功率/電壓需求不做出響應(yīng)，根據(jù)功率偏差/電壓偏差的正負，產(chǎn)生SMES工作于續(xù)流狀態(tài)的驅(qū)動信號。

3 仿真研究

利用Matlab/Simulink軟件，對圖1所示系統(tǒng)進行仿真。仿真參數(shù)為：風電機組額定功率1.5 MW，直流環(huán)節(jié)電容68 mF，額定電壓1 200 V，電網(wǎng)額定電壓690 V，額定頻率50 Hz，濾波電感2 mH，SMES容量2.577 MJ，超導磁體電感5.6 H，開關(guān)頻率2 kHz。機側(cè)變換器外環(huán)Kp=4.6、Ki=138，內(nèi)環(huán)Kp=52、Ki=180，網(wǎng)側(cè)變換器外環(huán)Kp=3.3、Ki=120，內(nèi)環(huán)Kp=45、Ki=235、Kr=75、ωc=π/2、ωg=314，SMES斬波器外環(huán)Kp=0.3、Ki=25，內(nèi)環(huán)Kp=5.8、Ki=30。風速信號由風速四分量模型獲得，參照文獻[18]的描述設(shè)定允許的輸出功率波動水平為±15%。電網(wǎng)電壓在1.84 s出現(xiàn)兩相跌落，在2.84 s出現(xiàn)單相跌落，電壓跌落至額定值的30%，跌落持續(xù)時間為0.12 s。

3.1 功率平滑控制仿真分析

圖4 功率平滑控制仿真波形Fig.4 Simulation results of power smooth control

電網(wǎng)電壓正常，SMES 平滑直驅(qū)風電系統(tǒng)輸出有功功率時的仿真波形如圖4所示，從圖中可知，PMSG 輸出功率波動較大，最大值達到1.5 MW 而 最小值不足0.5 MW，當PMSG輸出的有功功率高于功率平滑的參考值時，SMES吸收了多余的能量；當PMSG輸出的有功功率低于功率平滑的參考值時，SMES釋放能量，補充了功率缺額。經(jīng)過SMES調(diào)節(jié)后，風電系統(tǒng)實際注入電網(wǎng)的有功功率較為平滑，穩(wěn)定在0.85 MW左右，最大波動約12%，被限定在允許的范圍內(nèi)。

3.2 低電壓穿越性能仿真分析

常規(guī)直驅(qū)風電系統(tǒng)兩相、單相電壓跌落仿真波形如圖5、圖6所示，從圖中可知，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對稱跌落后，系統(tǒng)并網(wǎng)電流幅值增加，波形出現(xiàn)畸變，三相之間嚴重不平衡；系統(tǒng)并網(wǎng)有功功率和直流環(huán)節(jié)電壓均出現(xiàn)了2 倍于電網(wǎng)頻率的波動，電網(wǎng)電壓恢復正常后，直流環(huán)節(jié)電壓恢復較慢。

與圖5、圖6 中相同的電壓跌落條件下，本文研究的直驅(qū)風電系統(tǒng)仿真波形如圖7、圖8所示，從圖中知，電網(wǎng)電壓發(fā)生不對稱跌落后，在SMES和網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制下，系統(tǒng)并網(wǎng)電流中的負序分量得到有效的抑制，三相電流之間基本保持平衡，并網(wǎng)有功功率沒有出現(xiàn)2 倍于電網(wǎng)頻率的波動，直流環(huán)節(jié)電壓波動維持在允許的范圍內(nèi)。

圖5 常規(guī)直驅(qū)風電系統(tǒng)兩相電壓跌落仿真波形Fig.5 Simulation results of two phase voltage sags for conventional direct-driven wind power system

圖6 常規(guī)直驅(qū)風電系統(tǒng)單相電壓跌落仿真波形Fig.6 Simulation results of single phase voltage sag for conventional direct-driven wind power system

圖7 本文研究的直驅(qū)風電系統(tǒng)兩相電壓跌落仿真波形Fig.7 Simulation results of two phase voltage sags for direct-driven wind power system in this paper

圖8 本文研究的直驅(qū)風電系統(tǒng)單相電壓跌落仿真波形Fig.8 Simulation results of single phase voltage sag for direct-driven wind power system in this paper

4 結(jié)論

本文研究了將SMES 應(yīng)用到并網(wǎng)直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中，通過SMES 調(diào)整變換器直流環(huán)節(jié)的功率，改進控制策略，使得電網(wǎng)電壓正常時，直驅(qū)風電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送較為平滑的有功功率，而電網(wǎng)電壓跌落時，直驅(qū)風電系統(tǒng)低電壓穿越能力得到提升。仿真結(jié)果很好地說明了方案的正確性和有效性。

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