李國慶,王 鶴,2,李鴻鵬
(1.東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012;2.華北電力大學 電氣與電子工程學院,北京 102206)
風能是一種分布廣泛的清潔能源,隨著風電設備成本的降低和可靠性的提高,風力發(fā)電可以作為微電網(wǎng)中優(yōu)先選擇的分布式電源[1-3]。微電網(wǎng)是較薄弱的小型發(fā)配電網(wǎng)絡,風力發(fā)電的接入會對微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成影響,風速的隨機變化會導致風電功率的明顯波動和電能質量的下降[4-6]。采用雙饋感應發(fā)電機 DFIG(Doubly Fed Induction Generator)的變速恒頻發(fā)電機組是當前風力發(fā)電的主流機型,所以對微電網(wǎng)中DFIG發(fā)電系統(tǒng)控制方法的研究具有重要的意義[7-8]。文獻[9] 利用DFIG對微電網(wǎng)的頻率和電壓進行管理,提高了微電網(wǎng)從并網(wǎng)向孤島運行方式過渡過程中的動態(tài)性能。文獻[10] 提出了一種將由DFIG組成的風電場并入微電網(wǎng)的控制方法,特別適合以風力發(fā)電作為主要電源的微電網(wǎng)使用。文獻[11] 提出了一種基于DFIG的無功功率管理方法,能夠有效地維持系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。
微電網(wǎng)的并網(wǎng)和孤島2種運行方式存在很大區(qū)別,本文針對微電網(wǎng)的并網(wǎng)及孤島運行狀態(tài),分別提出了相應的DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)控制方法。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時DFIG捕獲最大風能,并且計及微電網(wǎng)線路中電阻參數(shù)所占比重較大導致風功率變化引起的電壓波動,采用靈敏度分析的方法根據(jù)有功功率變化調整輸出的無功功率來穩(wěn)定微電網(wǎng)的電壓。微電網(wǎng)孤島運行時,DFIG采用變槳距角控制并結合儲能裝置限制風電功率,使DFIG以頻率和電壓可控的方式工作,通過模擬下垂特性與其他逆變器電源一起協(xié)調控制微電網(wǎng)的頻率和電壓。仿真實驗結果表明本文提出的微電網(wǎng)中DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)控制方法能夠有效地解決風力發(fā)電向微電網(wǎng)中的集成。
本文選擇DFIG風力發(fā)電、微型燃氣輪機、燃料電池和光伏發(fā)電作為分布式電源,使用蓄電池作為儲能裝置,并結合負荷、電力電子接口設備和相應的控制裝置構成微電網(wǎng)的主體結構,如圖1所示。在整體控制策略上,本文采用微電網(wǎng)的分層控制結構[12]。微電網(wǎng)中心控制器MGCC(MicroGrid Central Controller)和負荷控制器 LC(Load Controller)、微電源控制器MC(Microsource Controller)之間需要建立可靠的通信連接。MGCC安裝在中壓-低壓變電站對微電網(wǎng)進行統(tǒng)一的協(xié)調控制;LC和MC從屬于MGCC,分別對具體的負荷和微電源進行控制。
圖1 微電網(wǎng)結構Fig.1 Structure of microgrid
微型燃氣輪機能夠提供25~500 kW的穩(wěn)定功率輸出,具有高燃料利用效率、低廢氣排放水平、低初始安裝費用等優(yōu)點。本文選擇高速單軸結構的微型燃氣輪機 SSMT(Single-Shaft MicroTurbine),使用文獻[13] 中給出的動態(tài)數(shù)學模型。單軸微型燃氣輪機可以直接驅動永磁同步電機發(fā)電,發(fā)出的高頻交流電經(jīng)過整流和逆變之后向電網(wǎng)或者負荷供電。固體氧化物燃料電池SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)是一種在中高溫下直接將燃料中的化學能轉化成電能的新型發(fā)電裝置,屬于第3代燃料電池技術,具有燃料適應性廣、能量轉換效率高、零污染、低噪聲等優(yōu)點。本文采用文獻[14] 中的數(shù)學模型,并在SOFC電池組輸出端接入Buck-Boost直流變換電路,最終通過逆變器將Buck-Boost電路輸出的直流電壓逆變成交流電壓向電網(wǎng)或者負荷供電。光伏發(fā)電是另一種具有廣泛應用前景的分布式電源,具有可再生、無污染、方便靈活、可與建筑集成等優(yōu)點。本文采用文獻[15] 中的光伏發(fā)電模型,使用擾動觀察法來進行最大功率點跟蹤,在給定的溫度和光照條件下,保證光伏發(fā)電系統(tǒng)一直運行在最大功率點附近。此外,本文選擇蓄電池作為儲能裝置,并采用文獻[16] 中的三階動態(tài)數(shù)學模型,其較精確地反映了蓄電池的充放電特性。
本文采用計及定子勵磁電流變化的DFIG數(shù)學模型來研究其在微電網(wǎng)不同運行狀態(tài)下的控制方法。在同步旋轉坐標系下,DFIG的電壓和磁鏈方程如下[17]:
其中,Us、Ur、Is、Ir、Ψs、Ψr分別是定子和轉子電壓、電流和磁鏈矢量;Rs、Rr、Ls、Lr分別是定子和轉子電阻和繞組自感;Lm是定子和轉子之間的互感;ωe是同步電角速度;ωer是轉子電角速度。
計及定子勵磁電流變化,令Imo=LsIs/Lm+Ir,則有下述DFIG數(shù)學模型:
其中,定子和轉子間漏磁系數(shù) σ=1-L2m/(LrLs),轉差電角速度ω1=ωe-ωer。
為了減小風速波動對微電網(wǎng)的影響,本文在DFIG出口處并聯(lián)了由超級電容和蓄電池組成的混合儲能裝置。微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時,DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理如圖2所示,控制方法由轉子變流器控制、最大功率點跟蹤、網(wǎng)側變流器控制、儲能系統(tǒng)控制和功率協(xié)調控制組成。
圖2 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時DFIG控制Fig.2 DFIG control of grid-connected microgrid
DFIG轉子變流器控制采用定子磁鏈定向的矢量控制方法,并且計及定子勵磁電流的變化,在較精確的模型下實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制。對轉子變流器,考慮Us和Ψs的動態(tài)過程,由式(2)可得:
選擇定子磁鏈定向,下標d、q分別表示各變量的d軸和q軸分量。在dq坐標下,有,式(3)可以寫成:
可以根據(jù)式(4)對DFIG的有功功率和無功功率進行解耦控制,定子有功功率和無功功率控制閉環(huán)產生轉子q軸和d軸參考電流I*rq和I*rd,具體的控制原理可參考文獻[18] 。轉子變流器有功功率參考值Pr*由最大功率點跟蹤方法給出,無功功率參考值Qr*由功率協(xié)調控制給出。
為了提高微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時的風能利用效率,需要進行最大功率點跟蹤。假設風速為v,則風輪機能夠捕獲的最大功率可以表示為:
其中,ρ是空氣密度;S是風輪掃風面積,在最大功率點跟蹤算法中都可以看成常數(shù);Cp(λ,β)是風能利用系數(shù),其是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù),文中將其簡寫為Cp,Pw只與Cp有關。本文利用DFIG輸出總功率的單峰特性,采用搜索的方法實現(xiàn)最大功率點跟蹤[19]。
網(wǎng)側變流器控制采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法,如果網(wǎng)側變流器通過一個變壓器與交流電網(wǎng)相連,則:
其中,Ugd是電網(wǎng)電壓Ug的d軸分量;Igd、Igq分別是電網(wǎng)電流Ig的d軸、q軸分量;R和L分別是變壓器的等效電阻和電感;ed、eq分別是變流器輸入控制電壓的d軸和q軸分量。由于采用電網(wǎng)電壓定向Ugd=0,Igd和Igq分別代表了變流器的有功電流分量和無功電流分量,可以實現(xiàn)功率的解耦控制。其d軸參考電流I*gd由直流電壓Udc控制閉環(huán)產生,為轉子變流器提供穩(wěn)定的直流電壓,q軸參考電流Ig*q由無功功率Qg控制閉環(huán)產生,其參考值Q*g由功率協(xié)調控制給出。
混合儲能裝置中逆變器和雙向DC-DC變換器的控制方法參考文獻[20] ,逆變器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。儲能裝置的有功功率和無功功率參考值PC*、QC*均由功率協(xié)調控制給出。微電網(wǎng)并網(wǎng)正常運行時,由大電網(wǎng)幫助維持功率平衡,儲能裝置有功功率設定值PC*=0。
微電網(wǎng)線路的電阻參數(shù)較大,風力發(fā)電有功功率的隨機變化將會導致電壓的明顯波動。本文中的功率協(xié)調控制采用靈敏度分析的方法,根據(jù)捕獲的最大功率Pr*調節(jié)DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的無功功率Q來穩(wěn)定電壓,并將無功功率在定子側(轉子變流器控制)、網(wǎng)側變流器和儲能裝置之間分配。
首先確定Q值,考慮并網(wǎng)接口節(jié)點處的潮流方程,在運行點處將潮流方程線性化:
其中,P是DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的有功功率,U、θ分別是并網(wǎng)接口處電壓的幅值和相角。假設潮流方程的雅可比矩陣是非奇異的,則靈敏度矩陣方程為:
其中,SθP、SθQ、SUP、SUQ均是靈敏度矩陣中的元素,下標中的2個字母代表靈敏度關聯(lián)的2個量。由上式可得由DFIG有功功率和無功功率變化引起的并網(wǎng)接口處的電壓偏移:
為了調節(jié)微電網(wǎng)側并網(wǎng)接口處電壓與大電網(wǎng)側電壓近似一致,DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)應該發(fā)出的無功功率為:
其中,P0、Q0分別是運行點處的有功功率和無功功率,ΔU0是運行點處電壓與微電網(wǎng)并網(wǎng)電壓之間的差值。
由網(wǎng)側變流器優(yōu)先承擔系統(tǒng)要發(fā)出或吸收的無功功率。當網(wǎng)側變流器能力不足時,由定子側補充,這一優(yōu)先順序考慮了定子側發(fā)出無功功率時定子電流增加所造成的損耗。當DFIG本身發(fā)出或吸收的無功功率不能滿足電壓管理要求時,由儲能裝置提供支持。
當微電網(wǎng)孤島運行時,與大電網(wǎng)的連接斷開。為了維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行,需要對DFIG的輸出功率進行限制。此時,DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)的控制原理如圖3所示,控制方法由轉子變流器控制、槳距角控制、網(wǎng)側變流器控制、儲能系統(tǒng)控制和功率協(xié)調控制組成。其中網(wǎng)側變流器控制和儲能系統(tǒng)控制采用的方法與微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時相同,不再介紹。轉子變流器仍然采用定子磁鏈定向的矢量控制方法,但是定子磁鏈Ψs不再由定子側電壓Us決定,而是受勵磁電流幅值Imo控制。Ψs的相位角θs不再通過觀測Us得到,而是通過對定子電壓頻率參考值f*s的積分得到。DFIG不再捕捉最大風功率,而是表現(xiàn)為一個電壓和頻率可控的交流電源[21]。
圖3 微電網(wǎng)孤島運行時DFIG控制Fig.3 DFIG control of islanded microgrid
從上式可以看出,在dq坐標系下,定子磁鏈可以通過勵磁電流Imo控制,并且為了實現(xiàn)定子磁鏈定向,Irq需要根據(jù)Isq進行調整,故選擇參考值如下:
其中,fs是DFIG定子側電壓頻率,U*s是定子側電壓幅值的參考值。
由式(2),考慮Ψsq=0,可以將定子側電壓方程簡化為:
令定子時間常數(shù) τms=Ls/Rs,定子漏磁系數(shù)σs=(Ls-Lm)/Lm,有:
由上式,考慮到微電網(wǎng)穩(wěn)定運行時Us變化較小,Imo可以通過定子d軸電流Isd控制。
由式(11)—(14),通過上述定子磁鏈定向的矢量控制方法,DFIG可以看作是一個頻率和電壓可控的交流電源。該方法最大的缺點是不能夠直接控制DFIG的轉矩,因為Isq由負載決定,Irq必須跟蹤Isq的變化而不能用來控制轉矩。
本文采用槳距角控制來間接控制DFIG的轉矩,式(5)中風能利用系數(shù)由下式確定:
其中,N是齒輪比,ωr是軸角速度。則槳距角控制的參考值為:
其中,Pn是設定的負荷有功功率需求,C*p、λ*、β*、ω*r分別是各變量的參考值。將上式線性化,用下標0表示線性化的點,符號δ表示變量在線性化點附近的微小增量,得到:
DFIG的轉矩和轉速由下式?jīng)Q定:
其中,Tm和Te分別是DFIG的機械轉矩和電磁轉矩,J是轉動慣量。同樣將上式線性化,有:
進一步整理,得:
其中,M1—M8、N1—N3是計算的中間變量。設 τβ是槳距角變化的時間常數(shù),則槳距角的動態(tài)變化滿足如下關系:
由槳距角和轉速構成狀態(tài)變量,由式(21)和式(23)可以得出狀態(tài)方程為:
式(24)中狀態(tài)變量、輸入變量和擾動分別為:
系數(shù)矩陣分別為:
槳距角控制的最大調節(jié)速度受機械調整部件的限制,本文中限制最大調節(jié)速度為±3°/s,所以槳距角控制需要具有良好的阻尼。經(jīng)過反復實驗驗證,本文選擇閉環(huán)極點為-0.15和-1.5,此時系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài),阻尼比為1.7。該閉環(huán)極點設置能夠同時滿足限制最大調節(jié)速度和較快速響應的要求。根據(jù)閉環(huán)極點的設置方法,此時相應的反饋系數(shù)為kf1=0.65,kf2=-0.88。綜合上述分析,槳距角控制的輸入信號由下式產生:
DFIG的功率協(xié)調控制負責配合槳距角控制維持DFIG的功率平衡。當可用風功率Pw<Pn時,不進行槳距角調整,使β=0,功率協(xié)調控制設定儲能系統(tǒng)來補充風功率的不足。當Pw>Pn時,由風功率提供全部Pn,并且優(yōu)先通過槳距角控制調整DFIG輸出的有功功率。由于槳距角控制響應較慢,當調節(jié)能力不足時,由儲能裝置配合調節(jié)。本文通過設定槳距角控制中轉子角速度ωr的上、下限ωrh和ωrl與儲能裝置協(xié)調,即令:
當風速增加,槳距角控制不滿足要求,轉子角速度ωr>ωrh時,功率協(xié)調控制通過設定儲能系統(tǒng)的PC*來吸收額外的功率;當風速降低,轉子速度ωr<ωrl時,功率協(xié)調控制設定PC*來補充不足的功率需求。在孤島運行時,本文選擇儲能系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)出或吸收無功功率。
微電網(wǎng)孤島運行時,DFIG的有功功率和無功功率需求Pn和Qn由下垂特性給出。本文中DFIG采取可變的下垂系數(shù),當風速變化較大時,可以通過改變下垂系數(shù)來修改Pn,既降低了儲能裝置的充放電次數(shù),又避免了風電功率與需求功率差額較大時儲能裝置的能力不足。
可變下垂系數(shù)由預先設定好的幾組不連續(xù)下垂系數(shù)組成。每組中所有分布式電源的下垂系數(shù)之和相等,這樣能夠保證微電網(wǎng)頻率和電壓的單位調節(jié)功率是固定的,下垂系數(shù)調整的結果是使負荷在各個分布式電源中重新分配。在其他分布式電源容量允許的情況下,幾組下垂系數(shù)按照DFIG承擔的負荷比例從大到小順序排列。設定DFIG可用風電功率Pw和需求功率Pn之間差額的閾值,當Pw-Pn<0時,將下垂系數(shù)調整為后一組,減少DFIG承擔的負荷比例,即減少 Pn和 Qn;反之,當 Pw-Pn>0.2 p.u.時,將下垂系數(shù)調整為前一組,增加Pn和Qn。
因為風功率具有隨機性,下垂系數(shù)的修改不能是連續(xù)實時的,否則會因下垂系數(shù)的頻繁變化影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行??梢栽O定每間隔一段時間檢測一次,如果調整的閾值條件滿足并保持2 s,則對下垂系數(shù)進行調整。
本文采用PSCAD/EMTDC仿真軟件搭建了微電網(wǎng)仿真實驗平臺。本文共有2個算例,采用圖1中的微電網(wǎng)結構,DFIG、微型燃氣輪機、燃料電池、光伏發(fā)電和蓄電池5條線路都是380 V線路,參數(shù)為R1=0.641ω /km,X1=0.101ω /km,5 條線路長度分別為200 m、400 m、200 m、200 m和20 m。大電網(wǎng)側線路為10 kV線路,參數(shù)為 R2=0.347ω /km,X2=0.2345ω /km,線路長度為 1000 m。此外,DFIG、微型燃氣輪機、燃料電池和光伏發(fā)電的主要參數(shù)詳見參考文獻[13-17] 。
算例1:微電網(wǎng)并網(wǎng)運行,微型燃氣輪機、燃料電池和光伏發(fā)電都采用PQ控制,DFIG跟蹤最大風功率,仿真實驗結果見圖4。
圖4(a)中轉速、直流側電壓及轉矩為標幺值。從圖中可看出,仿真實驗采用的風速在10~12.5 m/s之間變化。通過最大風功率跟蹤,DFIG轉速隨風速變化。當風速變化較慢時,轉速的實際值與控制的設定值基本保持一致;當風速發(fā)生突變時,轉速的實際值會短時偏離設定值,并逐漸跟蹤設定值的變化。在整個仿真實驗過程中,DFIG直流側電壓保持穩(wěn)定,DFIG的電磁轉矩Te和機械轉矩Tm保持平衡,與捕獲的風功率變化相一致。
圖4 微電網(wǎng)并網(wǎng)運行DFIG仿真結果Fig.4 Simulative results of DFIG control for grid-connected microgrid
圖4(b)中縱軸均為標幺值,前2幅圖分別給出了采用單位功率因數(shù)控制和采用靈敏度分析方法控制無功功率時DFIG的功率仿真實驗結果。2種情況下DFIG的有功功率P相同,都捕獲了最大的風能。單位功率因數(shù)控制時DFIG不發(fā)出無功功率,Q=0,采用靈敏度分析方法控制時發(fā)出的無功功率Q隨有功功率P變化而不斷調整。第3幅圖中Qg和Qs分別表示采用靈敏度分析方法時網(wǎng)側變流器和定子側發(fā)出的無功功率,從圖中可以看出Q優(yōu)先由網(wǎng)側變流器承擔,當網(wǎng)側變流器能力不足時才由定子側負責承擔。第4幅圖給出了2種情況下并網(wǎng)接口處節(jié)點電壓的比較,可以看出采用單位功率因數(shù)控制時電壓Urms1受DFIG有功功率變化的影響有明顯的波動,而采用靈敏度分析方法控制DFIG的無功功率后電壓Urms2得到改善。
算例2:微電網(wǎng)孤島運行,光伏發(fā)電采用PQ控制,跟蹤最大功率約16 kW,微型燃氣輪機、燃料電池和DFIG都模擬下垂特性,仿真開始時微型燃氣輪機和燃料電池下垂系數(shù)選擇為kP1=100 kW/Hz、kQ1=1.31579 kvar/V,運行點為 40 kW、380 V,DFIG 下垂系數(shù)選擇為 kP2=200 kW/Hz、kQ2=1.31579 kvar/V,運行點為80 kW、380 V??勺兿麓瓜禂?shù)采用較簡單的情況,只在10 s時刻進行一次檢測,并且只采用2組下垂系數(shù)。除初始下垂系數(shù)之外,另一組下垂系數(shù)設置為 kP1=150 kW /Hz、kQ1=1.315 79 kvar/V ,kP2=100 kW/Hz、kQ2=1.315 79 kvar/V。負荷參數(shù)為 P1=45 kW,Q1=8 kvar,P2=55 kW,Q2=6 kvar,P3=40 kW,Q3=6 kvar,在10 s時刻有功負荷突然增至P1=85 kW,P2=85 kW,P3=90 kW,在20 s時刻,有功負荷突然增加到P1=120 kW,P2=125 kW,P3=95 kW。采用恒定下垂系數(shù)和可變下垂系數(shù)2種情況下的仿真實驗結果如圖5所示。
圖5(a)中可用風功率為標幺值,由圖可見仿真實驗使用的風速與算例1相同。從圖中可以看出,可用的最大風功率隨風速不斷變化,而且2種情況下系統(tǒng)的頻率變化基本相同。這是因為下垂系數(shù)的調整中保證微電網(wǎng)頻率和電壓的單位調節(jié)功率不變,雖然下垂系數(shù)發(fā)生了變化,但整體上相同的功率變化引起的頻率變化相同,只是負荷在分布式電源之間進行了重新分配。
圖5 微電網(wǎng)孤島運行DFIG仿真結果Fig.5 Simulative results of DFIG control for islanded microgrid
圖5(b)中縱軸均為標幺值,前2幅圖分別給出了2種情況下DFIG的有功功率設定值Pn和實際值Pw。第1幅圖采用恒定下垂系數(shù)時DFIG有功功率不能滿足下垂控制給出的設定值,第2幅圖在可變下垂系數(shù)情況下,DFIG基本可以承擔全部由下垂控制給出的有功功率設定值。后2幅圖分別是儲能裝置在2種情況下的有功功率和無功功率對比,下標1表示恒定下垂系數(shù),下標2表示可變下垂系數(shù)。從圖中可以看出,無功功率下垂系數(shù)在調整時保持不變,所以2種情況下DFIG的無功功率基本相同。下垂系數(shù)控制模塊在10 s時刻檢測到Pw-Pn<0,并保持2 s,滿足調整條件,將下垂系數(shù)調整為后一組。此時,kP2由 200 kW /Hz 變?yōu)?100 kW /Hz,Pn由 0.6 p.u.變成0.4 p.u.。原本DFIG風功率無法滿足負荷功率需求,調整后能夠滿足。從后2幅圖中可以看出,恒定下垂系數(shù)時需要儲能裝置不斷配合平衡風功率的變化,而采用可變下垂系數(shù)時通過改變Pn使負荷的需求主要由風功率提供,避免了儲能裝置的頻繁動作和能力不足。
圖5(c)是2種情況下DFIG轉速和槳距角的變化情況,槳距角控制的最大調節(jié)速度為±3°/s,圖中轉速為標幺值。從圖中可以看出,采用可變下垂系數(shù)時DFIG的轉速和槳距角變化比恒定下垂系數(shù)時平緩得多,避免了短期的快速反復調節(jié)。
本文提出了一種微電網(wǎng)中DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)的控制方法,該方法充分考慮了微電網(wǎng)2種運行方式的特點。并網(wǎng)運行時通過最大功率跟蹤充分利用風能,并且利用靈敏度分析方法穩(wěn)定風功率變化引起的電壓波動;孤島運行時模仿下垂特性與其他分布式電源一起協(xié)調控制微電網(wǎng)的頻率和電壓,通過同步設置可變的下垂系數(shù)調整DFIG的有功需求,并通過槳距角控制和儲能裝置的支持調節(jié)DFIG的有功功率輸出。仿真實驗結果表明本文提出的方法能夠有效克服風速變化對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行的影響,實現(xiàn)風能的高效可靠利用。