歐陽慧珉, 張廣明， 顧 劍， 黃宇程

(南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

0 引 言

風(fēng)能作為一種清潔高效的可再生能源，受到了世界范圍的青睞[1]。隨著總裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出電能對并網(wǎng)系統(tǒng)的影響越來越突出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率存在大的波動，直接并網(wǎng)會威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，研究和解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題具有實(shí)際意義。

目前，主要通過控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]和控制槳距角[3-4]來實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率柔性控制。前者使風(fēng)電場輸出的有功功率能很好地跟蹤所給定功率曲線，但該方法調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出的最大有功功率不足以滿足要求時，就失去了作用。后者通過對槳距角的控制來改變風(fēng)機(jī)的迎風(fēng)面，盡可能地捕獲到相對平穩(wěn)的風(fēng)速，從而使風(fēng)電場輸出波動相對較小的功率。該方法的缺點(diǎn)是在風(fēng)速變化較快時，由于變槳距機(jī)構(gòu)的慣性較大，機(jī)構(gòu)無法很好地捕捉到平滑的風(fēng)能。

飛輪儲能系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 對環(huán)境沒有污染，綠色環(huán)保；(2) 能量轉(zhuǎn)換效率高；(3) 性能較穩(wěn)定，受外界因素影響較?。?4) 無限次充放電，且充放電迅速，壽命長；(5) 系統(tǒng)維護(hù)簡單，對地形沒有特殊要求。飛輪儲能已廣泛用來實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率控制[5-10]。當(dāng)儲能系統(tǒng)連入并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時，可通過對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功、無功功率的快速跟蹤并根據(jù)需要對有功、無功功率進(jìn)行吸收和補(bǔ)償，使風(fēng)電系統(tǒng)的輸出滿足并網(wǎng)要求。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)輸出的電能大于電網(wǎng)所需電能時，儲能系統(tǒng)吸收多余的電能；當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)的輸出電能不能滿足電網(wǎng)的電能需求時，儲能系統(tǒng)釋放其存儲的能量供給電網(wǎng)，從而達(dá)到柔性控制目的。

本文通過雙脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Mod-ulation, PWM)變流器將風(fēng)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)間能量雙向流動，從而調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。在瞬時功率理論研究的基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率采用內(nèi)、外環(huán)相結(jié)合的控制策略。網(wǎng)側(cè)PWM變流器采用直流側(cè)電壓和無功功率的外環(huán)控制，儲能側(cè)PWM變流器則采用直接功率控制策略，雙PWM變流器的內(nèi)環(huán)控制均采用dq軸電流的解耦控制。仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 含有飛輪儲能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 引入儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

引入儲能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、并聯(lián)電容器組等部分組成。并聯(lián)電容器組為感應(yīng)電機(jī)的起動和運(yùn)行提供足夠的無功補(bǔ)償，維持輸出端電壓的恒定。飛輪儲能單元通過雙電壓源PWM型變流器和連接電抗器接到感應(yīng)發(fā)電機(jī)母線上。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不能滿足電網(wǎng)的需要時，以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)母線上的有功、無功功率作為雙PWM變流器的控制信號來驅(qū)動儲能系統(tǒng)向風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電；反之，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能多于電網(wǎng)所需的電能時，儲能系統(tǒng)吸收多余的電能，從而平抑系統(tǒng)的輸出功率，保證輸入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2 功率控制器設(shè)計(jì)

2.1 瞬時功率理論

在abc三相坐標(biāo)系中，設(shè)ea，eb，ec為三相瞬時電壓，ia，ib，ic為三相瞬時電流，則有功瞬時功率和無功瞬時功率分別為

(1)

abc三相坐標(biāo)系中的瞬時電壓、電流經(jīng)Clarke變換和Park變換，得到dq坐標(biāo)系中的瞬時電壓ed、eq，瞬時電流id、iq。

有功瞬時功率和無功瞬時功率化為

(2)

2.2 儲能側(cè)變流器控制器設(shè)計(jì)

儲能側(cè)變流器采用有功和無功功率控制。通過儲能側(cè)變流器對有功和無功功率指令值的快速跟蹤形成電壓外環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制則是對輸入的d軸和q軸電流進(jìn)行解耦控制。儲能側(cè)變流器控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 儲能側(cè)變流器控制器結(jié)構(gòu)

在外環(huán)中，取電壓矢量的方向?yàn)閐軸方向，則電壓矢量的模等于d軸的電壓分量，根據(jù)瞬時功率理論和式(2)可得

(3)

有功功率和無功功率控制，即儲能側(cè)變流器外環(huán)控制如圖3所示。圖中Pref為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要輸出的有功功率，P為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際輸出的有功功率，通過兩者相減可得到儲能系統(tǒng)所需要吸收或釋放的有功功率的指令值，再除以d軸的電壓分量可得到儲能側(cè)有功電流的指令值idref。同理，得到儲能側(cè)無功電流的指令值iqref。

圖3 儲能側(cè)變流器外環(huán)控制

在內(nèi)環(huán)中，根據(jù)背靠背雙PWM變流器在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可得儲能側(cè)變流器的電壓方程為

(4)

式中：ud1、uq1——儲能側(cè)變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量；

ed1、eq1——儲能系統(tǒng)的d、q軸電壓分量。

從式(4)可知，ud1、uq1分別受交叉耦合項(xiàng)ωLiq1和-ωLid1的影響，給控制器設(shè)計(jì)帶來很大困難，故須對外環(huán)輸出電流的dq軸分量進(jìn)行解耦。針對這一情況，令

(5)

將式(4)代入式(5)整理得

(6)

式中，kp1、kp2、ki1、ki2分別為PI控制器的參數(shù)。

可知當(dāng)參數(shù)使上式成立時，就能實(shí)現(xiàn)功能，同時也對電流實(shí)現(xiàn)了dq軸解耦控制。

儲能側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制如圖4所示。該內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)了dq軸電流的解耦控制，得到了輸出電壓信號，然后根據(jù)PWM的空間矢量控制技術(shù)(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)產(chǎn)生脈沖信號，來控制變流器工作。

圖4 儲能側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制

另外,電網(wǎng)側(cè)變流器采用的是定直流電壓和無功功率控制。通過直流側(cè)電壓和無功功率來確定內(nèi)環(huán)的參考電流值。內(nèi)環(huán)則通過dq軸電流解耦控制得到輸出電壓信號。

電網(wǎng)側(cè)的內(nèi)環(huán)同樣采用的是dq軸電流的解耦控制，通過對dq軸電流指令值的跟蹤來得到電壓。電網(wǎng)側(cè)變流器的內(nèi)環(huán)控制與儲能側(cè)變流器的內(nèi)環(huán)控制類似，在此不再贅述。

3 參數(shù)的選擇

3.1 電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

由于電流內(nèi)環(huán)中d軸和q軸的電流控制結(jié)構(gòu)相同，這里以q軸電流為例設(shè)計(jì)控制器。電流內(nèi)環(huán)控制器的傳遞函數(shù)框圖如圖5所示。

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制器的傳遞函數(shù)框圖

則閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

此時該系統(tǒng)為典型的二階系統(tǒng)，有

(8)

由于采用SVPWM方式時，kPWM的值為1，則

(9)

(10)

整理得閉環(huán)傳遞函數(shù)

(11)

3.2 電壓外環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)框圖如圖6所示。

圖6 電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)框圖

整理得開環(huán)傳遞函數(shù)為

(12)

其中，C為直流側(cè)的電容，Tc=τ1+3T，τ、τ1為延遲時間。

(13)

頻寬h通常取值為5，得

τ=5(τ1+3T)

(14)

(15)

4 仿真研究

4.1 仿真模型

在MATLAB/Simulink環(huán)境中對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。采用給直流電源添加階躍信號后經(jīng)逆變器得到波動交流信號模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，用三相電壓源模擬吸收和釋放能量的儲能系統(tǒng)。主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出

本文采用加入階躍信號的直流源來模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的輸出，其輸出電壓、電流分別如圖7、圖8所示。

圖7 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓

圖8 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電流

4.2.2 飛輪儲能系統(tǒng)抑制風(fēng)電輸出功率波動

未經(jīng)飛輪儲能系統(tǒng)作用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波形如圖9所示，可看出由于風(fēng)能的波動，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始輸出功率存在明顯的波動。

圖9 未經(jīng)飛輪儲能系統(tǒng)作用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波形

經(jīng)飛輪儲能系統(tǒng)作用后的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率如圖10所示。由圖可知，有功功率經(jīng)短暫調(diào)整后在0.1s前就穩(wěn)定在約15kW，在 0.2s 和0.4s兩個時刻，有功功率突然波動，但在短暫的調(diào)整后回到了原來的位置。有功功率的輸出表明了該控制系統(tǒng)的有效性，對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)波動輸出，系統(tǒng)的控制策略起到了平滑輸出功率的作用，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出在儲能環(huán)節(jié)的作用下保持平滑。

圖10 經(jīng)飛輪儲能系統(tǒng)作用后的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率

5 結(jié) 語

本文針對風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的波動問題提出了一種基于飛輪儲能裝置的功率柔性控制策略。采用外環(huán)控制確定電流參考值和通過內(nèi)環(huán)解耦得到變流器工作的電壓信號相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，從儲能側(cè)變流器控制器和電網(wǎng)側(cè)變流器控制兩個方面分別設(shè)計(jì)了控制器。仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

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