劉穎明，徐中民，王曉東

（沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110021）

由于風的隨機性、間歇性、波動性特點，風電機組輸出的有功功率常常隨著風速的變化而波動。隨著風電系統(tǒng)的大規(guī)模并網(wǎng)，風力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響越來越突出，大的功率波動會對電網(wǎng)的電壓和頻率帶來顯著影響，引起諸如系統(tǒng)電壓頻率波動、失衡、諧波、畸變及閃變等一系列問題，嚴重時甚至會使電網(wǎng)崩潰。因此，平滑風電機組輸出的有功功率，對于提高電網(wǎng)的風電接納能力具有重要的 意義[1]。

目前平抑風電場功率波動的方法主要有兩種。一種是通過對風電機組的控制，利用風機自身的轉(zhuǎn)動慣性存儲或舍棄部分風能，達到平滑風電功率波動的目的，但是該方法調(diào)節(jié)能力有限且不能充分利用風能[2-4]；另一種是給風電場配置儲能裝置，可以在風能利用最大化的條件下有效減小風電功率的隨機性和波動性給電網(wǎng)造成的影響[5-7]。由于飛輪儲能系統(tǒng)具有功率密度高、無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高以及使用壽命長等優(yōu)點，其非常適合于為風能等間歇式能源提供瞬時功率支持[6]。

本文通過分析風電系統(tǒng)和飛輪儲能裝置的特性及其控制方式，提出了一種含飛輪儲能裝置的風電系統(tǒng)控制策略。對風電場輸出到電網(wǎng)的有功功率進行濾波處理，利用飛輪儲能裝置來補償風電系統(tǒng)輸出功率中的波動成分，以實現(xiàn)風電系統(tǒng)輸出有功功率的平滑控制。最后通過仿真驗證了所提出的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略平滑有功功率的有效性。

1 含飛輪儲能裝置的風力發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

含飛輪儲能裝置的風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含飛輪儲能裝置的風力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind farm with flywheel energy storage device

系統(tǒng)由風電場、電網(wǎng)和飛輪儲能裝置組成，風電場主要由風輪機、雙饋感應發(fā)電機等組成。在風電場出口母線處引入飛輪儲能裝置。在這種采用集中配置的連接方式下，飛輪儲能系統(tǒng)與風力發(fā)電系統(tǒng)可以獨立控制，并且與采用分布式配置方式相比，風電場所需的總儲能容量也會有所降低[7]。

飛輪儲能裝置主要由飛輪轉(zhuǎn)子、支撐軸承、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電動/發(fā)電機、真空室組成，可以通過對永磁同步電機的控制來實現(xiàn)飛輪裝置的加速充電和減速放電，從而實現(xiàn)電能和機械能的轉(zhuǎn)換[8]。當風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不能滿足電網(wǎng)的需求時，以風力發(fā)電系統(tǒng)母線上的有功功率作為變流器的控制信號，進而驅(qū)動儲能系統(tǒng)向風力發(fā)電系統(tǒng)供電；反之，當風力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能多于電網(wǎng)所需的電能時，儲能裝置處于充電狀態(tài)，吸收多余的電能，從而平抑系統(tǒng)的輸出功率，提高輸入電網(wǎng)的電能 質(zhì)量。

1.2 飛輪儲能裝置模型

飛輪驅(qū)動電機采用面裝式永磁同步電機，采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式，在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型可以表示為

式中，ufd、ufq分別為d、q軸電壓；ifd、ifq分別為d、q軸電流；Lfd、Lfq分別為定子直軸電感、交軸電感，Lfd=Lfq；pf為飛輪驅(qū)動電機極對數(shù)；ωf為電機機械轉(zhuǎn)速；fψ為轉(zhuǎn)子永磁體勵磁磁鏈；Rf為定子電阻。

忽略損耗和飛輪系統(tǒng)的動態(tài)過程，可以將飛輪系統(tǒng)的模型等效簡化為一個單質(zhì)量塊，飛輪的轉(zhuǎn)矩方程可以表示為

式中，feT為飛輪驅(qū)動電機的電磁轉(zhuǎn)矩，fJ為飛輪轉(zhuǎn)子和飛輪驅(qū)動電機的總轉(zhuǎn)動慣量。對于面裝式永磁同步電機，其轉(zhuǎn)矩方程又可以表示為

忽略飛輪驅(qū)動電機損耗，則其輸出功率可以表示為

由式(3)、式(4)可知，通過對飛輪驅(qū)動電機q軸電流fqi進行控制即可控制電磁轉(zhuǎn)矩，使飛輪系統(tǒng)工作于充放電狀態(tài)，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的能量交換。

1.3 電網(wǎng)側(cè)模型

網(wǎng)側(cè)采用電壓定向，電網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學模 型為 式中，Rg、Lg分別為電網(wǎng)電抗器的電阻和電感；ugd、ugq分別為網(wǎng)側(cè)變流器交流端d、q軸電壓和電流分量；egd、egq分別為電網(wǎng)電壓矢量的d、q軸分量。

2 含飛輪儲能裝置的風電系統(tǒng)有功功 率平滑控制策略

含飛輪儲能裝置的風電系統(tǒng)的控制主要包括風電機組控制、電網(wǎng)側(cè)控制和飛輪儲能側(cè)控制3部分。其中風電機組采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制方式向電網(wǎng)輸出功率，本文只對電網(wǎng)側(cè)和飛輪側(cè)控制進行研究。

2.1 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

電網(wǎng)側(cè)變流器主要有兩個功能：一是保持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)定的功率傳輸；二是控制電網(wǎng)側(cè)無功功率。根據(jù)瞬時功率理論、電網(wǎng)側(cè)有功瞬時功率和無功瞬時功率可以表示為

變流器采用電網(wǎng)電壓矢量定向的方式，電網(wǎng)電壓矢量沿d軸方向定向，則有egd=0。電網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率和無功功率可以表示為

電網(wǎng)側(cè)變流器外環(huán)采用無功功率和定直流電壓控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過對直流側(cè)電壓和無功功率指令值的快速跟蹤來確定內(nèi)環(huán)的電流參考值。對d、q軸參考電流進行解耦控制和坐標矢量變換，可以得到電壓控制信號uα、uβ，最后利用SVPWM控制技術產(chǎn)生脈沖信號，控制變流器的工作[9]。原理如圖2所示。通過控制電網(wǎng)電流的d、q軸分量即可實現(xiàn)P、Q的獨立控制，控制流向飛輪的有功功率和流向電網(wǎng)的無功功率。由式(7)可知，只需控制q軸電流igd=0，即可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。

2.2 飛輪側(cè)控制策略

由于風能具有隨機性、間歇性特點，在實際情況中往往難以準確預測，直接以風速作為功率的平滑指令準確度并不高[10]。本文利用網(wǎng)側(cè)有功功率來獲得飛輪側(cè)功率平滑的指令值，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功功率的平滑輸出的關鍵在于如何對飛輪電機外環(huán)輸入的有功功率進行處理。

圖2 電網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Fig.2 The control block diagram of grid side converter

傳統(tǒng)方式直接采用低通濾波器來獲得有功功率的平滑值，這與實際情況并不相符合。本文考慮利用高通濾波器引入網(wǎng)側(cè)有功功率的擾動成分，通過高通、低通濾波器來獲得飛輪裝置的補償功率，達到對網(wǎng)側(cè)有功功率波動進行抑制的目的。

飛輪電機側(cè)變流器外環(huán)控制如圖3所示。圖中fP為飛輪電機外環(huán)有功功率給定指令，可由式(8)得到

式中，gP為風電場實際輸出到電網(wǎng)側(cè)的有功功率；wrefP-為風電場額定功率，即6 MW。

將fP分別送入低通濾波器和高通濾波器進行處理，可以得到比較平滑的功率Pref和快速波動成分Phigh。通過式(7)可以確定igd。將Phigh單獨作為擾動信號進行控制，由式(3)和式(4)可得擾動電流ihigd。二者求和可以得到電流環(huán)的給定信號*fqi。飛輪電機采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式，。同理，飛輪電機側(cè)變流器的內(nèi)環(huán)控制與電網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制相似。

圖3 飛輪電機側(cè)變流器控制框圖Fig.3 The control block diagram of flywheel motor side converter

3 含飛輪儲能裝置的風電系統(tǒng)仿真

對上述含飛輪儲能裝置的風電系統(tǒng)的控制策略進行仿真驗證，仿真系統(tǒng)中風電場由4臺額定功率為1.5 MW的雙饋風機組成，飛輪儲能系統(tǒng)由3臺0.3 MW的儲能裝置組成。

從圖4、圖5、圖6中的仿真可以看出，飛輪轉(zhuǎn)速隨風速變化而變化，飛輪轉(zhuǎn)速高于10000 r/min時，飛輪裝置處于充電狀態(tài)，從電網(wǎng)中吸收有功功率，平抑電網(wǎng)側(cè)有功功率波動；飛輪轉(zhuǎn)速低于10000 r/min時，飛輪裝置處于放電狀態(tài)，對電網(wǎng)有功功率進行補償。直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定在1.2 kV，波動較小。

圖4 風速Fig.4 Wind speed

圖5 飛輪轉(zhuǎn)速Fig.5 The rotational speed of flywheel

圖6 直流側(cè)電壓Fig.6 The voltage of DC side

圖7分別給出了無飛輪儲能系統(tǒng)以及采用普通平滑方法[11]和采用新型平滑方法時的飛輪儲能系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)有功功率P1、P2、P3，由圖7可知采用新型平滑方法時，風電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)有功功率波動最小。仿真結(jié)果表明采用新型平滑方法的飛輪儲能系統(tǒng)，可以明顯提高風電場輸出功率的質(zhì)量。

4 結(jié) 語

本文通過分析風力發(fā)電系統(tǒng)和飛輪儲能裝置的特性，根據(jù)瞬時功率理論對網(wǎng)側(cè)功率進行跟蹤控制，提出了一種利用高、低通濾波器來實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功功率平滑的方法，有效抑制了由于風速隨機波動而導致的風電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)側(cè)的有功功率的波動，提高了風電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。

圖7 電網(wǎng)側(cè)有功功率Fig.7 Active power of grid

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