劉穎明，萬文閣，王曉東，劉闖闖

（沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

近年，大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用于風(fēng)儲(chǔ)電力系統(tǒng)，可以平抑功率波動(dòng)，平滑輸出電壓，減少系統(tǒng)振蕩，具有“削峰填谷”的作用[1]，[2]，提高了電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量[3]。 目前，風(fēng)儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制的研究主要著眼于儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化及協(xié)調(diào)風(fēng)電靈活快速的進(jìn)行有功功率吸收和輸出，動(dòng)態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率偏差，而對(duì)于儲(chǔ)能協(xié)助風(fēng)電進(jìn)行無功控制的研究較少[4]～[7]。文獻(xiàn)[8]在風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)各種運(yùn)行模式下，根據(jù)并網(wǎng)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)無功需求，提出了無功功率指令在儲(chǔ)能系統(tǒng)、 風(fēng)電場(chǎng)和外部電網(wǎng)的三級(jí)協(xié)調(diào)分配策略。 所提策略能夠充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)和風(fēng)電場(chǎng)快速無功調(diào)節(jié)能力，有效提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和電壓穩(wěn)定性。 文獻(xiàn)[9]分析了兩種基于儲(chǔ)能的電壓穩(wěn)定性控制策略，分別為PV 控制和PQ 控制，并進(jìn)行了對(duì)比。 研究結(jié)果表明，在擾動(dòng)或故障時(shí)，儲(chǔ)能可以抑制電壓波動(dòng)和加快電壓恢復(fù)。電網(wǎng)電壓故障時(shí)，文獻(xiàn)[10]通過比例協(xié)調(diào)控制策略，充分利用超級(jí)電容器儲(chǔ)能的動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的補(bǔ)償能力和風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，使電網(wǎng)電壓穩(wěn)定不變。

目前，對(duì)于利用儲(chǔ)能和風(fēng)電來控制電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的研究還較少。 本文針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的無功功率控制，提出一種基于神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償控制策略。旨在解決電網(wǎng)發(fā)生三相故障時(shí)導(dǎo)致的PCC 點(diǎn)電壓發(fā)生變化或跌落問題。

1 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型

1.1 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

大部分風(fēng)電場(chǎng)無功控制是在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)下，實(shí)時(shí)彌補(bǔ)無功偏差。但是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，風(fēng)機(jī)處于嚴(yán)重失衡的功率缺額時(shí)，若對(duì)嚴(yán)重缺額的機(jī)組持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行有功輸出，同時(shí)承擔(dān)無功補(bǔ)償，可能會(huì)造成系統(tǒng)崩潰[11]。 儲(chǔ)能具有良好的快速響應(yīng)特性，可提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障穿越能力。 因此，本文提出了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的無功自適應(yīng)控制，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分擔(dān)一部分風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償量，減輕風(fēng)電場(chǎng)的負(fù)擔(dān)。 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的無功控制的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 神經(jīng)元自適應(yīng)控制器接收調(diào)度中心系統(tǒng)下發(fā)的無功指令，一方面將指令下發(fā)至各個(gè)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行跟蹤；另一方面，儲(chǔ)能與神經(jīng)元自適應(yīng)控制器之間增設(shè)協(xié)調(diào)控制器，對(duì)上接收無功指令和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)發(fā)出的無功，對(duì)下接收儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)送優(yōu)化后的無功補(bǔ)償量[11]。

圖1 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)無功控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of reactive power control for wind farm combined with energy storage system

為了提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將儲(chǔ)能系統(tǒng)放置在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)上，不僅可以抑制穩(wěn)態(tài)下的短期電壓波動(dòng)，并且在系統(tǒng)發(fā)生故障，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生大幅跌落時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在故障期間迅速發(fā)出大量無功協(xié)助風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)。

1.2 風(fēng)電機(jī)組無功輸出能力

典型的PMSG 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過一個(gè)全功率背靠背變流器連接到電網(wǎng)，網(wǎng)側(cè)變流器（Grid Side Converter，GSC）可以獨(dú)立控制流入電網(wǎng)的有功功率和無功功率[12]。 本文網(wǎng)側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制，由直驅(qū)風(fēng)電在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可知，網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率Pgd和無功功率Qgd分別為

式中：ugd，ugq，igd，igq分別為網(wǎng)側(cè)變流器在 d，q 軸方向的電壓和電流。

選取電網(wǎng)側(cè)電壓方向與參考坐標(biāo)系的d 軸方向一致，ugq=0，則：

由式（2）可知，網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)交換的功率僅與 igd，igq有關(guān)。

給定功率因數(shù)和d 軸電流igd-ref確定變流器最大電流imax，根據(jù)可得到 q 軸電流給定值，通過控制有功電流，使風(fēng)電場(chǎng)最大限度的輸出無功功率。

1.3 儲(chǔ)能的無功補(bǔ)償能力

本文儲(chǔ)能系統(tǒng)用來輔助風(fēng)電場(chǎng)調(diào)節(jié)直流母線電壓和PCC 電壓。 儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以發(fā)出有功，也可以發(fā)出無功，因此當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速提供無功支持，維持風(fēng)電場(chǎng)端電壓恒定。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block diagram of energy storage system

本文中，儲(chǔ)能系統(tǒng)采用兩電平電壓源型變流器，該變流器可以對(duì)輸送的有功功率進(jìn)行快速控制，還可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償交流母線的無功功率。儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定值根據(jù)功率因數(shù)或PCC 電壓調(diào)節(jié)的無功功率要求來適當(dāng)確定，大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在故障期間降低電壓并在故障清除后縮短電壓恢復(fù)過程。

采用蓄電池組儲(chǔ)能裝置，根據(jù)蓄電池的荷電容量計(jì)算，其無功功率為[12]

式中：Pmes，Qmes分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的有功功率、 無功功率；Us，IN分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)逆變器交流側(cè)額定電壓、額定電流。

2 電網(wǎng)故障條件下，風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)的自適應(yīng)無功控制策略

2.1 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)無功控制策略

電力系統(tǒng)的等效電路如圖3 所示。

圖3 電力系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit of the power system considered

圖中： 風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)在總線2 處集成到網(wǎng)絡(luò)中，用于提供有功功率和無功功率；X1為忽略線路電納后傳輸線電抗；Pwt，Qwt分別為風(fēng)電輸出的有功功率、無功功率；Gwt和Bwt分別為風(fēng)電等效的電導(dǎo)和電納；Qc為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的無功功率；Bc為儲(chǔ)能系統(tǒng)的等效電納，負(fù)載主要來自總線1 的電網(wǎng)，部分來自風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)圖3 可知，負(fù)載的最大功率Pmax為

式中：E 為總線 1 處電壓的幅值；q=X1（Bwt+Bc）；p=X1Gwt；X1為電網(wǎng)阻抗。

總線2 處的電壓為

在輸出最大功率條件下，總線2 的臨界電壓應(yīng)保持在（0.95～1.05 pu）。 結(jié)合式（6），（7）可以得出，通過增加系數(shù)q（對(duì)應(yīng)于增加風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的無功功率），增加了最大傳遞功率，同時(shí)也增加了總線2 的臨界電壓。 通過調(diào)節(jié)來自風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功功率，可以減輕總線2 處的長(zhǎng)期電壓波動(dòng)，則傳輸線中的電壓降ΔV 為

式中：P1和Q1分別為電網(wǎng)側(cè)所需的有功功率和無功功率；R1為輸電線路電阻，可忽略不計(jì)。

為了減輕PCC 電壓的波動(dòng)，傳輸線中的電壓降應(yīng)保持恒定。因此，風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的無功功率為

在風(fēng)速高于額定值的情況下，輸送到電網(wǎng)的有功功率為額定值，GSC 無法產(chǎn)生無功功率，即：

圖4 風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Control block diagram for wind farm combined with energy storage system

由圖4 可知，PCC 電壓誤差信號(hào)經(jīng)單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制器輸出產(chǎn)生有功電流Id，通過改變GSC 的有功功率可得出風(fēng)電場(chǎng)能夠提供的無功功率。 電網(wǎng)所需無功由GSCs 和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)提供。電壓參考值設(shè)置為1.02 pu。

在正常工作情況下，風(fēng)電機(jī)組無功發(fā)電量的裕度取決于輸送到電網(wǎng)的有功功率。 無功電流Iq由GSC 的容量和有功電流d 軸分量共同確定。PCC 電壓控制器會(huì)生成有功電流分量的參考值Id，由各個(gè)風(fēng)電機(jī)組平均分配。 如果風(fēng)電場(chǎng)容量不足以提供無功電流，則由儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。則儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流參考icd-ref為

由式（11）可知，d 軸參考電流 igd-ref由控制器決定，風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)正?？刂?。

2.2 神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，即使遠(yuǎn)離風(fēng)電場(chǎng)的位置，也會(huì)出現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)連接點(diǎn)處的電壓下降。 這將導(dǎo)致渦輪機(jī)輸入功率與發(fā)電機(jī)輸出功率的不平衡，而多余能量會(huì)儲(chǔ)存在直流環(huán)節(jié)的電容器內(nèi)，使直流母線電壓快速上升，損壞變流器。 根據(jù)圖4 可知，總線2 的電壓偏差ΔV2被饋入控制器以產(chǎn)生一個(gè)輔助控制信號(hào)Id，最終在風(fēng)電場(chǎng)變流器的限制下，形成兩個(gè)補(bǔ)償無功功率的控制信號(hào)icd-ref和igd-ref，作為風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能控制器的輸入。 其基本原理是通過在電網(wǎng)故障期間快速改變風(fēng)電場(chǎng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)提供的無功功率量，降低PCC 的電壓下降程度。 由于電壓和無功功率之間的直接耦合，使用電壓偏差ΔV2作為控制器的輸入信號(hào)更加直觀。

從ΔV2到Id的傳遞函數(shù)非線性，取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。利用神?jīng)網(wǎng)絡(luò)可以解決以上問題，同時(shí)避免導(dǎo)出分析函數(shù)。 單個(gè)神經(jīng)元模型構(gòu)成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。 單神經(jīng)元PID 控制器輸出規(guī)律為

式中：k 為采樣的序號(hào)；Id（k）為第 k 次采樣時(shí)控制器的輸出；ωi（k） 為對(duì)應(yīng)的各狀態(tài)變量的權(quán)值；xi（k）為各輸入狀態(tài)量；φi（·）為輸出神經(jīng)元的激活函數(shù)。

在控制過程中，常規(guī)PID 控制參數(shù)無法改變，單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器可以通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于計(jì)算。 其控制結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 神經(jīng)元自適應(yīng)PID 控制結(jié)構(gòu)Fig.5 Neuron adaptive PID control structure

設(shè)單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)為線性函數(shù)，則取φi（·）為神經(jīng)比例K，且為正實(shí)數(shù)，則神經(jīng)元輸出為

權(quán)系數(shù)的學(xué)習(xí)使用Hebb 學(xué)習(xí)算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，神經(jīng)元權(quán)值更新表達(dá)式為

式中：e（k）為第 k 次采樣時(shí)的偏差值；kP，kI，kD分別為3 個(gè)權(quán)值的學(xué)習(xí)速率，且系統(tǒng)對(duì)權(quán)值進(jìn)行了歸一化處理。 權(quán)值的更新是神經(jīng)元不斷學(xué)習(xí)的過程，新的權(quán)值是舊權(quán)值與一個(gè)學(xué)習(xí)變化量的和，當(dāng)輸出與設(shè)定值相等時(shí)，學(xué)習(xí)過程結(jié)束。

本文將PCC 實(shí)際電壓與參考電壓的誤差信號(hào)輸入值與權(quán)值系數(shù)相乘，經(jīng)神經(jīng)元求和經(jīng)激活函數(shù)處理后，輸出風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)所需的電流參考值Id。 風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流輸出再反饋給輸入，使權(quán)值發(fā)生改變，通過權(quán)值的不斷調(diào)整，使系統(tǒng)輸出最終達(dá)到預(yù)想。 最終參考電流Id′為

式中：C1，C2，C3和 C4分別為各變量的系數(shù)。

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)無功功率自適應(yīng)控制方案的有效性，在Matlab/Simulink 軟件中建立了風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)模型，忽略阻尼的影響。 搭建10 MW 風(fēng)電場(chǎng)配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)模型，儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)變壓器升壓接入功率匯聚點(diǎn)35 kV 母線處，接入點(diǎn)所處電壓等級(jí)為110 kV，風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率Pn為2 MW，共采用5 臺(tái)風(fēng)機(jī)，假設(shè)風(fēng)速保持不變，風(fēng)速為11.8 m/s，t=1.5 s 時(shí)，電網(wǎng)發(fā)生故障，故障持續(xù)時(shí)間為 300 ms。 控制信號(hào)為 PCC 點(diǎn)電壓 V2，神經(jīng)元的比例系數(shù) K＝0.12，初始權(quán)值系數(shù) w1＝0.1，w2=0.1，w3=0.1，學(xué)習(xí)速率 kp＝0.40，kI=0.35，kD=0.40，系統(tǒng)的抽樣時(shí)間間隔ts＝0.001 s，激勵(lì)作用時(shí)間t＝0.2 s。 風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)接線如圖6 所示。 儲(chǔ)能系統(tǒng)連接在總線2 處，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

圖6 風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)接線圖Fig.6 Wiring diagram of wind storage system

根據(jù)以上仿真條件，利用Simulink 仿真平臺(tái)分別對(duì)常規(guī)PID 協(xié)調(diào)控制和單神經(jīng)元自適應(yīng)PID協(xié)調(diào)控制的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了比較，電網(wǎng)發(fā)生三相電壓跌落時(shí)，采用無功協(xié)調(diào)控制方案前后對(duì)比如圖7 所示。

圖7 PCC 電壓Fig.7 PCC voltage

由圖7 可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落50%時(shí)，在常規(guī)PID 控制下電壓跌落幅度仍舊較大，而在本文所提出單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制策略下，風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)可以有效提供無功功率支撐，電壓得到明顯改善，電壓可以恢復(fù)到0.8 pu 左右。

圖8 為風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)在常規(guī)PID 協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)并網(wǎng)點(diǎn)電壓和風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)在單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制策略下的風(fēng)電場(chǎng)輸出無功功率比較。 電網(wǎng)在1.5 s 發(fā)生故障時(shí)，電壓大幅跌落，風(fēng)儲(chǔ)公共耦合點(diǎn)電壓也隨之發(fā)生變化。 與常規(guī)PID 控制策略相比，采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 的協(xié)調(diào)控制策略在電網(wǎng)故障初始時(shí)可以迅速向電網(wǎng)注入更多的無功功率，并協(xié)調(diào)風(fēng)電場(chǎng)與儲(chǔ)能的無功功率，由于儲(chǔ)能無功功率的輸出，為風(fēng)電場(chǎng)分擔(dān)了一部分無功任務(wù)，使風(fēng)力發(fā)電出力盡可能最大，風(fēng)電無功功率輸出在合理范圍內(nèi)。

圖8 風(fēng)電場(chǎng)無功功率曲線Fig.8 Reactive power curve of wind farm

圖9 為電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，兩種方案下儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出的無功功率。

圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)無功功率曲線Fig.9 Reactive power curve of Storage

由圖9 可知，常規(guī)PID 控制下儲(chǔ)能系統(tǒng)只在電網(wǎng)故障初始期間迅速發(fā)出大量無功功率, 支撐電壓恢復(fù)，相當(dāng)于故障期間電壓恢復(fù)所需要的無功功率全部由風(fēng)電場(chǎng)提供，而在單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制下，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以連續(xù)平穩(wěn)地輸出無功功率，最終使電壓上升到額定值的80%左右。 這是因?yàn)闊o功協(xié)調(diào)的控制方案能夠?qū)L(fēng)電自身的無功調(diào)節(jié)能力與儲(chǔ)能結(jié)合，根據(jù)無功需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償一定的無功功率，從而提升并網(wǎng)點(diǎn)電壓。

綜上，風(fēng)電場(chǎng)能夠發(fā)出約3.3 MW 的無功功率，并且在故障剛開始的時(shí)候尖峰值達(dá)到6 MW。傳統(tǒng)控制下，故障期間基本由風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出無功功率，而儲(chǔ)能系統(tǒng)僅在故障初始發(fā)出大量無功功率，最高可達(dá)2.5 MW，但之后基本不再提供無功功率，全由風(fēng)電場(chǎng)發(fā)出無功功率。 在協(xié)調(diào)控制策略下，儲(chǔ)能配合風(fēng)電場(chǎng)也在故障期間分擔(dān)了一部分的無功功率，從波形圖中可以看出數(shù)值不大，大約為1 MW，因此，可以選擇小容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，與只利用無功補(bǔ)償裝置補(bǔ)償無功功率的方式相比，能夠減小投資成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。 這樣，各個(gè)無功源相互配合發(fā)出的無功功率使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓得到提升，有助于其穿越電網(wǎng)故障。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于神經(jīng)元自適應(yīng)的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)的無功功率控制策略，可以在系統(tǒng)發(fā)生故障的條件下增強(qiáng)PCC 電壓恢復(fù)。 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障、電壓跌落50%時(shí)，與常規(guī)PID 控制相比，在單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 協(xié)調(diào)控制策略下，風(fēng)電場(chǎng)可以迅速注入大量無功功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定輸出無功功率，使PCC 電壓提升到0.8 pu 左右，電壓跌落得到明顯改善。 并且在儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要提供無功功率、不需要參與電壓調(diào)節(jié)時(shí)，可以進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的功率平滑或頻率調(diào)節(jié)，這方面的研究有待進(jìn)一步的學(xué)習(xí)探討。