高宏杰

（國電山西潔能有限公司，山西 朔州 036800）

風(fēng)力發(fā)電由于其清潔性、可再生性等特點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。由于風(fēng)力發(fā)電存在波動性和隨機性，造成了輸出功率同樣存在波動性，這對電能質(zhì)量造成了一定程度的影響[1－2]。本文將儲能單元引入到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，對風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動進行有針對性的補償，從而實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動的抑制[3－4]。本文所提出的功率波動抑制策略是基于一階濾波器對波動的功率進行高頻和低頻的分離，然后分別進行處理，因此儲能單元的合理利用對于抑制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率波動具有重要意義[5－6]。

1 混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示為混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，風(fēng)力發(fā)電單元分為網(wǎng)側(cè)和機側(cè)兩部分[7]。超級電容和蓄電池兩種儲能單元分別通過雙向DC／DC變換器接入到中間直流母線，由雙向DC／DC變換器控制超級電容和蓄電池的充電和放電?；旌蟽δ茱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以工作在獨立模式和并網(wǎng)模式下[8]，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)開關(guān)處于斷開狀態(tài)時工作在獨立模式下，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)開關(guān)閉合時工作在并網(wǎng)模式下。

圖1 混和儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

儲能單元的接入使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電的可靠性和靈活性得到了顯著提高[9－10]。當(dāng)混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在獨立模式下時，風(fēng)力發(fā)電單元和儲能單元同時向負載提供電能。當(dāng)負載突變或風(fēng)機捕獲功率突變時，負載所消耗的功率與混合風(fēng)力發(fā)電單元的輸出功率不匹配，由儲能單元對功率不匹配部分進行補償[11]。當(dāng)混合儲能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)工作在并網(wǎng)模式下時，風(fēng)機捕獲到的風(fēng)能通過永磁同步電機和風(fēng)力發(fā)電變流器變換為電能后接入到電網(wǎng)，儲能單元對風(fēng)力發(fā)電單元的功率波動進行補償，從而滿足并網(wǎng)運行條件以及電力系統(tǒng)的能量調(diào)度需求[12]。

2 基于一階濾波器法的混合儲能控制策略

基于一階濾波器法的超級電容電流指令值運算框圖如圖2所示，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率波動分解為高頻分量和低頻分量兩部分。超級電容負責(zé)補償高頻分量，蓄電池負責(zé)補償?shù)皖l分量，同時也負責(zé)穩(wěn)定直流母線電壓。超級電容控制部分采用單閉環(huán)控制，通過對超級電容儲能功率計算、高頻分量提取等得到電流指令值，再與電流實際值做差后經(jīng)過電流控制器得到DC／DC變換器的PWM控制信號，最終通過超級電容的電流對功率波動的高頻分量進行補償。蓄電池控制部分采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)，直流母線電壓的指令值與實際值之差經(jīng)過電壓控制器的輸出作為電流指令，與電流實際值做差后經(jīng)過電流控制器得到DC／DC變換器的PWM控制信號。此外，在控制中引入了電流前饋和PWM控制前饋，進一步提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)效果。

圖2 超級電容電流指令值運算框圖

由此可以得到含有儲能單元的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡方程為：

其中，PW為風(fēng)機捕獲到的風(fēng)能功率，PCN為儲能單元的功率（正號代表輸出功率，負號代表輸入功率），PTCMD為功率控制指令值。工作在獨立模式下時，功率控制指令值就是負載功率，即PTCMD＝PL；工作在并網(wǎng)模式下時，PTCMD＝PW[ω0／（s＋ω0）]，其中ω0為實現(xiàn)高頻分量和低頻分量分離的一階濾波器的轉(zhuǎn)折頻率。由此可以推導(dǎo)出實現(xiàn)高頻分量和低頻分量分離的一階濾波器的表達式為：

其中，PSC為超級電容補償功率波動的功率，PBT為蓄電池補償功率波動的功率，經(jīng)推導(dǎo)得到超級電容的電流指令值為：

超級電容電流指令值運算框圖如圖2所示。

為了抑制儲能單元接口DC／DC變換器對功率波動的影響，引入占空比前饋控制策略，其表達式為：

為了進一步減小風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)能功率波動對直流母線電壓的影響，提高儲能單元對功率波動抑制的動態(tài)響應(yīng)能力，引入電流前饋控制策略，推導(dǎo)得到蓄電池接口DC／DC變換器的電流前饋表達式為：

3 超級電容端電壓限制策略

其應(yīng)基于以下三個方面的原因考慮：

（1）雙向DC／DC變換器的工作效率問題導(dǎo)致超級電容容量存在一定的誤差。

（2）異常情況下，直流母線的功率波動可能超過允許上限。

（3）直流母線功率波動出現(xiàn)上限值的概率極小。

因此，需要采用合理的方法對超級電容的容量進行修正。上述三個原因?qū)е鲁夒娙菰谶\行中會達到功率上下限值，這樣就會使超級電容的功率波動抑制能力削弱。為了解決此問題，有必要對超級電容的端電壓采取預(yù)控制措施，限制其達到上下限值。超級電容端電壓預(yù)控制框圖如圖3所示。

圖3 超級電容端電壓預(yù)控制框圖

儲能單元的功率PCN經(jīng)過一階濾波器后得到修正前超級電容功率指令值的穩(wěn)態(tài)分量PSC＿CMD＿S，再將這個穩(wěn)態(tài)分量和超級電容的端電壓值USC送入到電壓預(yù)控制模塊處理后得到功率修正值△PSC，將其與修正前超級電容功率指令值的穩(wěn)態(tài)分量PSC＿CMD＿S相加，得到修正前超級電容功率指令值PSC＿CMD。

超級電容端電壓預(yù)控制的原理是超級電容端電壓值達到上下限值之前，對超級電容功率指令值進行修正，以保證超級電容端電壓值波動程度更小，不超過上下限值。

USC＿MAX和USC＿MIN分別為超級電容端電壓的上限值和下限值，USC＿UP和USC＿DOMN分別為超級電容端電壓預(yù)控制的上下閾值，這四個參數(shù)將超級電容的工作劃分為以下5種情況：

（1）當(dāng)USC＞USC＿MAX時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓的上限值，開始進行放電，功率修正值表達式為：

（2）當(dāng)USC＿MAX≥USC≥USC＿UP時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓預(yù)控制上閾值，不超過超級電容端電壓上限值，要控制超級電容端電壓的上升速度，少充電多放電，功率修正值表達式為：

（3）當(dāng)USC＿UP＞USC＞USC＿DOWN時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓預(yù)控制下閾值，不超過超級電容端電壓預(yù)控制上閾值，超級電容端電壓處于正常范圍內(nèi)，不需要進行調(diào)節(jié)，功率修正值的表達式為：

（4）當(dāng)USC＿DOWN≥USC≥USC＿MIN時，即超級電容端電壓值超過超級電容端電壓下限值，不超過超級電容端電壓預(yù)控制上閾值，要控制超級電容端電壓的下降速度，多充電少放電，功率修正值表達式為：

（5）當(dāng)USC＿MIN＞USC時，即超級電容端電壓值不超過超級電容端電壓的下限值，開始進行充電，功率修正值表達式為：

USC＿UP和USC＿DOWN的取值會對超級電容和功率波動的抑制效果產(chǎn)生影響。USC＿UP過?。║SC＿DOWN過大）會導(dǎo)致超級電容的正常工作范圍變小，超級電容對波動功率的高頻分量的抑制效果減弱。USC＿UP過大（USC＿DOWN過小）會導(dǎo)致超級電容端電壓預(yù)控制閾值到超級電容端電壓限值之間的裕度變小。

4 實例驗證

基于混合儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路元器件參數(shù)表如表1所示。

表1 主電路元器件參數(shù)表

假設(shè)系統(tǒng)負載恒定不變，風(fēng)速的變化引起風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)功率波動，風(fēng)速在0．1s時由6m／s突降為3m／s，在0．2s時由3m／s突升為5m／s，得到直流母線電壓、超級電容電流、蓄電池電流的高壓試驗波形圖如圖4所示。

圖4 高壓試驗波形

通過高壓試驗波形可知，超級電容能夠?qū)τ娠L(fēng)速變化導(dǎo)致的功率波動中的高頻分量起到抑制作用，母線電壓控制較好，波動很小，蓄電池電流控制效果良好，電流響應(yīng)速度很快，并且不存在超調(diào)，動態(tài)響應(yīng)效果良好。

5 結(jié)論

由于風(fēng)力發(fā)電存在波動性、隨機性等特點，造成了輸出電能質(zhì)量較低，不能夠滿足用戶和電網(wǎng)需求。為此，本文提出了基于混合儲能對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動進行抑制的策略。通過一階濾波器實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)波動功率的分解，對分解出的高頻分量和低頻分量分別進行處理，充分發(fā)揮了超級電容和蓄電池的工作特性，并參與到輸出功率的調(diào)節(jié)中。本文提出的超級電容端電壓限制策略有效起到了保護超級電容、延長其使用壽命的作用。經(jīng)過高壓試驗驗證，本文所提出的基于混合儲能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率波動抑制策略能夠有效抑制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率波動，對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定運行起到了積極作用。