利用BESS提高雙饋風電機組低電壓穿越能力

潘 晟

(東華工程科技股份有限公司，合肥230024)

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境污染等問題日益突出，大規(guī)模風力發(fā)電近些年來得到了快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，截止2009年底中國大陸地區(qū)新增風電裝機容量約1.38萬兆瓦，總裝機容量已經(jīng)躍居世界第二，僅次于美國。然而由于風能具有隨機性、間歇性和不可調(diào)度性等缺點，風電機組輸出功率具有很大波動性，同時發(fā)電機組大多采用感應(yīng)電機導(dǎo)致其并網(wǎng)發(fā)電時需從系統(tǒng)中吸收大量無功功率，此外大型風電場一般遠離負荷中心，風電滲透功率的波動將對電網(wǎng)的穩(wěn)定性帶來不利影響［1］。這些風電并網(wǎng)技術(shù)難題直接導(dǎo)致相當數(shù)量的風機不能并網(wǎng)發(fā)電，2009年中國不能并網(wǎng)發(fā)電的風電裝機容量占總裝機的38%且難以并網(wǎng)的風機仍在逐年增加，因此必須采取必要措施來提高風電機組的并網(wǎng)適應(yīng)能力。

目前雙饋感應(yīng)風電機組以其兼具功率控制靈活、成本較低等優(yōu)點在新裝風機中占很大比例，但是由于背靠背變流器承受暫態(tài)過電流的能力過低，當電網(wǎng)故障時通常會采取保護措施(如Crowbar電路)來增強其故障穿越能力［2-5］，在此期間雙饋風電機組運行于異步發(fā)電機模式需從并網(wǎng)系統(tǒng)中吸收大量無功，將加劇電網(wǎng)電壓失穩(wěn)的可能。隨著大規(guī)模風電接入電網(wǎng)，許多國家和地區(qū)都對風電接入做了嚴格規(guī)定，圖1為中國國家電網(wǎng)公司關(guān)于風電場低電壓穿越的技術(shù)要求，要求只有當電網(wǎng)電壓低于規(guī)定曲線之后才允許風機脫網(wǎng)。如果在變速恒頻風電機組的直流側(cè)增設(shè)儲能裝置［6-8］，既能結(jié)合風輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子控制在系統(tǒng)正常運行時平滑風電輸出功率，改善系統(tǒng)頻率波動，又能在電網(wǎng)故障時增強風電機組對并網(wǎng)系統(tǒng)的有功支撐能力，同時迅速平抑直流側(cè)母線電壓使機組盡快恢復(fù)控制能力，從而提高其低電壓穿越能力。

圖1 國家電網(wǎng)公司關(guān)于風電場低電壓穿越要求的規(guī)定

本文詳細闡述了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的控制與保護策略，包括基于電流解耦的轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制、以及應(yīng)對電網(wǎng)故障的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器Crowbar保護方案;建立了電池儲能系統(tǒng)(BESS)的數(shù)學(xué)模型及其控制策略，然后通過算例仿真研究BESS裝置對雙饋風電機組的低電壓穿越能力的影響。

1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)控制與保護策略

雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是在感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子回路中加入一個可控電壓源，亦即將轉(zhuǎn)子繞組通過背靠背變流器接入電網(wǎng)，而定子直接與電網(wǎng)連接，通過不斷調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的幅值和相角從而實現(xiàn)對風機轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)的控制。圖2為轉(zhuǎn)子側(cè)和直流側(cè)分別裝設(shè)了主動式Crowbar保護電路和BESS裝置的典型雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖。

圖2 裝設(shè)Crowbar和BESS的典型雙饋型風電并網(wǎng)原理圖

1.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制及保護

在同步旋轉(zhuǎn)坐標系(q軸超前d軸90°)下，忽略定子側(cè)的電磁暫態(tài)過程和定子電阻并將定子磁鏈矢量定義在d軸上，按照電動機慣例可分別列出雙饋風電機組定子側(cè)輸出的有功和無功功率、轉(zhuǎn)子電壓與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系表達式：

式中，Xss=xs+xm，Xrr=xr+xm，其中rs和xs是定子電阻和電抗;rr和xr是轉(zhuǎn)子電阻和電抗;xm是勵磁電抗;s是轉(zhuǎn)子滑差(下標s表示定子側(cè)、r表示轉(zhuǎn)子側(cè));Usr和Uqr分別是轉(zhuǎn)子回路中可控電源的電壓值的dq分量;Ids、Iqs和Idr、Iqr分別是定子和轉(zhuǎn)子回路中電流值dq分量。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器矢量控制框圖

由式(1)可知在基于定子磁鏈定向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標系下通過分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的q軸分量Iqr和d軸分量Idr就可以實現(xiàn)雙饋風電機組定子側(cè)輸出有功功率Ps和無功功率Qs之間的解耦控制。而由式(2)可知轉(zhuǎn)子側(cè)的矢量控制電壓未完全解耦，故若用轉(zhuǎn)子電壓的d軸分量Udr和q軸分量Uqr分別來控制轉(zhuǎn)子電流的無功分量Idr和有功分量Iqr，還需要增加相應(yīng)的電壓補償環(huán)節(jié)，分別增加前饋輸入sX0Iqr和sX0Idr+sxm|U·s|/Xss，典型的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器矢量控制如圖3所示。

當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時轉(zhuǎn)子繞組中出現(xiàn)的暫態(tài)過電流會損壞電力電子開關(guān)器件，常見的保護措施是在轉(zhuǎn)子側(cè)裝設(shè)Crowbar保護電路如圖4所示。當轉(zhuǎn)子三相電流的最大值超過預(yù)先設(shè)定的閥值iH時Crowbar投入運行，雙饋風電機組作為異步感應(yīng)電機運行，從電網(wǎng)中吸收無功功率;而當其衰減至低于安全值iL切除保護裝置，雙饋風電機組恢復(fù)控制能力。

圖4 典型的Crowbar滯環(huán)控制

1.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器的控制應(yīng)該能解決風電機組正常運行時的功率雙向流動問題，假定其與電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)變壓器電阻和電抗分別為R和L，則在基于電網(wǎng)電壓定向的dq同步旋轉(zhuǎn)坐標性中

其中，vd、ed和eq分別為前置電壓(vq=0)、定子側(cè)電壓源變換器的d軸和q分量，id和iq分別為變壓器二次側(cè)電流的d軸和q軸分量。圖5為典型的網(wǎng)側(cè)變流器雙閉環(huán)解耦控制系統(tǒng)，網(wǎng)側(cè)電壓和電流經(jīng)過坐標變換，可使兩個軸上的電流分量id、iq分別控制網(wǎng)側(cè)的有功功率和無功功率，亦即控制id的正負實現(xiàn)有功功率的雙向流動，控制iq來控制無功功率。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器解耦控制框圖

2 BESS裝置模型及其控制策略

2.1 BESS 裝置建模

電池以電化學(xué)形式存儲能量，是應(yīng)用最廣泛的一種能量儲能裝置，其特性可以表達為［9］：

式中rb是電池的內(nèi)部電阻;V0、K和A分別為開路電勢、極化電壓和指數(shù)電壓，單位V;Q和B分別指電池容量和指數(shù)容量，單位Ah。當ib值為正數(shù)時電池放電，而當ib為負值時電池處于充電狀態(tài)。充電狀態(tài)值SOC為100%時表示電池完全充滿電，而對于空電池而言該值為0%。

2.2 BESS 裝置控制

在雙饋風電機組的直流側(cè)增設(shè)BESS裝置的主要目的是維持直流母線電壓穩(wěn)定，假設(shè)忽略變流器的功率損耗和諧波，可得到直流側(cè)電壓和電池電流成一階線性關(guān)系，即

圖6為一種應(yīng)用于BESS裝置側(cè)變流器的串級控制策略，外環(huán)是直流電壓控制，用來維持直流側(cè)母線電壓在系統(tǒng)故障時保持不變，其輸出作為內(nèi)環(huán)電流控制的參考電流irefb，從而使電池電流實時跟蹤外環(huán)電壓控制所產(chǎn)生的參考值。

圖6 BESS裝置側(cè)變流器控制

3 仿真研究

本文運用Matlab/Simulink仿真工具進行研究，驗證當電網(wǎng)故障時采用串級控制策略的BESS裝置是否能夠有效結(jié)合滯環(huán)控制的主動式Crowbar保護電路，從而提高雙饋風電機組的低電壓穿越能力，算例系統(tǒng)如圖7所示，其中風電場采用6臺額定容量為1.5MW的雙饋風電機組，經(jīng)過兩條架空線路和一臺升壓變壓器接入電網(wǎng)，風電機組運行在恒功率因數(shù)控制方式，功率因數(shù)設(shè)定為1。

圖7 系統(tǒng)仿真接線圖

假定在0.5s時刻風電并網(wǎng)公共節(jié)點處發(fā)生了持續(xù)時間為500ms的三相接地短路故障，電網(wǎng)電壓跌落至正常值的20%以下，圖8顯示了裝設(shè)Crowbar保護和BESS裝置后的雙饋風電機組在電網(wǎng)故障情況下的動態(tài)響應(yīng)情況。

圖8 電網(wǎng)故障情況下雙饋風電機組的動態(tài)響應(yīng)情況

仿真結(jié)果表明當電網(wǎng)電壓嚴重跌落(如圖8(a)所示)時，由于雙饋風電機組轉(zhuǎn)子中出現(xiàn)暫態(tài)過電流Crowbar保護電路投入運行，大量的轉(zhuǎn)子電流注入直流側(cè)電容，無論其直流側(cè)是否附加BESS裝置直流側(cè)母線電壓都會迅速上升，如圖8(d)所示，但是直流側(cè)裝設(shè)BESS裝置后直流側(cè)電容電壓恢復(fù)至正常值的速度明顯要快于僅裝設(shè)主動式Crowbar保護裝置。這是因為當電網(wǎng)出現(xiàn)故障時BESS裝置可以吸收直流側(cè)電容中多余的能量，從而使直流側(cè)母線電壓波動迅速衰減，由圖8(b)和圖8(c)可知在0.5s至0.53s時間段內(nèi)電池電流為負值電池處于充電狀態(tài)，有效地控制電容電壓低于安全閥值1400V，從而配合主動式Crowbar保護電路使雙饋風電機組在電網(wǎng)故障清除之后迅速恢復(fù)控制能力，改善其低電壓穿越能力。

4 結(jié)論

隨著風電并網(wǎng)導(dǎo)則日益嚴格，風電場必須具備一定的無功電壓調(diào)節(jié)能力、有功控制能力和低電壓穿越能力等，這也就使得儲能裝置在風電并網(wǎng)系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文詳細介紹了雙饋風電機組的控制與保護策略，包括轉(zhuǎn)子側(cè)變流器基于定子磁鏈定向的矢量控制方法及其Crowbar滯環(huán)保護策略和基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器雙閉環(huán)解耦控制方案;在分析了電池的特性的基礎(chǔ)上建立的BESS的數(shù)學(xué)模型和串級控制策略，最后通過仿真研究表明當電網(wǎng)發(fā)生故障時若在雙饋風電機組的直流側(cè)加裝BESS裝置，可以有效地控制直流側(cè)母線電壓在安全范圍內(nèi)，從而配合Crowbar保護提高風電機組的低電壓穿越能力。

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