風(fēng)/柴/儲(chǔ)能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置控制與仿真

姚鑫,栗文義，趙振興，趙鵬

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080;2.神華神東電力有限公司，內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗017100）

風(fēng)/柴/儲(chǔ)能孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更容易受到風(fēng)速變化的影響[1-4]。當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)會(huì)造成風(fēng)機(jī)出力不足；當(dāng)風(fēng)速高于切出風(fēng)速時(shí)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)緊急停機(jī)；風(fēng)速變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)，這些因素都會(huì)影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性[5-7]。

在風(fēng)速波動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無(wú)法向負(fù)荷輸出穩(wěn)定功率時(shí)，安裝儲(chǔ)能裝置是確保向用戶輸送穩(wěn)定電能的有效手段之一[8-10]。對(duì)于小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，一般采用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。

目前，對(duì)蓄電池控制器的研究主要集中在蓄電池充放電方式的方案選擇、與交流系統(tǒng)進(jìn)行能量交換的逆變器及其控制策略等方面[11-14]。逆變器的實(shí)現(xiàn)方案有低頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)和高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)，其控制方法主要基于正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)或空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)蓄電池向交流系統(tǒng)提供穩(wěn)定合格的電能[15-18]。

上述研究方法主要是將蓄電池同交流系統(tǒng)直接連接，缺點(diǎn)是控制方法較為復(fù)雜，在交直交風(fēng)電系統(tǒng)中，則缺乏對(duì)直流母線的充分利用[19-23]。本文設(shè)計(jì)了適用于連接在直流母線上的蓄電池控制器模型，該控制器能夠控制蓄電池與系統(tǒng)直流母線進(jìn)行能量交換。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前已經(jīng)投入使用的孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)多采用小型永磁同步發(fā)電機(jī)或小型異步發(fā)電機(jī)。本文采用永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchr-onousGenerators，簡(jiǎn)稱PMSG），它發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)整流-逆變環(huán)節(jié)，輸送給用戶使用。柴油發(fā)電機(jī)作為備用發(fā)電機(jī)組[24-27]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 中VB表示儲(chǔ)能裝置，連接于系統(tǒng)直流母線上。這種交直交系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與儲(chǔ)能裝置共用一套整流-逆變裝置，節(jié)約成本，負(fù)荷不受發(fā)電機(jī)頻率變化的影響[28]。儲(chǔ)能裝置在風(fēng)能充足時(shí)吸收電能，在風(fēng)能不足時(shí)向系統(tǒng)放電以維持直流母線電壓的穩(wěn)定，從而通過(guò)逆變器向用戶提供合格的交流電能。

儲(chǔ)能裝置與系統(tǒng)的功率交換情況如下[29]：

設(shè)發(fā)電機(jī)輸出功率為Pg，在充電時(shí)，儲(chǔ)能裝置吸收的電能為Pb，輸送給負(fù)荷的電能為Pd。忽略系統(tǒng)損耗，功率交換表達(dá)式為

從式（1）可以看出，當(dāng)用戶負(fù)荷容量固定時(shí)，儲(chǔ)能裝置吸收能量Pb隨發(fā)電機(jī)輸出功率Pg變化而變化。當(dāng)Pb為正時(shí)，儲(chǔ)能裝置從系統(tǒng)吸收電能，此時(shí)為充電狀態(tài)。當(dāng)Pb為負(fù)時(shí)，儲(chǔ)能裝置向系統(tǒng)釋放電能，以補(bǔ)充由于風(fēng)力不足所造成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力不足。

2 儲(chǔ)能裝置充電與放電的數(shù)學(xué)模型

將儲(chǔ)能裝置分為充電和放電2個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析，以便更容易了解控制器的設(shè)計(jì)思路。由于儲(chǔ)能裝置的工作電壓低于整流器輸出的直流電壓，所以必須使用Buck-boost電路，即通過(guò)斬波器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓[30]。

2.1 充電狀態(tài)模型

當(dāng)風(fēng)力充足時(shí)，儲(chǔ)能裝置運(yùn)行于降壓斬波（Buck）模式，從系統(tǒng)吸收電能進(jìn)行儲(chǔ)能[31]。儲(chǔ)能裝置充電狀態(tài)見(jiàn)圖2。

圖2 儲(chǔ)能裝置充電狀態(tài)

在圖2Buck-boost電路中，Ta1和Ta2為上下兩個(gè)橋臂。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于降壓斬波模式時(shí)，上橋臂Ta1運(yùn)行，下橋臂Ta2截止，C為系統(tǒng)消除諧波的電容，其端電壓為直流側(cè)母線電壓Vdc。在放電時(shí)，儲(chǔ)能裝置由電容C、上橋臂Ta1、電感La和VB形成通路。蓄電池端電壓為VB。當(dāng)直流側(cè)電壓高于儲(chǔ)能裝置端電壓VB時(shí)，電感La吸收直流側(cè)電容能量，并向蓄電池放電。當(dāng)Ta1關(guān)斷的時(shí)候，La保存的能量可以繼續(xù)向蓄電池放電，進(jìn)行續(xù)流。

斬波器輸出電壓的平均值與直流電壓的關(guān)系為

式（2）中，da為Ta1的占空比，值為ton/TS，ton為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，TS為Ta1的切換周期。

電壓和電流的關(guān)系為

式（3）中，ra為電感La的內(nèi)電阻；ia為儲(chǔ)能裝置的充電電流。由于上橋臂Ta1的狀態(tài)是斷續(xù)的，故電感La的電流ia是變化的。為了便于計(jì)算，在Ta1的一個(gè)關(guān)斷周期內(nèi)，采用平均值的方法得到電感的平均電流值，故式（4）可以改寫(xiě)成

在高頻切換時(shí)，Ta1的實(shí)際電流與參考電流之間的偏差較小，在每一個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)，實(shí)際電流能夠跟隨參考電流的幅值而變化，通過(guò)設(shè)定合適的參考電流，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能裝置充電模式的控制。

2.2 放電狀態(tài)模型

當(dāng)風(fēng)資源不足導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力減少或停機(jī)時(shí)，儲(chǔ)能裝置必須放電，向用戶穩(wěn)定供電。儲(chǔ)能裝置放電狀態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 儲(chǔ)能裝置放電狀態(tài)

圖3 中，儲(chǔ)能裝置處于升壓斬波狀態(tài)，即Boost狀態(tài)，上橋臂Ta1截止，下橋臂Ta2運(yùn)行。與充電狀態(tài)相比較，電感的電流方向相反，幅值為ia1。當(dāng)Ta2導(dǎo)通時(shí)，電感與儲(chǔ)能裝置形成回路，電感暫時(shí)存儲(chǔ)蓄電池所釋放的電能，當(dāng)Ta2關(guān)斷時(shí)，由Ta1的并聯(lián)二極管，將電感所存儲(chǔ)的能量輸送至直流電容C，直流側(cè)母線因?yàn)槲招铍姵仉娔芏撸瑥亩鴮?shí)現(xiàn)向系統(tǒng)補(bǔ)充電能的作用。

斬波器輸出電壓的平均值Va與直流電壓Vdc之間的關(guān)系為

放電狀況下的控制思路與充電方式相同，即控制式（11）中的參考電流值實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置放電控制。

2.3 控制器設(shè)計(jì)方案

控制器原理如圖4所示。

圖4 充放電控制器原理

采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制思路[32]。外部電壓回路為定電壓控制，根據(jù)參考電壓的幅值，對(duì)檢測(cè)到的直流母線電壓Vdc進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制儲(chǔ)能裝置的充放電電流?？刂葡到y(tǒng)對(duì)輸出的載波與三角波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào)，從而調(diào)節(jié)斬波器電壓，實(shí)現(xiàn)充放電控制。具體的控制器仿真框圖如圖5所示。

圖5 控制器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的充放電控制系統(tǒng)主要針對(duì)蓄電池儲(chǔ)能，也適用于對(duì)超導(dǎo)磁儲(chǔ)能[33]和超級(jí)電容器儲(chǔ)能[34]，這兩種儲(chǔ)能方式在仿真中可以采用電感或電容器件作為儲(chǔ)能元件，對(duì)這些元件進(jìn)行斬波調(diào)壓控制可以實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的能量交換。此外，本控制電路對(duì)飛輪儲(chǔ)能、燃料電池儲(chǔ)、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等方式不適用，因此只適用控制蓄電池、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能這類儲(chǔ)能設(shè)備。

3 仿真與分析

3.1 仿真模型與參數(shù)

采用一臺(tái)額定功率6 kW永磁同步發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，額定風(fēng)速12 m/s，輸出電壓690 V，頻率可變。由于系統(tǒng)采用整流-逆變方式向用戶供電，故發(fā)電機(jī)頻率的變化不會(huì)對(duì)負(fù)荷產(chǎn)生影響。使用同等容量和電壓等級(jí)的柴油發(fā)電機(jī)組作為系統(tǒng)的備用機(jī)組，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力不滿足負(fù)荷需求時(shí)，柴油機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。

根據(jù)上述儲(chǔ)能裝置充放電控制原理和數(shù)學(xué)模型建立孤立風(fēng)/柴/儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型。為了簡(jiǎn)化分析，系統(tǒng)采用不可控整流器。仿真中，直流負(fù)載的大小為500Ω，直流穩(wěn)壓電容為0.001 F；整流器緩沖電阻為1×105Ω，緩沖電容為1×1012F，二極管內(nèi)阻和內(nèi)部電感分別為1×10-3Ω和0H，正向壓降為0V。可以根據(jù)改變儲(chǔ)能裝置中電容值的大小來(lái)模擬不同容量的蓄電池，大容量電容所存儲(chǔ)的電量需要滿足系統(tǒng)短時(shí)（小于1 min）供電需求，本仿真中儲(chǔ)能電容設(shè)定為1.5 F。仿真采用ode23 tb算法，離散仿真類型，采樣時(shí)間為1×10-4s，仿真時(shí)長(zhǎng)為30 s。

3.2 無(wú)儲(chǔ)能設(shè)備仿真結(jié)果

對(duì)于孤立風(fēng)/柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)力充足時(shí)使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向用戶提供電能，當(dāng)風(fēng)力不足時(shí)，啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電。模擬這種切換過(guò)程的直流側(cè)母線電壓如圖6所示。

圖6 風(fēng)/柴互補(bǔ)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行狀況

在0.1 s時(shí)，風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開(kāi)始向負(fù)荷供電。直流側(cè)電壓穩(wěn)定在0.926 kV左右，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)逆變器，向負(fù)荷提供穩(wěn)定的交流電。在5 s時(shí)，由于風(fēng)速持續(xù)下降，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力減少，此時(shí)備用機(jī)組投入。小型應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間為15~60 s，這里設(shè)定為20 s。在第20 s時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)成功，開(kāi)始向用戶供電。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在剛投切時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，故直流母線電壓的峰值會(huì)接近于1.2 kV。在實(shí)際的系統(tǒng)中，需要采取發(fā)電機(jī)軟啟動(dòng)等方法來(lái)消除這種過(guò)電壓。由圖6可知，在風(fēng)機(jī)出力不足被切除到柴油發(fā)電機(jī)組投入使用期間，直流電壓跌落到0，顯然造成該孤立風(fēng)電系統(tǒng)無(wú)法向負(fù)荷供電。因此，必須采取儲(chǔ)能設(shè)備，維持這一切換時(shí)間內(nèi)直流電壓的穩(wěn)定。

3.3 有儲(chǔ)能設(shè)備仿真結(jié)果

風(fēng)能不足時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備放電，仿真結(jié)果如圖7所示。風(fēng)能充足時(shí)儲(chǔ)能裝置處于滿充狀態(tài)，儲(chǔ)存的電量完全滿足負(fù)荷短時(shí)需求。

圖7 儲(chǔ)能設(shè)備放電對(duì)直流電壓的影響

在5 s～25 s時(shí)，由于儲(chǔ)能設(shè)備放電，系統(tǒng)直流電壓維持穩(wěn)定在0.926 kV，此時(shí)用戶不受風(fēng)電機(jī)組切出的影響，保證了供電的穩(wěn)定性。

當(dāng)風(fēng)速恢復(fù)到能夠使風(fēng)電機(jī)組保持額定出力，或者使用柴油發(fā)電機(jī)組持續(xù)向負(fù)荷供電時(shí)，應(yīng)同時(shí)向儲(chǔ)能設(shè)備充電，以保證在系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)的電壓跌落時(shí)，維持電壓穩(wěn)定。儲(chǔ)能裝置充電過(guò)程如圖8所示。

圖8 儲(chǔ)能設(shè)備充放電仿真結(jié)果

柴油發(fā)電機(jī)投行后，在26~29 s期間，儲(chǔ)能設(shè)備從系統(tǒng)吸收電能。在整個(gè)充電過(guò)程中，系統(tǒng)直流電壓略有下降，這是由于在充電時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)新增負(fù)荷的緣故。

在仿真中，需要考慮直流電壓控制與斬波器、逆變器之間的相互聯(lián)系以及蓄電池輸入和輸出特性對(duì)控制器的影響。此系統(tǒng)最重要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓波形完整，在直流電壓穩(wěn)定時(shí)，采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)作為逆變器的控制電路，逆變器輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 逆變器輸出交流電壓

由于逆變器輸出含有高頻諧波等分量，因此三相交流電壓波形并不完全平滑，但對(duì)用戶正常用電不構(gòu)成較大影響,在實(shí)際的系統(tǒng)中可以采取相應(yīng)的濾波措施消除諧波。

在運(yùn)行中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組的容量合理選擇儲(chǔ)能設(shè)備的容量以節(jié)約蓄電池購(gòu)置成本和縮短充電時(shí)間，降低因充電而對(duì)系統(tǒng)電壓造成的影響。

3.4 風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)時(shí)的無(wú)儲(chǔ)能設(shè)備仿真結(jié)果

當(dāng)風(fēng)速波動(dòng)時(shí)，直流電壓和逆變器輸出三相交流電壓的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示。

仿真結(jié)果表明，在風(fēng)速波動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)時(shí)，如果不采取任何控制措施，則會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動(dòng)和逆變器輸出電壓的波動(dòng)，不能滿足供電要求。

圖10 風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)時(shí)直流側(cè)電壓

圖11 風(fēng)機(jī)輸出功率波動(dòng)時(shí)逆變器輸出交流電壓

3.5 風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)時(shí)使用儲(chǔ)能設(shè)備仿真結(jié)果

采用蓄電池可以在風(fēng)機(jī)功率輸出低于額定值時(shí)釋放電能，保持直流母線電壓穩(wěn)定，在風(fēng)機(jī)輸出功率高于額定值時(shí)，通過(guò)蓄電池充電或啟用卸載負(fù)荷吸收多余的電能，使直流母線的電壓升幅降低。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 風(fēng)速波動(dòng)時(shí)的電壓和功率變化

在5~15 s時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率持續(xù)減小，此時(shí)蓄電池向直流母線釋放電能維持電壓和功率穩(wěn)定。在15~20 s時(shí)，風(fēng)機(jī)輸出功率出現(xiàn)劇烈變動(dòng)，風(fēng)機(jī)輸出功率由5.5 kW增加到15 kW。

針對(duì)這種情況可以快速啟用蓄電池吸或卸載負(fù)荷吸收風(fēng)機(jī)發(fā)出的多余電能，無(wú)論采取何種方式，都相當(dāng)于增加了系統(tǒng)負(fù)載，故導(dǎo)致直流母線電壓跌落到430 V，系統(tǒng)向用戶輸出的功率減小，在增加蓄電池進(jìn)行充電后，系統(tǒng)輸出功率在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，在15.6 s時(shí)電壓波動(dòng)幅度顯著降低，電壓幅值開(kāi)始上升。

在20 s時(shí)，直流電壓和輸出功率恢復(fù)到正常水平。在20~30 s時(shí)，風(fēng)機(jī)切出，由蓄電池維持釋放電能，直流電壓和功率保持穩(wěn)定。

仿真結(jié)果表明，該蓄電池控制器可以在一定范圍內(nèi)控制蓄電池維持系統(tǒng)電壓和功率穩(wěn)定。由于小型孤立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池容量有限，故遇到風(fēng)機(jī)輸出功率因風(fēng)速變化導(dǎo)致頻繁劇烈變動(dòng)時(shí)，必須切除風(fēng)機(jī)，避免保蓄電池因?yàn)轭l繁充放電導(dǎo)致的使用壽命縮短。

4 結(jié)論

本文采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的思路設(shè)計(jì)控制器，該控制器可以有效控制連接在系統(tǒng)直流母線上的蓄電池等儲(chǔ)能裝置，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置穩(wěn)定、快速補(bǔ)償孤立風(fēng)/柴/儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)由于風(fēng)力不足而引起的電壓跌落或電壓波動(dòng)。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能裝置控制器可以滿足功率為幾個(gè)到幾十個(gè)千瓦的小型孤立發(fā)電系統(tǒng)的需求。因此，基于對(duì)斬波器控制的儲(chǔ)能裝置在實(shí)際應(yīng)用中具有實(shí)用性。

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