模塊化多電平儲能單元改善并網(wǎng)風電場穩(wěn)定性研究

張振華，馮 濤

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.成都電業(yè)局，四川成都 610021)

0 引言

隨著風電的大規(guī)模發(fā)展，其在電網(wǎng)中所占比重越來越大。由于風具有間歇性，風電機組輸出穩(wěn)定性差，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，甚至可能危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，因此需研究風電運行特點并提高并網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。常見的解決方法是利用儲能裝置來抑制功率的波動［1－5］。超級電容由于具有大功率密度、材料無污染和循環(huán)使用等優(yōu)點，成為了一種較理想的儲能載體，得到廣泛研究［6－8］。選擇超級電容作為儲能元件，將其和模塊化多電平變流器相結(jié)合，作為功率調(diào)節(jié)單元，對風電機組進行功率補償。選擇模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)，是由于它模塊化的設(shè)計能靈活地適應(yīng)各種電壓等級和容量要求，同時輸出多電平能有效改善電壓波形，降低諧波污染［9］。

在給出儲能單元結(jié)構(gòu)和風機模型后，在對變流器進行功率解耦的基礎(chǔ)上，設(shè)計抑制風電輸出功率波動和連接點電壓波動的控制策略，仿真結(jié)果證明了該策略的有效性。

1 基于MMC儲能單元的并網(wǎng)風電系統(tǒng)

儲能單元與風電結(jié)合的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 儲能單元連接風電系統(tǒng)

圖2 子模塊

圖1中風電機組采用異步發(fā)電機組，并聯(lián)電容器組是為異步電機的啟動和運行提供一定的無功支撐。基于MMC和超級電容的儲能單元并聯(lián)接入低壓母線側(cè)。Pwind為風電系統(tǒng)輸出功率，Pmmc為儲能單元輸出功率，Pgrid為電網(wǎng)吸收的功率。

對于風機，當設(shè)定V為風速，R為風輪半徑，ρ為空氣密度，β為槳距角，ω為風輪轉(zhuǎn)速時，其模型按照式(1)建立［7］。

其中，葉尖速比λ=ωR/V;功率系數(shù)Cp是反映風力機效率的重要參數(shù)，它是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，擬合函數(shù)為式(2)、(3)所示，這里采用定槳距角風力機(β一定)。

MMC每相有上下兩個橋臂，每個橋臂由多子模塊級聯(lián)而成。每個子模塊由兩個開關(guān)器件和一個電容組成，如圖2所示，由于需要儲能，子模塊中的電容選擇為超級電容。MMC每時刻每相上下同時投入模塊數(shù)目之和相同，電抗 Ls是為了抑制相間環(huán)流。MMC儲能單元的功率調(diào)節(jié)作用是通過對每個子模塊中超級電容的充放電來完成的。當風速高的時候，對超級電容充電，將一部分能量儲存在MMC儲能單元中;當風速低的時候，MMC儲能單元通過電容放電，釋放能量，從而保證風電送入電網(wǎng)的功率平滑。在實際運行時，超級電容是在滿足耐壓時在一定范圍進行充放電，既保證有功功率吞吐的能力，又能保證超級電容的安全長期運行。

2 儲能單元的控制策略

儲能單元能量存儲在級聯(lián)子模塊的超級電容中，需要通過MMC變流器來進行吸收和釋放這種轉(zhuǎn)換，故需研究MMC變流器的模型。當取母線電壓矢量為參考矢量，且d軸與它始終重合時，在圖1所示參考方向時，得到dq旋轉(zhuǎn)坐標系下數(shù)學模型。

式中，ud、uq為 MMC 逆變電壓的 dq分量;ed、eq為電網(wǎng)電壓的dq分量;id，iq為儲能單元注入并聯(lián)節(jié)點電流的dq分量;p為微分算子。

電抗L是MMC儲能單元和電網(wǎng)交換能量的紐帶，也起到濾波的作用，但同時造成了功率的耦合。為保證儲能單元能夠快速調(diào)節(jié)功率，利用逆系統(tǒng)方法，對上述系統(tǒng)進行解耦［10，11］。為便于描述，將上式寫成狀態(tài)變量表達式。

其中，?。踴1，x2］=［id，iq］，［u1，u2］=［ud，uq］，［y1，y2］=［id，iq］。

式(5)表征的是一個非線性的受控對象，可以構(gòu)造該對象的逆系統(tǒng)，通過與原系統(tǒng)串聯(lián)將其改造為具有線性傳遞關(guān)系的偽線性系統(tǒng)，從而利用線性系統(tǒng)原理設(shè)計控制器。先對輸出變量求取一階導數(shù)得

式(6)中已經(jīng)顯含輸入變量，故不需要進一步對輸出變量求導，可解得逆系統(tǒng)模型。

對于式(7)逆系統(tǒng)，設(shè)定其輸入變量［v1，v2］=［py1，py2］，輸出變量為［u1，u2］。這樣將式(7)逆系統(tǒng)和式(5)原系統(tǒng)串聯(lián)，兩者構(gòu)成如圖3所示的偽線性復合系統(tǒng)，使得原來耦合的系統(tǒng)等價為兩個一階積分的線性子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 逆系統(tǒng)與原系統(tǒng)串聯(lián)

圖4 解耦系統(tǒng)

為對圖4偽線性系統(tǒng)設(shè)計控制器，先對儲能單元的控制目標進行研究。對于異步電機而言，其輸出有功和吸收的無功隨風速的大小波動，而無功的波動又會導致節(jié)點電壓的波動，為保證風電系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性，儲能單元需同時具有有功和無功功率的補償能力。考慮到實際風電場風機的分散性，為便于集中控制，儲能單元并聯(lián)于風電場出口側(cè)低壓母線，故設(shè)定儲能單元的調(diào)節(jié)目標是平滑電網(wǎng)吸收的有功功率和穩(wěn)定風電低壓母線的節(jié)點電壓。圖5所示為系統(tǒng)的控制框圖。外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中Vmref為電網(wǎng)額定相電壓的幅值，它與節(jié)點電壓的實際幅值作差，通過PI控制器得到內(nèi)環(huán)無功電流的指令值iqref;Pref為電網(wǎng)吸收有功的指令值，一般選取為一定時間內(nèi)預測風速的平均值對應(yīng)的風電有功出力，它與Pgrid作差并通過PI控制器得到內(nèi)環(huán)有功電流指令值Idref，而為提高有功控制的響應(yīng)速度，在其中疊加了前饋控制環(huán)節(jié)得到的有功電流預估值。在得到idref、iqref后，對于MMC變流器而言，其控制目標是要實現(xiàn)上述補償電流指令值的快速跟蹤，以完成有功和無功功率的補償，故逆系統(tǒng)的輸入變量v1、v2應(yīng)為指令值和實際值的誤差，即idref－id、iqref－iq，同時為確保消除誤差，引入PI控制器，故最終控制結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 整體控制框圖

對于MMC變流器，要求正常工作時各子模塊電容電壓能均衡，這里利用文獻［12］的調(diào)制策略和文獻［9］的均壓策略。

3 算例仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。對于風電機組，采用電容器組對其按有功功率的15%進行無功補償。風電場采用定槳距恒速風力發(fā)電機組，將風電場內(nèi)機組等值為一臺額定輸出功率10 MW的風電機組，輸出電壓為3.3 kV/50 Hz。然后通過升壓變壓器，經(jīng)線路接入35 kV電網(wǎng)。對于MMC儲能單元，設(shè)定每相有40個子模塊，即每個橋臂有20個，每個子模塊中電容可由超級電容組構(gòu)成，等效電容值為2 F，耐壓為500 V，設(shè)定其初始電壓為350 V，工作電壓范圍為300～450 V。限流電抗Ls=4 mH，連接電抗Ls=5.5 mH，等效電阻 R=0.25 Ω。

仿真中取一定時間內(nèi)風速信號的平均值作為風速預測值來確定儲能單元有功功率的指令值，圖6為5 s內(nèi)風速變化情況，圖7為風電場輸出有功功率和電網(wǎng)吸收有功功率的對比，圖8為加入儲能單元后風電并網(wǎng)接入點電壓波形的標幺值，圖9為MMC儲能單元子模塊電容電壓。

圖6 短時間內(nèi)風速變化情況

圖7 儲能單元對風電出力的平滑效果對比

圖8 公共連接點的電壓標幺值

圖9 儲能單元子模塊的電容電壓

從儲能單元并接入風電后仿真波形看出，當風速變化時，風電機組輸出的有功功率也會跟隨風速波動，但由于系統(tǒng)慣性的影響，有功功率的變化稍滯后于風速的變化;同時由風機模型知有功功率與風速的三次方成正比，當風速在不大的范圍變化時，有功功率的波動會較大，圖示在6 MW到10 MW之間，而這時根據(jù)預測風速平均值設(shè)定的有功功率指令值為7 MW，故要求儲能單元具有足夠的功率吞吐容量;而風速波動的隨機性要求儲能單元能夠快速地進行有功調(diào)節(jié)。圖示電網(wǎng)吸收有功功率能穩(wěn)定在設(shè)定值7 MW，表明儲能單元具有快速平滑風電輸出的能力。在儲能單元調(diào)節(jié)有功功率時，各子模塊超級電容電壓在充放電過程中也能保持均衡。圖示風電接入點電壓標幺值能穩(wěn)定在1附近，說明儲能單元也具有快速的無功補償能力，能滿足有功功率波動時對無功功率的需求。儲能單元可以實現(xiàn)有功和無功的快速綜合補償，從而大大降低風速波動對電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊，也有利于風電機組自身的平穩(wěn)運行。

4 結(jié)論

對于采用異步電機的風電系統(tǒng)，在風速變化時，其輸出有功功率會波動，導致吸收的無功功率發(fā)生變化，連接點的電壓也隨之改變，故儲能單元需要具有有功和無功的綜合補償能力。超級電容具有大功率密度，能夠循環(huán)使用，故成為一種合適的儲能載體，而MMC作為一種模塊化級聯(lián)拓撲，其多電平電壓輸出不會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響，將兩者結(jié)合作為儲能單元，仿真表明，其對風電系統(tǒng)具有靈活快速的功率調(diào)節(jié)能力，能平滑風電機組有功輸出，穩(wěn)定接入點交流電壓，較大幅度提高了風電場并網(wǎng)運行穩(wěn)定性。

［1］王文亮，葛寶明，畢大強.儲能型直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電控制系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(14):43－48，78.

［2］李國杰，唐志偉，聶宏展，等.釩液流儲能電池建模及其平抑風電波動研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(22):115 －119，125.

［3］張占奎，王德意，遲永寧，等.超導儲能裝置提高風電場暫態(tài)穩(wěn)定性的研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(24):38－42，47.

［4］阮軍鵬，張建成，汪娟華.飛輪儲能系統(tǒng)改善并網(wǎng)風電場穩(wěn)定性的研究［J］.電力科學與工程，2008，24(3):5－8.

［5］張步涵，曾 杰，毛承雄，等.電池儲能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風電場電能質(zhì)量和穩(wěn)定性中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(15):54－58.

［6］Laxman Maharjan，Shigenori Inoue，Hirofumi Akagi.A Transformerless Energy Storage System Based on a Cascade Multilevel PWM Converter with Star Configuration［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44(5):1621－1630.

［7］郭學英，金曉林.基于超級電容器的風電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究［J］.電工電氣，2010(10):1－5.

［8］侯世英，房勇，曾建興，等.應(yīng)用超級電容提高風電系統(tǒng)低電壓穿越能力［J］.電機與控制學報，2010，14(5):26－31.

［9］劉鐘淇，宋強，劉文華.基于模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(2):53－58.

［10］劉陸洲，肖建，王嵩.感應(yīng)電機的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣義逆系統(tǒng)解耦控制［J］.電機與控制學報，2009，13(z1):72－77.

［11］黃崇鑫，王奔，鄒超，等.并聯(lián)有源電力濾波器新型控制策略仿真研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(5):52－55，70.

［12］屠卿瑞，徐政，姚為正.模塊化多電平換流器型直流輸電電平數(shù)選擇研究［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(20):33－38，44.