超導(dǎo)儲(chǔ)能在并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

黨存祿，林國(guó)富

（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量及并網(wǎng)規(guī)模的不斷增加，風(fēng)能的不確定性導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出波動(dòng)的功率，并網(wǎng)后給局部薄弱電網(wǎng)帶來(lái)不容忽視的負(fù)面影響；電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，給風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)一系列暫態(tài)過(guò)程，此時(shí)如果大量風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越 能力而脫網(wǎng)，會(huì)增加電網(wǎng)電壓的恢復(fù)難度[1]。

對(duì)于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)存在的輸出功率波動(dòng)問(wèn)題，科研人員提出在全風(fēng)速范圍內(nèi)，結(jié)合變槳距和變速控制來(lái)平滑發(fā)電機(jī)的輸出功率[2]，但該方法的風(fēng)能利用率不高；利用變換器直流環(huán)節(jié)電壓的變化和漿距角協(xié)調(diào)控制來(lái)平滑風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率[3]，但該方法會(huì)導(dǎo)致直流電容頻繁地充放電，降低了直流電容的使用壽命。對(duì)于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)存在的低電壓穿越問(wèn)題可通過(guò)改進(jìn)控制策略的方法解決[4]，這種方法沒(méi)有額外成本，但從能量守恒角度來(lái)看，不可能從根本上解決電網(wǎng)故障期間由于暫態(tài)能量過(guò)剩而引起的過(guò)電壓、過(guò)電流問(wèn)題，只能在電壓、電流之間達(dá)到一種較好的均衡狀態(tài)，減小故障期間過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響；還可采用在變換器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)耗能電阻，使電網(wǎng)電壓跌落期間直流環(huán)節(jié)積累的能量被電阻消耗掉的方法解決[5]，這也是目前實(shí)踐中普遍應(yīng)用的方法，但在電網(wǎng)電壓跌落期間，直流環(huán)節(jié)積累的能量被白白浪費(fèi)了。

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)（Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES）具有響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高及循環(huán)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。其毫秒級(jí)響應(yīng)速度非常適合用于需要短時(shí)快速進(jìn)行功率調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。文獻(xiàn)[7]中將SMES通過(guò)變壓器連接于風(fēng)電場(chǎng)的交流母線上，來(lái)平滑整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)功率；文獻(xiàn)[8]中采用與文獻(xiàn)[7]中相同的結(jié)構(gòu)，來(lái)提高風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，但這樣的連接方式所需SMES容量較大，考慮經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用SMES以中小型為主[9]，同時(shí)采用這樣的連接方式會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)對(duì)SMES的依賴性過(guò)強(qiáng)，一旦變壓器或SMES遇到檢修或故障情況，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行將再次出現(xiàn)輸出功率波動(dòng)和暫態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]中提出了將SMES連接于直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)變換器直流環(huán)節(jié)，來(lái)解決直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的輸出功率波動(dòng)和低電壓穿越問(wèn)題，但文中并沒(méi)有考慮在SMES實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中超導(dǎo)磁體線圈電流水平的監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

因此，本文進(jìn)一步研究將SMES并聯(lián)在直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)變換器直流環(huán)節(jié)，一方面對(duì)SMES斬波器提出雙閉環(huán)加脈沖判斷的控制策略，確保超導(dǎo)磁體線圈電流水平在允許的范圍內(nèi)，使SMES快速、準(zhǔn)確地充放電；另一方面在常規(guī)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變換器控制策略中加入諧振控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)序分量引起波動(dòng)的有效控制，從而解決直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中存在的輸出功率波動(dòng)和低電壓穿越問(wèn)題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG），PMSG 發(fā)出的電能經(jīng)變換器送至電網(wǎng)，SMES 接于變換器的直流環(huán)節(jié)。

電網(wǎng)電壓正常時(shí)，當(dāng)風(fēng)速變化使得PMSG 輸出功率大于系統(tǒng)并網(wǎng)功率參考值時(shí)，通過(guò)控制斬波器的S1管恒通，S2管斬波，將多余的能量存儲(chǔ)在SMES中；當(dāng)風(fēng)速的變化使得PMSG 輸出功率小于系統(tǒng)并網(wǎng)功率參考值時(shí)，通過(guò)控制斬波器的S1管恒斷，S2管斬波，將SMES 中存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)，補(bǔ)充功率缺額。保證直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)最大限度地捕獲風(fēng)能的同時(shí)，向電網(wǎng)輸送較為平滑的有功功率。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落時(shí)，機(jī)側(cè)變換器保持其控制方式不變，通過(guò)對(duì)斬波器的控制，SMES 吸收直流環(huán)節(jié)所積累的能量，穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電壓；通過(guò)對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器的控制，維持并網(wǎng)電流平衡，抑制并網(wǎng)功率波動(dòng)，保證直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)控制策略

2.1 機(jī)側(cè)變換器控制策略

變換器控制框圖如圖2所示，機(jī)側(cè)變換器轉(zhuǎn)速參考值ω*由最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法給出[11-12]，無(wú)功電流分量isd的參考值isd*設(shè)定為零。

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

電網(wǎng)電壓不對(duì)稱跌落，采用常規(guī)的控制方式時(shí)，由于負(fù)序分量的存在，網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流在d-q坐標(biāo)系中會(huì)出現(xiàn)2 倍于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，威脅變換器的穩(wěn)定運(yùn)行，向電網(wǎng)注入諧波。考慮到負(fù)序分量帶來(lái)的不利影響，在網(wǎng)側(cè)變換器常規(guī)控制策略中加入諧振控制器[13-15]，對(duì)負(fù)序分量引起的2 倍于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差控制。

圖2 中直流環(huán)節(jié)電壓偏差經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到并網(wǎng)電流d 軸參考值，無(wú)功功率偏差（?。┙?jīng)功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到并網(wǎng)電流q 軸參考值，即

并網(wǎng)電流d、q軸電流偏差經(jīng)比例積分諧振控制器調(diào)節(jié)后，加上前饋解耦控制補(bǔ)償量得到在d-q坐標(biāo)系中調(diào)制電壓參考值，即

其中，Gr(s)為諧振控制器的傳遞函數(shù)，表達(dá)式為

式中：ωg為電網(wǎng)角頻率；Kr為諧振系數(shù)；ωc為截止頻率。調(diào)制電壓d、q軸參考值再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，采用空間矢量調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)脈沖。

諧振控制器對(duì)頻率為2ωg的信號(hào)增益大，而對(duì)其他頻率的信號(hào)衰減作用強(qiáng)，當(dāng)并網(wǎng)電流d、q軸分量不含2倍于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)時(shí)，諧振控制器不起作用，網(wǎng)側(cè)變換器控制變成常規(guī)的雙閉環(huán)控制。

圖 2 變換器控制框圖Fig.2 Block diagram of converter control

2.3 SMES斬波器控制策略

變換器直流環(huán)節(jié)功率方程為（忽略損耗）

有功功率的偏差經(jīng)過(guò)功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到SMES輸出電流參考值，即

式中：Ps為PMSG輸出的有功功率；Pdc為直流環(huán)節(jié)吸收的有功功率；Pg為風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的有功功率。

電網(wǎng)電壓正常時(shí)，在Ps變化的前提下，要使Pg保持不變，通過(guò)控制斬波器，使SMES實(shí)時(shí)吸收、釋放能量來(lái)改變Pdc即可。有功功率平滑參考值由計(jì)算平均值的方法給出，即

is1*與SMES輸出電流實(shí)際值is1比較后，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后得到斬波器占空比d1，即

式中：np為PMSG極對(duì)數(shù)；Ψf為PMSG轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；isq為PMSG定子q軸電流。

SMES雙向DC/DC斬波器控制框圖如圖3所示。

圖 3 SMES斬波器控制框圖Fig.3 Block diagram of SMES chopper control

再結(jié)合脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生斬波器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)脈沖判斷后控制斬波器開(kāi)關(guān)管的通斷。

電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，要控制變換器直流環(huán)節(jié)電壓在允許的范圍內(nèi)，仍采用上述雙閉環(huán)的控制方式，只是將功率外環(huán)變成電壓外環(huán)。

通過(guò)控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)上述兩種控制策略的切換，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)電壓正常時(shí)，控制開(kāi)關(guān)接于端口1，SMES按照平滑功率波動(dòng)的方式運(yùn)行；電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，控制開(kāi)關(guān)切換至端口2，SMES按照提高系統(tǒng)低電壓穿越能力的方式運(yùn)行。

由于SMES運(yùn)行的過(guò)程中，必須監(jiān)測(cè)超導(dǎo)磁體線圈的電流，使其運(yùn)行在一定范圍內(nèi)才能保證SMES的正常工作[16-17]，因此在斬波器的控制過(guò)程中引入脈沖判斷環(huán)節(jié)，當(dāng)超導(dǎo)線圈的電流水平滿足系統(tǒng)功率/電壓指令需求時(shí)，根據(jù)功率/電壓偏差的正負(fù)，確定觸發(fā)脈沖的極性的同時(shí)，產(chǎn)生S1管通/斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；當(dāng)超導(dǎo)線圈的電流水平不滿足系統(tǒng)功率/電壓指令需求時(shí)，則根據(jù)超導(dǎo)線圈的電流水平對(duì)功率/電壓指令進(jìn)行適當(dāng)修改，保證SMES的正常運(yùn)行；當(dāng)超導(dǎo)磁體的電流水平越限時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的功率/電壓需求不做出響應(yīng)，根據(jù)功率偏差/電壓偏差的正負(fù)，產(chǎn)生SMES工作于續(xù)流狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 仿真研究

利用Matlab/Simulink軟件，對(duì)圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)為：風(fēng)電機(jī)組額定功率1.5 MW，直流環(huán)節(jié)電容68 mF，額定電壓1 200 V，電網(wǎng)額定電壓690 V，額定頻率50 Hz，濾波電感2 mH，SMES容量2.577 MJ，超導(dǎo)磁體電感5.6 H，開(kāi)關(guān)頻率2 kHz。機(jī)側(cè)變換器外環(huán)Kp=4.6、Ki=138，內(nèi)環(huán)Kp=52、Ki=180，網(wǎng)側(cè)變換器外環(huán)Kp=3.3、Ki=120，內(nèi)環(huán)Kp=45、Ki=235、Kr=75、ωc=π/2、ωg=314，SMES斬波器外環(huán)Kp=0.3、Ki=25，內(nèi)環(huán)Kp=5.8、Ki=30。風(fēng)速信號(hào)由風(fēng)速四分量模型獲得，參照文獻(xiàn)[18]的描述設(shè)定允許的輸出功率波動(dòng)水平為±15%。電網(wǎng)電壓在1.84 s出現(xiàn)兩相跌落，在2.84 s出現(xiàn)單相跌落，電壓跌落至額定值的30%，跌落持續(xù)時(shí)間為0.12 s。

3.1 功率平滑控制仿真分析

圖4 功率平滑控制仿真波形Fig.4 Simulation results of power smooth control

電網(wǎng)電壓正常，SMES 平滑直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)輸出有功功率時(shí)的仿真波形如圖4所示，從圖中可知，PMSG 輸出功率波動(dòng)較大，最大值達(dá)到1.5 MW 而 最小值不足0.5 MW，當(dāng)PMSG輸出的有功功率高于功率平滑的參考值時(shí)，SMES吸收了多余的能量；當(dāng)PMSG輸出的有功功率低于功率平滑的參考值時(shí)，SMES釋放能量，補(bǔ)充了功率缺額。經(jīng)過(guò)SMES調(diào)節(jié)后，風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)際注入電網(wǎng)的有功功率較為平滑，穩(wěn)定在0.85 MW左右，最大波動(dòng)約12%，被限定在允許的范圍內(nèi)。

3.2 低電壓穿越性能仿真分析

常規(guī)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)兩相、單相電壓跌落仿真波形如圖5、圖6所示，從圖中可知，電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不對(duì)稱跌落后，系統(tǒng)并網(wǎng)電流幅值增加，波形出現(xiàn)畸變，三相之間嚴(yán)重不平衡；系統(tǒng)并網(wǎng)有功功率和直流環(huán)節(jié)電壓均出現(xiàn)了2 倍于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后，直流環(huán)節(jié)電壓恢復(fù)較慢。

與圖5、圖6 中相同的電壓跌落條件下，本文研究的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仿真波形如圖7、圖8所示，從圖中知，電網(wǎng)電壓發(fā)生不對(duì)稱跌落后，在SMES和網(wǎng)側(cè)變換器的協(xié)調(diào)控制下，系統(tǒng)并網(wǎng)電流中的負(fù)序分量得到有效的抑制，三相電流之間基本保持平衡，并網(wǎng)有功功率沒(méi)有出現(xiàn)2 倍于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，直流環(huán)節(jié)電壓波動(dòng)維持在允許的范圍內(nèi)。

圖5 常規(guī)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)兩相電壓跌落仿真波形Fig.5 Simulation results of two phase voltage sags for conventional direct-driven wind power system

圖6 常規(guī)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)單相電壓跌落仿真波形Fig.6 Simulation results of single phase voltage sag for conventional direct-driven wind power system

圖7 本文研究的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)兩相電壓跌落仿真波形Fig.7 Simulation results of two phase voltage sags for direct-driven wind power system in this paper

圖8 本文研究的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)單相電壓跌落仿真波形Fig.8 Simulation results of single phase voltage sag for direct-driven wind power system in this paper

4 結(jié)論

本文研究了將SMES 應(yīng)用到并網(wǎng)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，通過(guò)SMES 調(diào)整變換器直流環(huán)節(jié)的功率，改進(jìn)控制策略，使得電網(wǎng)電壓正常時(shí)，直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送較為平滑的有功功率，而電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力得到提升。仿真結(jié)果很好地說(shuō)明了方案的正確性和有效性。

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