基于飛輪儲(chǔ)能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率柔性控制*

歐陽(yáng)慧珉, 張廣明， 顧 劍， 黃宇程

(南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 211816)

0 引 言

風(fēng)能作為一種清潔高效的可再生能源，受到了世界范圍的青睞[1]。隨著總裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出電能對(duì)并網(wǎng)系統(tǒng)的影響越來(lái)越突出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率存在大的波動(dòng)，直接并網(wǎng)會(huì)威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，研究和解決風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問(wèn)題具有實(shí)際意義。

目前，主要通過(guò)控制風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速[2]和控制槳距角[3-4]來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率柔性控制。前者使風(fēng)電場(chǎng)輸出的有功功率能很好地跟蹤所給定功率曲線，但該方法調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出的最大有功功率不足以滿足要求時(shí)，就失去了作用。后者通過(guò)對(duì)槳距角的控制來(lái)改變風(fēng)機(jī)的迎風(fēng)面，盡可能地捕獲到相對(duì)平穩(wěn)的風(fēng)速，從而使風(fēng)電場(chǎng)輸出波動(dòng)相對(duì)較小的功率。該方法的缺點(diǎn)是在風(fēng)速變化較快時(shí)，由于變槳距機(jī)構(gòu)的慣性較大，機(jī)構(gòu)無(wú)法很好地捕捉到平滑的風(fēng)能。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1) 對(duì)環(huán)境沒有污染，綠色環(huán)保；(2) 能量轉(zhuǎn)換效率高；(3) 性能較穩(wěn)定，受外界因素影響較?。?4) 無(wú)限次充放電，且充放電迅速，壽命長(zhǎng)；(5) 系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)地形沒有特殊要求。飛輪儲(chǔ)能已廣泛用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率控制[5-10]。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)連入并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，可通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功、無(wú)功功率的快速跟蹤并根據(jù)需要對(duì)有功、無(wú)功功率進(jìn)行吸收和補(bǔ)償，使風(fēng)電系統(tǒng)的輸出滿足并網(wǎng)要求。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)輸出的電能大于電網(wǎng)所需電能時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余的電能；當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)的輸出電能不能滿足電網(wǎng)的電能需求時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放其存儲(chǔ)的能量供給電網(wǎng)，從而達(dá)到柔性控制目的。

本文通過(guò)雙脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Mod-ulation, PWM)變流器將風(fēng)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)相連，控制系統(tǒng)間能量雙向流動(dòng)，從而調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。在瞬時(shí)功率理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率采用內(nèi)、外環(huán)相結(jié)合的控制策略。網(wǎng)側(cè)PWM變流器采用直流側(cè)電壓和無(wú)功功率的外環(huán)控制，儲(chǔ)能側(cè)PWM變流器則采用直接功率控制策略，雙PWM變流器的內(nèi)環(huán)控制均采用dq軸電流的解耦控制。仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

1 含有飛輪儲(chǔ)能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 引入儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

引入儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)、感應(yīng)發(fā)電機(jī)、并聯(lián)電容器組等部分組成。并聯(lián)電容器組為感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行提供足夠的無(wú)功補(bǔ)償，維持輸出端電壓的恒定。飛輪儲(chǔ)能單元通過(guò)雙電壓源PWM型變流器和連接電抗器接到感應(yīng)發(fā)電機(jī)母線上。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不能滿足電網(wǎng)的需要時(shí)，以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)母線上的有功、無(wú)功功率作為雙PWM變流器的控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)向風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電；反之，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能多于電網(wǎng)所需的電能時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余的電能，從而平抑系統(tǒng)的輸出功率，保證輸入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

2 功率控制器設(shè)計(jì)

2.1 瞬時(shí)功率理論

在abc三相坐標(biāo)系中，設(shè)ea，eb，ec為三相瞬時(shí)電壓，ia，ib，ic為三相瞬時(shí)電流，則有功瞬時(shí)功率和無(wú)功瞬時(shí)功率分別為

(1)

abc三相坐標(biāo)系中的瞬時(shí)電壓、電流經(jīng)Clarke變換和Park變換，得到dq坐標(biāo)系中的瞬時(shí)電壓ed、eq，瞬時(shí)電流id、iq。

有功瞬時(shí)功率和無(wú)功瞬時(shí)功率化為

(2)

2.2 儲(chǔ)能側(cè)變流器控制器設(shè)計(jì)

儲(chǔ)能側(cè)變流器采用有功和無(wú)功功率控制。通過(guò)儲(chǔ)能側(cè)變流器對(duì)有功和無(wú)功功率指令值的快速跟蹤形成電壓外環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制則是對(duì)輸入的d軸和q軸電流進(jìn)行解耦控制。儲(chǔ)能側(cè)變流器控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)能側(cè)變流器控制器結(jié)構(gòu)

在外環(huán)中，取電壓矢量的方向?yàn)閐軸方向，則電壓矢量的模等于d軸的電壓分量，根據(jù)瞬時(shí)功率理論和式(2)可得

(3)

有功功率和無(wú)功功率控制，即儲(chǔ)能側(cè)變流器外環(huán)控制如圖3所示。圖中Pref為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要輸出的有功功率，P為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際輸出的有功功率，通過(guò)兩者相減可得到儲(chǔ)能系統(tǒng)所需要吸收或釋放的有功功率的指令值，再除以d軸的電壓分量可得到儲(chǔ)能側(cè)有功電流的指令值idref。同理，得到儲(chǔ)能側(cè)無(wú)功電流的指令值iqref。

圖3 儲(chǔ)能側(cè)變流器外環(huán)控制

在內(nèi)環(huán)中，根據(jù)背靠背雙PWM變流器在dq兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，可得儲(chǔ)能側(cè)變流器的電壓方程為

(4)

式中：ud1、uq1——儲(chǔ)能側(cè)變流器交流側(cè)電壓的d、q軸分量；

ed1、eq1——儲(chǔ)能系統(tǒng)的d、q軸電壓分量。

從式(4)可知，ud1、uq1分別受交叉耦合項(xiàng)ωLiq1和-ωLid1的影響，給控制器設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難，故須對(duì)外環(huán)輸出電流的dq軸分量進(jìn)行解耦。針對(duì)這一情況，令

(5)

將式(4)代入式(5)整理得

(6)

式中，kp1、kp2、ki1、ki2分別為PI控制器的參數(shù)。

可知當(dāng)參數(shù)使上式成立時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)功能，同時(shí)也對(duì)電流實(shí)現(xiàn)了dq軸解耦控制。

儲(chǔ)能側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制如圖4所示。該內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)了dq軸電流的解耦控制，得到了輸出電壓信號(hào)，然后根據(jù)PWM的空間矢量控制技術(shù)(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，來(lái)控制變流器工作。

圖4 儲(chǔ)能側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制

另外,電網(wǎng)側(cè)變流器采用的是定直流電壓和無(wú)功功率控制。通過(guò)直流側(cè)電壓和無(wú)功功率來(lái)確定內(nèi)環(huán)的參考電流值。內(nèi)環(huán)則通過(guò)dq軸電流解耦控制得到輸出電壓信號(hào)。

電網(wǎng)側(cè)的內(nèi)環(huán)同樣采用的是dq軸電流的解耦控制，通過(guò)對(duì)dq軸電流指令值的跟蹤來(lái)得到電壓。電網(wǎng)側(cè)變流器的內(nèi)環(huán)控制與儲(chǔ)能側(cè)變流器的內(nèi)環(huán)控制類似，在此不再贅述。

3 參數(shù)的選擇

3.1 電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

由于電流內(nèi)環(huán)中d軸和q軸的電流控制結(jié)構(gòu)相同，這里以q軸電流為例設(shè)計(jì)控制器。電流內(nèi)環(huán)控制器的傳遞函數(shù)框圖如圖5所示。

圖5 電流內(nèi)環(huán)控制器的傳遞函數(shù)框圖

則閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(7)

此時(shí)該系統(tǒng)為典型的二階系統(tǒng)，有

(8)

由于采用SVPWM方式時(shí)，kPWM的值為1，則

(9)

(10)

整理得閉環(huán)傳遞函數(shù)

(11)

3.2 電壓外環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)

電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)框圖如圖6所示。

圖6 電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)框圖

整理得開環(huán)傳遞函數(shù)為

(12)

其中，C為直流側(cè)的電容，Tc=τ1+3T，τ、τ1為延遲時(shí)間。

(13)

頻寬h通常取值為5，得

τ=5(τ1+3T)

(14)

(15)

4 仿真研究

4.1 仿真模型

在MATLAB/Simulink環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。采用給直流電源添加階躍信號(hào)后經(jīng)逆變器得到波動(dòng)交流信號(hào)模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，用三相電壓源模擬吸收和釋放能量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果分析

4.2.1 模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出

本文采用加入階躍信號(hào)的直流源來(lái)模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不穩(wěn)定的輸出，其輸出電壓、電流分別如圖7、圖8所示。

圖7 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓

圖8 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電流

4.2.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制風(fēng)電輸出功率波動(dòng)

未經(jīng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波形如圖9所示，可看出由于風(fēng)能的波動(dòng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的初始輸出功率存在明顯的波動(dòng)。

圖9 未經(jīng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作用的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波形

經(jīng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作用后的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率如圖10所示。由圖可知，有功功率經(jīng)短暫調(diào)整后在0.1s前就穩(wěn)定在約15kW，在 0.2s 和0.4s兩個(gè)時(shí)刻，有功功率突然波動(dòng)，但在短暫的調(diào)整后回到了原來(lái)的位置。有功功率的輸出表明了該控制系統(tǒng)的有效性，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)波動(dòng)輸出，系統(tǒng)的控制策略起到了平滑輸出功率的作用，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的作用下保持平滑。

圖10 經(jīng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作用后的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出有功功率

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)問(wèn)題提出了一種基于飛輪儲(chǔ)能裝置的功率柔性控制策略。采用外環(huán)控制確定電流參考值和通過(guò)內(nèi)環(huán)解耦得到變流器工作的電壓信號(hào)相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，從儲(chǔ)能側(cè)變流器控制器和電網(wǎng)側(cè)變流器控制兩個(gè)方面分別設(shè)計(jì)了控制器。仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

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