基于儲能系統(tǒng)提升直驅(qū)風(fēng)電低電壓穿越能力

布 赫，任永峰，胡宏彬，尹柏清，陳明軒

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2．內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

基于儲能系統(tǒng)提升直驅(qū)風(fēng)電低電壓穿越能力

布 赫1，任永峰1，胡宏彬2，尹柏清2，陳明軒1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2．內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

風(fēng)電作為環(huán)境友好型電源在電網(wǎng)中的滲透率不斷增大，其弱的致穩(wěn)性與弱抗擾性對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及其運行穩(wěn)定性將產(chǎn)生重大影響。風(fēng)電場具備低電壓穿越能力已成為其并網(wǎng)發(fā)電的必要條件，將高壓大功率三電平變換器應(yīng)用到直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，提出采用超級電容(EDLC)儲能系統(tǒng)提升機組低電壓穿越能力。在研究基于超級電容儲能的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制策略的基礎(chǔ)上，對網(wǎng)側(cè)變換器控制策略做了進一步改進。在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了完備的系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果很好地驗證了所提方案的正確性和有效性。

直驅(qū)式風(fēng)電；儲能系統(tǒng)；低電壓穿越；三電平變換器；控制策略

在多種可再生能源當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展速度最快的清潔能源之一。隨著風(fēng)電場的規(guī)模變得越來越大，風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響也越來越大，風(fēng)電場的并網(wǎng)條件就顯得更為重要。近年來,一些國家已經(jīng)發(fā)布了專用的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)導(dǎo)則[1-3]。同時,微型電網(wǎng)和智能電網(wǎng)方面也研究了高效的電源管理辦法[4-5]。要求并網(wǎng)風(fēng)電場必須具有一定的低電壓穿越(LVRT)能力，即在一定程度的電網(wǎng)電壓跌落下，風(fēng)電機組能夠不脫網(wǎng)連續(xù)運行，并且向電網(wǎng)提供一定的無功支撐，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和穩(wěn)定電網(wǎng)。圖1所示為風(fēng)電場低電壓穿越要求。

圖1 風(fēng)電場低電壓穿越要求

國內(nèi)外已對直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)LVRT做了大量研究[6-10]。其中文獻[4]通過在直流側(cè)接入制動電阻吸收電網(wǎng)電壓跌落期間風(fēng)機輸出的多余能量，這是一種有效的方法，但多余的能量以熱能的形式損耗掉，不僅浪費能量，對電路的散熱要求也高；文獻[5]通過對直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制方法的改進在一定程度上提高了其低電壓穿越能力；文獻[6]在風(fēng)電場出口處并聯(lián)STATCOM裝置，提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，增強系統(tǒng)LVRT能力；文獻[7-8]利用系統(tǒng)慣性將不平衡的能量儲存起來，同時減小風(fēng)能捕獲，這種方法在一定程度上提高了系統(tǒng)的LVRT能力，但其水平有限。

本文采用雙三電平背靠背變流器結(jié)構(gòu)，即機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器均采用二極管中點箝位(Neutral-point-clamped，NPC)型三電平拓撲結(jié)構(gòu)。通過在網(wǎng)側(cè)變換器直流側(cè)并聯(lián)超級電容儲能系統(tǒng)來提升其故障穿越能力，通過控制雙向DC/DC變換器及并網(wǎng)變流器，使直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)實現(xiàn)低電壓穿越功能，同時改進了網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略，使得風(fēng)電機組在電網(wǎng)電壓故障時優(yōu)先向電網(wǎng)注入無功電流，以幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)正常運行。仿真驗證了電網(wǎng)故障下，直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越性能。

1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示即為二極管箝位三電平變流器結(jié)構(gòu)。風(fēng)力機與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連，電能由發(fā)電機定子端經(jīng)過雙三電平全功率變流器饋入電網(wǎng)。

圖2 背靠背雙三電平二極管箝位型拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 風(fēng)力機模型

風(fēng)力機的基本原理是利用風(fēng)輪接受風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)換為機械能，并通過風(fēng)輪軸輸送出去。由空氣動力學(xué)原理可知，風(fēng)力機的輸出功率滿足：

由于風(fēng)力機從風(fēng)中捕獲的功率滿足：

風(fēng)電機組軸系統(tǒng)模型為：

1.3 永磁同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

定子電壓方程為：

定子磁鏈方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩及運動方程為：

2 系統(tǒng)工作原理

電壓跌落期間PMSG的主要問題在于能量不匹配導(dǎo)致直流側(cè)電壓的上升，可采取措施儲存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。圖3所示為基于超級電容器儲能的永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器均采用二極管中點箝位型三電平變換器。機側(cè)變流器控制目標(biāo)為在保證發(fā)電機平穩(wěn)高效運行的同時，能夠快速的完成最大功率追蹤。網(wǎng)側(cè)變換器通過調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)的軸和軸電流，控制其直流側(cè)電壓穩(wěn)定，并且實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。直流側(cè)并入超級電容儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超級電容器組和雙向DC/DC變換器組成。

圖3 基于超級電容儲能的并網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)

當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)故障時，通過控制雙向DC/DC變換器實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的充放電來控制直流側(cè)電壓。當(dāng)直流側(cè)電壓超過參考值時，變換器工作在Buck模式，對超級電容器進行充電，能量從直流側(cè)流向超級電容儲能系統(tǒng)，從而減小直流側(cè)電壓，反之，變換器工作在Boost模式，使直流側(cè)電壓升高[9]。同時，根據(jù)電網(wǎng)電壓跌落的深度，控制網(wǎng)側(cè)變換器向電網(wǎng)發(fā)出一定的無功功率，支撐電網(wǎng)電壓，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)正常運行。

3 系統(tǒng)控制策略

3.1 EDLC儲能系統(tǒng)的分析及其控制

本文設(shè)計了如圖4所示儲能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器電路，超級電容通過DC/DC變換器與直流側(cè)連接，雙向DC/DC變換器控制超級電容器的充放電來實現(xiàn)對直流側(cè)電壓的控制。電網(wǎng)電壓跌落時，發(fā)電機組輸出的功率可能超出電網(wǎng)能夠吸收的最大功率。因此，為了保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，儲能系統(tǒng)應(yīng)快速吸收直流側(cè)積累的多余能量[10]，如以下方程所示：

圖4 雙向DC/DC變換器電路

在控制方式上，雙向DC/DC變流器采用雙環(huán)串級控制，內(nèi)環(huán)為電感電流環(huán)，外環(huán)為直流母線電壓環(huán)。電流內(nèi)環(huán)可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)能夠獲得很好的動態(tài)性能以及抑制干擾的能力；電壓外環(huán)的作用是維持網(wǎng)側(cè)變流器直流母線電壓恒定。雙向DC/DC變流器的控制框圖如圖5所示。

圖5 DC/DC變換器控制框圖

3.2 改進的網(wǎng)側(cè)三電平變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)變換器通過雙閉環(huán)控制，應(yīng)該達到的控制目標(biāo)是：直流母線電壓穩(wěn)定；逆變器工作在單位功率狀態(tài)；輸入電網(wǎng)的電流諧波含量低。

雙閉環(huán)即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的作用是使得有功功率跟蹤上負載的變化，而直流母線的電壓是否恒定取決于有功功率是否平衡，所以電壓外環(huán)決定了直流母線的電壓是否穩(wěn)定。通過電流內(nèi)環(huán)的控制，可以對交流側(cè)的無功功率進行調(diào)節(jié)，也就實現(xiàn)了對逆變器工作在單位功率因數(shù)的控制目標(biāo)。本文控制策略采用電網(wǎng)電壓定向控制，將電網(wǎng)電壓合成矢量定向于同步坐標(biāo)系的軸，即=。網(wǎng)側(cè)變換器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

網(wǎng)側(cè)逆變器的控制框圖如圖6所示。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，若風(fēng)電機組仍然運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，對電網(wǎng)的低電壓運行及恢復(fù)會很不利。在本文的控制策略下，電網(wǎng)故障時，網(wǎng)側(cè)變換器按照電網(wǎng)要求優(yōu)先發(fā)出無功功率以支撐電網(wǎng)電壓，同時有利于直驅(qū)風(fēng)電機組實現(xiàn)低電壓穿越功能。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時，電網(wǎng)電壓外環(huán)輸出為0，即網(wǎng)側(cè)變換器運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，只向電網(wǎng)輸送有功功率。

圖6 網(wǎng)側(cè)控制原理圖

國家標(biāo)準(zhǔn)要求總裝機容量在百萬千瓦級規(guī)模及以上的風(fēng)電場群，每個風(fēng)電場在低電壓穿越過程中應(yīng)具有以下動態(tài)無功支撐能力：

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落至額定值的90%以下時，根據(jù)公式(15)可得到網(wǎng)側(cè)無功電流的參考值。因為當(dāng)電壓跌落時，網(wǎng)側(cè)

4 仿真結(jié)果

為了驗證本文提出的基于超級電容儲能PMSG系統(tǒng)對于提高機組低電壓穿越能力的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了2 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。具體仿真參數(shù)如下：網(wǎng)側(cè)輸出線電壓額定值為690 V，頻率為50 Hz；網(wǎng)側(cè)變換器的直流側(cè)電壓額定值為1 100 V，機側(cè)和網(wǎng)側(cè)均采用NPC三電平變換器，功率器件均為IGBT，開關(guān)頻率為2 kHz，直流側(cè)電容為超級電容器組的額定電壓為600 V，容量為1.2 MW/4 MJ，額定風(fēng)速為13 m/s。

圖7所示為電網(wǎng)電壓對稱跌落80%時帶有超級電容儲能的PMSG系統(tǒng)仿真結(jié)果。電網(wǎng)電壓從1.2 s開始跌落至20%額定電壓，持續(xù)625 ms。從圖中可以看出，在電網(wǎng)電壓跌落期間，注入電網(wǎng)的有功功率減小，無功功率增大，滿足電網(wǎng)要求。在低電壓穿越期間，通過控制網(wǎng)側(cè)三電平變換器，優(yōu)先向電網(wǎng)饋入一定的無功功率，以支撐電網(wǎng)電壓，受變換器容量的限制，向電網(wǎng)發(fā)出的無功電流增大，而有功電流減小，如圖7(c)所示。輸出三相電流不會超過1.5 pu。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時，網(wǎng)側(cè)變換器又運行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，保證向電網(wǎng)注入最大有功功率。

電網(wǎng)正常運行時，EDLC系統(tǒng)不投入使用。檢測到電壓跌落后，立即控制雙向DC/DC斬波器，使其運行于Buck模式，給EDLC系統(tǒng)充電，使直流側(cè)多余的能量流入儲能系統(tǒng)，以穩(wěn)定直流側(cè)電壓，如圖7(e)直流側(cè)電壓雖有上升，但幅度很小，故障恢復(fù)后，很快回到了參考值。

圖7 帶超級電容儲能系統(tǒng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用在直流側(cè)加入超級電容儲能系統(tǒng)來提升基于三電平變換器的并網(wǎng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越能力，并改進了網(wǎng)側(cè)控制策略。通過儲能系統(tǒng)的充放電特性，在電網(wǎng)電壓跌落時，將直流側(cè)積累的多余能量儲存起來，結(jié)合網(wǎng)側(cè)控制策略，優(yōu)先發(fā)出無功功率以支撐電網(wǎng)電壓，使系統(tǒng)正常運行基本不受電網(wǎng)故障的影響。仿真結(jié)果證明了在網(wǎng)側(cè)變換器直流側(cè)加入超級電容儲能系統(tǒng)后，風(fēng)電機組具有較強的低電壓穿越能力。

致謝：本文的研究得到了“內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校青年科技英才支持計劃”與“內(nèi)蒙古人才開發(fā)基金”的資助，謹此致謝！

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Improve low-voltage ride-through capacity of directly driven wind turbine with energy storage syetem

directly driven wind power;energy storage system;LVRT;three-level converter;control strategy

TM 614

A

1002-087 X(2015)10-2267-03Abstract:As friendly environmentally power,wind power penetration rate in power grid was increased,but the power quality and operational stability of power grid were significantly impacted by it's weak anti-disturbance and weak stability performance.Wind farms which had low voltage Ride-Through(LVRT)ability had become the necessary conditions for grid-connected power generation.The ultracapacitor(EDLC)energy storage systems were used to improve LVRT ability of direct-drive wind power system based on three level converter.The mathematical model and control strategy of whole system was studied,and further improved the control strategy of grid-side converter.The complete system was developed based on simulink platform.The simulation results show the correctness and validity of the proposed scheme.

2015-03-20

國家自然科學(xué)基金項目(51367012)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃 (NCET-11-1018)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項目(2015MS0532,2011BS0903)；內(nèi)蒙古自治區(qū)“草原英才”工程資助(CYYC2013031)；風(fēng)能太陽能利用技術(shù)省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目(201403)；內(nèi)蒙古電力集團(有限)責(zé)任公司科技項目(20130230)

布赫(1987—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與電力系統(tǒng)電能質(zhì)量控制。

任永峰(1971—)，男，山西省人，博士，教授，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與電力系統(tǒng)電能質(zhì)量控制。