含蓄電池儲(chǔ)能的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)研究

徐小三，張明

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

隨著常規(guī)能源短缺以及生態(tài)環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種清潔可再生能源，越來(lái)越受到各國(guó)的青睞。但是風(fēng)速具有波動(dòng)性、隨機(jī)性及不確定性等特點(diǎn)，而發(fā)電機(jī)輸出功率和風(fēng)速密切相關(guān)，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出功率的波動(dòng)比較大，給大規(guī)模的風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。為了改善風(fēng)電并網(wǎng)中電能的質(zhì)量，希望風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速波動(dòng)的情況下也能產(chǎn)生比較平滑的有功功率輸出［1］。利用蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)功率雙向流動(dòng)的特點(diǎn)，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制對(duì)風(fēng)電輸出功率進(jìn)行部分“削峰填谷”，將極大地改善風(fēng)電的并網(wǎng)特性，提高風(fēng)電供電的可靠性［2］。

目前國(guó)內(nèi)外已有不少文獻(xiàn)針對(duì)風(fēng)電儲(chǔ)能并網(wǎng)的研究。文獻(xiàn)［3］采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制風(fēng)功率波動(dòng)，飛輪儲(chǔ)能具有充放電速度快、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等特點(diǎn)，但是它的難點(diǎn)主要在于轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的設(shè)計(jì)、安全保護(hù)等方面。文獻(xiàn)［4］提出利用超導(dǎo)儲(chǔ)能單元使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率穩(wěn)定，但是目前超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資運(yùn)營(yíng)成本太高。文獻(xiàn)［5］采用超級(jí)電容器的儲(chǔ)能方式，提出新的控制策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證其正確性。

蓄電池因具有壽命長(zhǎng)、材料低廉、快速響應(yīng)、更換和維護(hù)費(fèi)用低、額定功率和額定容量獨(dú)立、在室溫下運(yùn)行等優(yōu)良特性，適合大規(guī)模電力儲(chǔ)能，是當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此研究含蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)電系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)的意義［6-8］。

本文在直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上針對(duì)直流側(cè)增加蓄電池儲(chǔ)能裝置，設(shè)計(jì)了電池側(cè)雙向DC/DC變換器的控制策略，詳細(xì)分析了當(dāng)風(fēng)速變化，輸出功率指令恒定時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑風(fēng)功率波動(dòng)和風(fēng)速不變，電網(wǎng)側(cè)需求功率變化時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，并通過(guò)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)模型以及控制策略的正確性。

1 含蓄電池儲(chǔ)能的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的模型

含蓄電池儲(chǔ)能的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是在雙PWM變換器的直流側(cè)引入蓄電池儲(chǔ)能裝置，蓄電池通過(guò)雙向DC/DC變換器與電網(wǎng)相連，如圖1所示。通過(guò)協(xié)調(diào)控制三個(gè)PWM，可以有效地提高電能質(zhì)量。

1.1 風(fēng)機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中所捕獲的功率Pw可表示為:

其中ρ為空氣密度，A為風(fēng)輪掃過(guò)的面積，V代表風(fēng)速，Cp表示風(fēng)輪利用系數(shù)，它是槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù)，其中λ=ωR/V，ω為機(jī)械角速度，R為風(fēng)輪半徑。

圖1 含蓄電池儲(chǔ)能的同步永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)模型

在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方式下，永磁同步電機(jī)在dq同步旋轉(zhuǎn)軸下的數(shù)學(xué)模型可表示為:

其中Rs表示定子電阻;Ld、Lq分別表示定子dq軸電感，且Ld=Lq;isd、isq、usd、usq分別表示定子 dq軸電流和電壓;ps表示電機(jī)極對(duì)數(shù);ωs表示電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速;ψs表示轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈。

1.3 電網(wǎng)側(cè)模型

選取兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中的d軸作為電網(wǎng)側(cè)電壓空間矢量方向，q軸超前d軸90度，網(wǎng)測(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型為:

式中Rg、Lg分別表示進(jìn)線(xiàn)電抗器電阻和電感;ωg表示電網(wǎng)同步電角速度;igd、igq、ud、uq分別表示網(wǎng)側(cè)dq軸電流和控制電壓分量;ugd為電網(wǎng)電壓d軸分量。

2 含蓄電池儲(chǔ)能的風(fēng)電系統(tǒng)的有功功率平滑的控制策略

2.1 電機(jī)側(cè)控制策略

對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)變換器控制的主要目標(biāo)是在整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況下，最大可能地吸收風(fēng)能。當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以下，風(fēng)機(jī)的槳距角保持為0°，此時(shí)保持最佳葉尖速比運(yùn)行，風(fēng)能利用率達(dá)到最大。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速將超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，采用變槳距控制，減少風(fēng)能的吸收，使發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)側(cè)采取的控制策略如圖2所示。首先通過(guò)光電編碼器得到風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)風(fēng)機(jī)的最優(yōu)功率曲線(xiàn)得到相對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出參考功率Popt與電網(wǎng)側(cè)有功功率Pg構(gòu)成外環(huán)，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到q軸分量給定值，通過(guò)功率、電流雙閉環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率。

2.2 電網(wǎng)側(cè)控制策略

電網(wǎng)側(cè)控制策略的主要目標(biāo)是維持直流母線(xiàn)電壓恒定和電網(wǎng)無(wú)功功率可調(diào)。

網(wǎng)測(cè)變換器的有功功率和無(wú)功功率分別為:

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制策略

由式(6)、(7)知，在電網(wǎng)電壓定向情況下，通過(guò)控制網(wǎng)測(cè)電流dq軸分量，就可以獨(dú)立控制P和Q。采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制，來(lái)達(dá)到維持直流側(cè)電壓恒定，從而使風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功功率全部流入電網(wǎng);通過(guò)控制q軸分量igq可以控制輸送到電網(wǎng)無(wú)功的大小。網(wǎng)測(cè)變流器控制框圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

2.3 儲(chǔ)能側(cè)控制策略

圖4 為直流側(cè)雙向DC/DC變換器控制框圖。圖中Pagc是電網(wǎng)需求的AGC指令功率，Pg是實(shí)際輸入到電網(wǎng)中的功率，Pref為蓄電池充電功率參考值，Pbat為蓄電池實(shí)際功率，I*b為蓄電池充電電流參考值，Ib為蓄電池實(shí)際充電電流，當(dāng)Ib＞0表示電池充電，反之表示電池放電。

圖4 直流側(cè)雙向DC/DC變換器控制框圖

蓄電池采用雙向DC/DC充放電控制，控制策略采用功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)，當(dāng)輸入到電網(wǎng)的實(shí)際功率Pg和電網(wǎng)需求指令Pagc存在偏差時(shí)，經(jīng)過(guò)滯環(huán)模塊進(jìn)行偏差判斷，并由PI調(diào)節(jié)得到蓄電池充電時(shí)充電功率給定值Pref(功率外環(huán))，當(dāng)蓄電池可用容量在15%-90%之間時(shí)，電池容量充足，允許蓄電池工作，令=Pref，反之不允許其工作令=0。當(dāng)滿(mǎn)足工作條件后，計(jì)算Pref與蓄電池實(shí)際功率Pbat的差值，通過(guò)PI調(diào)節(jié)形成蓄電池充電電流的參考值(電流內(nèi)環(huán))，再通過(guò)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生導(dǎo)通占空比D，觸發(fā)雙向DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)器件，對(duì)電池進(jìn)行充放電。

3 含蓄電池儲(chǔ)能的直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證所提控制策略的正確性，在MATLAB/Simulink中搭建系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。

仿真參數(shù)如下:(1)模擬風(fēng)力機(jī):空氣密度1.225 kg/m3;風(fēng)輪半徑40 m，槳距角0°;(2)永磁同步發(fā)電機(jī):定子電感 0.47 mH，定子電阻0.019 Ω，極對(duì)數(shù)1;(3)網(wǎng)測(cè):電網(wǎng)線(xiàn)電壓 575 V，濾波電感2.6 mH;(4)直流側(cè):電容 9 000 μF，直流側(cè)設(shè)定電壓1 100 V，雙向 DC/DC 換流器電感0.5 mH，濾波電容760 μF。(5)蓄電池參數(shù):額定電壓800 V，額定容量2 MAh，初始容量50%。

本文將功率值標(biāo)幺化(pu)，標(biāo)幺化的功率基值取發(fā)電機(jī)額定功率。

當(dāng)風(fēng)速按階躍變化時(shí)(0.1 s由 10 m/s降到5 m/s，在 0.4 s 由 5 m/s上升到15 m/s)，電網(wǎng)的需求功率恒定不變時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。系統(tǒng)仿真波形圖如圖5所示，包括風(fēng)速變化波形、發(fā)電機(jī)輸出功率Ps、電網(wǎng)需求功率指令Pagc、電網(wǎng)側(cè)實(shí)際輸出功率Pg及電池充放電功率Pb波形。

從圖5可以看出，當(dāng)風(fēng)速在不斷變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)輸出功率會(huì)相應(yīng)地波動(dòng)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)輸出功率小于電網(wǎng)需求指令功率時(shí)，蓄電池能夠快速放電;當(dāng)風(fēng)電機(jī)輸出功率大于電網(wǎng)需求指令功率時(shí)，蓄電池能夠快速充電，使電網(wǎng)側(cè)實(shí)際輸出功率很好地跟蹤功率指令，達(dá)到較好的平抑效果。

當(dāng)風(fēng)速恒定為15 m/s，電網(wǎng)需求功率為階躍波形時(shí)(在t=0.16 s從0.6 變?yōu)?.4，0.6 s時(shí)從 0.4 變?yōu)?0.5)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。系統(tǒng)仿真波形圖如圖6所示，包括風(fēng)速波形、發(fā)電機(jī)輸出功率Ps、輸出功率指令Pagc、電網(wǎng)實(shí)際輸出功率Pg及蓄電池充放電功率Pb波形。

圖5 風(fēng)速變化時(shí)系統(tǒng)仿真波形圖

從圖6可以看出，當(dāng)風(fēng)速保持恒定，網(wǎng)測(cè)需求功率變化時(shí)，由于輸出功率指令始終小于發(fā)電機(jī)發(fā)出功率，電池一直在充電。當(dāng)指令功率下降時(shí)，電池吸收的功率增加;當(dāng)指令功率上升時(shí)，指令吸收的功率減少。由于蓄電池良好的響應(yīng)特性，能夠很好的跟蹤功率指令，可以對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)削峰填谷。

圖6 電網(wǎng)側(cè)需求功率變化時(shí)系統(tǒng)仿真波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析傳統(tǒng)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在直流側(cè)加入蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸送到電網(wǎng)的功率。當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)能夠平滑風(fēng)電機(jī)輸出功率波動(dòng);當(dāng)風(fēng)速不變時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)能夠平衡電網(wǎng)需求功率。仿真證明，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)之后可以有效地改善永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)特性。

［1］熊倩，廖勇，姚駿.含飛輪儲(chǔ)能單元的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有功功率平滑控制［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(5):97-105.

［2］李蓓，郭劍波.平抑風(fēng)電功率的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(8):38-43.

［3］熊倩，廖勇.含飛輪儲(chǔ)能的直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)功率平滑控制策略研究［J］.華東電力，2012，40(9):1533-1539.

［4］陳星鶯，劉孟覺(jué)，單淵達(dá).超導(dǎo)儲(chǔ)能單元在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21(12):63-66.

［5］王文亮，葛寶明，畢大強(qiáng).儲(chǔ)能型直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(14):43-48.

［6］姚駿，廖勇，瞿興鴻，等.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最佳風(fēng)能跟蹤控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(10):11-16.

［7］孫春順，王耀南，李欣然.飛輪輔助的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率和頻率綜合控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(29):111-116.

［8］張步涵，曾杰，毛承雄，等.電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)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.

［9］胡書(shū)舉，李建林，許洪華.直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)變流器建模和跌落特性仿真［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(5):949-954.

［10］葛善海，衣寶廉，張華民.多硫化鈉溴儲(chǔ)能電池高效電極的研究［J］.電源技術(shù)，2003，27(5):446-450.