風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行控制研究

內蒙古電力科學研究院 劉紫玉

1 永磁風力發(fā)電機及儲能系統(tǒng)數(shù)學模型

全功率逆變型電源主要代表是永磁風電機組和光伏電源。圖1中發(fā)電單元通過網側變換器與電網連接，交流側出口處接有濾波器以免電力電子器件高平開斷產生的諧波進入電網。濾波器由電感L1、L2和并聯(lián)電容Cf以及Rf構成。

圖1 永磁直驅風力發(fā)電機組主電路拓撲結構

若忽略并網變換器以及交流側濾波器上的功率損耗，根據(jù)功率平衡關系，可得到變換器交直流側功率關系表達式：式中：Udc表示直流母線電壓，Pin=2Udciin表示永磁直驅風力發(fā)電機的輸入功率，iin為新能源發(fā)電單元的輸出直流電流，Pg表示流入電網的功率。在不同工作狀態(tài)下，PMSG并網選擇不同的控制策略：

電網正常運行條件下，PMSG并網變換器通常采用基于電網電壓矢量定向的雙閉環(huán)PI控制策略，由直流電壓外環(huán)和并網電流內環(huán)構成。將并網電流矢量分解到兩個旋轉坐標系d軸（d軸方向由電網電壓矢量確定）與q軸上，實現(xiàn)對有功分量與無功分量的解耦控制。其中，直流電壓PI控制外環(huán)的輸出作為并網變換器交流側有功電流分量（d軸分量）PI控制器的參考輸入；無功電流分量（q軸分量）控制器的參考值設置為零，以保證電源能夠單位功率因數(shù)運行。

電網短路故障下，PMSG并網處電壓將迅速被改變，但風力機的輸出功率仍保持原值，其交流側電壓并不能隨之迅速改變，將導致流過變換器的電流快速增大，極有可能導致過電流（尤其在不對稱故障情況下）。此時，在并網變換器控制回路中引入電流限幅環(huán)節(jié)以保護變換器。然而變換器輸出電流受限或該電流增大的速率小于PMSG并網處電壓減小的速率，將導致并網變換器送出到電網功率減小。故障期間PMSG發(fā)電單元輸入到變換器直流側的功率并不會發(fā)生變化，這將會導致直流母線兩側功率不平衡。此情況下直流電壓將會以較快速度上升。不對稱故障下，由于變換器交流側出口處有功功率中二倍基頻分量的存在，PMSG直流母線電壓將發(fā)生大幅波動。當直流母線電壓波動的幅度超過變換器最大調節(jié)能力范圍，PMSG將會失穩(wěn)或過壓保護動作。蓄電池組模型為：

其中：

儲能系統(tǒng)一般由儲能模塊、變流器及相應的控制系統(tǒng)組成，儲能系統(tǒng)的儲能元件為蓄電池，變流器為DC/AC變流器。儲能系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)由兩部分組成，儲能系統(tǒng)蓄電池控制器通過監(jiān)測蓄電池充放電狀態(tài)檢測其出力狀況，并在功率參考值超過蓄電池組吸、發(fā)功率限值時，以其限值作為功率控制器的有功功率參考值。

2 風儲聯(lián)合系統(tǒng)的控制策略

2.1 并網逆變器控制方式

單相并網發(fā)電系統(tǒng)的基本設計最終目標就是將風機所發(fā)出的高頻直流電直接轉化成作為與其他電網負載電壓同頻、同相的高頻交流電，從而既向電網負載用戶供電、又向其他電網用戶發(fā)電的系統(tǒng)，電網用戶可把它看成一個容量無窮大的單相交流驅動電壓源，而并網逆變器的直流輸出既同樣可通過控制為直流電壓源，同樣可通過控制來作為驅動電流源[1-2]。

在這種電流控制驅動模式下，并網逆變器可呈現(xiàn)出高阻抗驅動特性，因此設計可有效減少直流電網內部電壓擾動對直流輸出并網電流的直接影響，從而大大改善直流輸出并網電流的運行質量。實際上還可通過相位調整與自動并網管理系統(tǒng)控制輸出輸入電流的相位大小和輸出相位來調整控制系統(tǒng)的有功輸出和系統(tǒng)的無功輸出。常用的電流控制方法主要有滯環(huán)電流控制和基于SPWM的電流控制。本文選用單極倍頻SPWM調制，三角載波頻率為10kHz。

2.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

電流內環(huán)控制參數(shù)設計：為實現(xiàn)對id、iq的無靜差調制引入閉環(huán)PI控制器，其控制方程如下式所示，由于id的控制可由直流電壓的控制實現(xiàn)，因此電壓外環(huán)PI控制器的輸出即為電流內環(huán)的有功分量id的參考值idref，無功電流內環(huán)的參考值則根據(jù)需要向電網輸送無功功率的指令。

綜上，基于電網電壓矢量的并網逆變器系統(tǒng)控制結構圖可用圖2表示。本次設計逆變器并網控制采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即電流內環(huán)和電壓外環(huán)相結合的控制方式，可較好地控制逆變器的輸出。

圖2 雙閉環(huán)控制策略整體結構圖

3 仿真結果及分析

在PSCAD中搭建風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，分別設置不同運行工況，并監(jiān)測不同工況下系統(tǒng)的運行狀態(tài)，風機出力受自然條件變化影響，由仿真結果可知，隨著風速的增加，風機電源提供工況電流與短路電流幅值相應明顯增加，在故障發(fā)生前分別為0.39IN、0.75IN、0.9IN，在故障發(fā)生后達到0.51IN、1.05IN、1.2IN。即在風速較大時發(fā)生故障，逆變器限幅器發(fā)揮作用，故障電流達到限幅器上限。

在PSCAD中搭建如下風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)：無窮大系統(tǒng)11kV，額定頻率60Hz，風儲聯(lián)合系統(tǒng)經過0.23/11kV升壓變接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接200kW負載，風機額定出力200kW，蓄電池額定容量0.24kAh，直流母線電壓0.5kV。在仿真運行到3s時風速由80m/s下降至10m/s，運行到3.5s時風速由10m/s升高至80m/s；仿真運行至4.5s時系統(tǒng)電壓由11kV跌至5.5kV，仿真運行至4.75s時系統(tǒng)電壓由5.5kV升高至11kV。

圖3 兩種場景直流母線電壓波動情況對比

對比單獨風力發(fā)電系統(tǒng)和風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的仿真結果，可看出當風速及系統(tǒng)電壓出現(xiàn)變化時，相比于單獨的風力發(fā)電系統(tǒng)，風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可很好平穩(wěn)母線電壓的波動、維持系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4顯示，當風速由80m/s下降至10m/s，相比于單獨的風力發(fā)電系統(tǒng)出力提高了整體系統(tǒng)的有功出力。當風速由10m/s升高至80m/s時，風儲系統(tǒng)通過儲能吸收多余的有功，從而降低系統(tǒng)有功功率的波動。

圖4 兩種場景輸出有功無功對比

4 結語

新能源發(fā)電存在一些隨機性較大的周期問題，電壓、頻率等發(fā)電參數(shù)周期變化多，不能很方便的將其并入電網?？傻孟啾扔趩为毜娘L力發(fā)電系統(tǒng)，風儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可很好平穩(wěn)母線電壓的波動，降低系統(tǒng)有功功率的波動。