基于雙向直流變換器與儲(chǔ)能系統(tǒng)的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)能量輸出控制

龍　航，郝正航，張宏俊，余永元

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

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基于雙向直流變換器與儲(chǔ)能系統(tǒng)的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)能量輸出控制

龍航，郝正航*，張宏俊，余永元

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

本文提出一種包含儲(chǔ)能單元的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)輸出能量的控制，減小風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)的影響。風(fēng)機(jī)通過(guò)一個(gè)全功率背靠背變流器連接至電網(wǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)和雙向DC-DC變換器通過(guò)背靠背的直流母線接入系統(tǒng)。背靠背變流器機(jī)側(cè)使用最大功率追蹤控制(MPPT)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕捉。儲(chǔ)能單元通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的功率輸出來(lái)進(jìn)行充放電控制?；贛atlab/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，結(jié)果表明提出的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略可以有效地抑制風(fēng)機(jī)的能量波動(dòng)。

DC-DC變換器；直驅(qū)風(fēng)機(jī)；能量控制

世界范圍內(nèi)的化石能源正日漸稀缺，各國(guó)都開(kāi)始將其作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備。當(dāng)下，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新能源正得到重視。其中風(fēng)能由于其相對(duì)集中性及相關(guān)設(shè)備制造過(guò)程的環(huán)保性，更是在近年來(lái)高速發(fā)展[1-3]。

但是風(fēng)能的缺點(diǎn)同樣具有代表性：能量密度低，隨機(jī)性大。風(fēng)速的波動(dòng)符合Weibull分布，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性[4]。而風(fēng)機(jī)輸出的能量與風(fēng)速的三次方成正比，因而風(fēng)速的微小變動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)捕獲能量的極大波動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，可以通過(guò)主動(dòng)槳葉失速控制等方式降低風(fēng)輪捕捉效率，控制槳葉轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)能量輸出[5-8]。但是這種控制方式一方面需要對(duì)風(fēng)輪進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，增加系統(tǒng)復(fù)雜度；另一方面，超額部分風(fēng)能無(wú)法捕捉，影響對(duì)于風(fēng)力資源的利用。而且此類系統(tǒng)在風(fēng)速低于額定值時(shí)無(wú)法填補(bǔ)能量缺額。在低滲透率的情況下，可依靠電網(wǎng)自身容量維持穩(wěn)定運(yùn)行。但當(dāng)風(fēng)力發(fā)電大規(guī)模接入電網(wǎng)時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間、大幅度的風(fēng)速過(guò)低情況勢(shì)必會(huì)打破整個(gè)電力系統(tǒng)能量平衡，影響電網(wǎng)運(yùn)行[9-10]。因此，開(kāi)發(fā)平抑風(fēng)力發(fā)電出力波動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)控制策略，對(duì)于更加高效、穩(wěn)定、可靠地利用風(fēng)電就顯得尤為重要。

本文提出一種包含儲(chǔ)能單元的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)輸出能量的控制，減小風(fēng)機(jī)出力波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)的影響。風(fēng)機(jī)通過(guò)一個(gè)全功率背靠背變流器連接至電網(wǎng)，雙向DC-DC變換器通過(guò)背靠背的直流母線接入系統(tǒng)。背靠背變流器機(jī)側(cè)使用最大功率追蹤控制(MPPT)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的最大捕捉。儲(chǔ)能單元通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的功率輸出來(lái)進(jìn)行充放電控制。仿真結(jié)果表明，提出的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制策略可以有效地抑制風(fēng)機(jī)的能量波動(dòng)。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為包含儲(chǔ)能單元的直驅(qū)風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)中包括直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、背靠背變流器，以及由雙向DC-DC變換器和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成的儲(chǔ)能單元。永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)通過(guò)一個(gè)全功率背靠背變流器連接至電網(wǎng)，而儲(chǔ)能裝置則通過(guò)一個(gè)雙向DC-DC變換器連接至背靠背變流器的直流母線上[11]。

圖1　包含儲(chǔ)能單元的直驅(qū)風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2系統(tǒng)模型

風(fēng)機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換模型由下式表示：

(1)

式中：Tm為風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，ρ為空氣密度，R為風(fēng)輪葉片半徑，vw為風(fēng)速，λ為風(fēng)機(jī)葉尖速比；Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù)，其表達(dá)式為

(2)

其中

(3)

永磁同步發(fā)電機(jī)的參考方向采用電動(dòng)機(jī)慣例，q軸方向和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，此時(shí)，ψds=0，ψqs=ψf，其數(shù)學(xué)模型如下：

(4)

(5)

Te=1.5p[(Ld-Lq)idsiqs+ψfiqs]

(6)

Ps=-Teω

(7)

其中：ω為風(fēng)輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速，uds、ids、uqs、iqs分別為發(fā)電機(jī)d軸和q軸的電壓、電流分量，ωe為發(fā)電機(jī)的電氣轉(zhuǎn)速，Ld、Lq、Rs分別為永磁發(fā)電機(jī)的直軸和交軸電感、定子電阻，ψf為永磁磁鏈，Ps為發(fā)電機(jī)發(fā)出功率[12]。

1.3變流器控制策略

背靠背變換器機(jī)側(cè)變流器控制策略如圖2所示。風(fēng)機(jī)輸出功率經(jīng)電壓、電流檢測(cè)及計(jì)算后輸出入到MPPT最大功率追蹤模塊，通過(guò)與id、iq參考值比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)生成ud、uq參考值，經(jīng)過(guò)SPWM模塊生成PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)機(jī)側(cè)變流器。

圖2　背靠背變換器機(jī)側(cè)變流器控制策略

圖3　雙向DC-DC拓?fù)鋱D

1.4雙向DC-DC變換器結(jié)構(gòu)

本文采用的雙向DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由單向cuk變換電路演化而來(lái)，如圖3 所示[13]。

根據(jù)直流變換電路相關(guān)特性可知，其中觸發(fā)開(kāi)關(guān)1接受占空比α>50%的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，能量流向?yàn)殡娫?流向電源2；觸發(fā)開(kāi)關(guān)2接受同樣觸發(fā)信號(hào)時(shí)，能量流向?yàn)殡娫?流向電源1。

圖4為DC-DC控制流程圖?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)的功率輸出，當(dāng)輸出大于額定值時(shí)，則向DC-DC變換器發(fā)出充電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)充電IGBT，變換器能量流動(dòng)為儲(chǔ)能裝置至直流母線，儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)量上升，此時(shí)系統(tǒng)工作于狀態(tài)1。當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出小于額定值時(shí)，控制系統(tǒng)向DC-DC變換器發(fā)出放電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)放電IGBT，變換器能量流動(dòng)為直流母線至儲(chǔ)能裝置，儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)量下降。兩種工作狀態(tài)中系統(tǒng)能量流如圖5所示。

圖4　DC-DC控制流程圖

圖5　雙向DC-DC變換器不同工作模式下系統(tǒng)能量流動(dòng)示意

2　仿真分析

本文基于Matlab/Simulink搭建上述系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行離線仿真實(shí)驗(yàn)，仿真步長(zhǎng)100 μs，仿真時(shí)間10 s。初始風(fēng)速8 m/s，t=5時(shí)風(fēng)速突變至11 m/s。

風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)輸出能量及向電網(wǎng)輸送能量如圖6所示。從圖中可以看出當(dāng)直驅(qū)風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速突變前后風(fēng)機(jī)輸出能量波動(dòng)及對(duì)電網(wǎng)輸出能量波動(dòng)超過(guò)600 kW。

圖6　風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，風(fēng)速突變前后風(fēng)機(jī)輸出能量波動(dòng)及對(duì)電網(wǎng)輸出能量波動(dòng)

接入儲(chǔ)能單元后風(fēng)機(jī)輸出能量及向電網(wǎng)輸送能量如圖7所示。儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)及功率如圖8所示。從圖中可以看出，風(fēng)速突變前后風(fēng)機(jī)輸出能量波動(dòng)超過(guò)600 kW，而系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)輸出波動(dòng)僅為不到150 kW，較之風(fēng)機(jī)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的波動(dòng)大幅減少。由圖8可以看出，此效果由對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制實(shí)現(xiàn)，證明本文所述系統(tǒng)能夠有效減少風(fēng)速波動(dòng)情況下風(fēng)機(jī)輸出能量波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)的影響。

圖7　接入儲(chǔ)能時(shí)，風(fēng)速突變前后風(fēng)機(jī)輸出能量波動(dòng)及對(duì)電網(wǎng)輸出能量波動(dòng)

圖8　儲(chǔ)能容量狀態(tài)及功率

3　結(jié)論

本文提出一種包含儲(chǔ)能單元的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)能量輸出的控制。系統(tǒng)中直驅(qū)風(fēng)機(jī)通過(guò)一個(gè)全功率背靠背變流器連接至電網(wǎng)，儲(chǔ)能單元通過(guò)雙向DC-DC變換器連接至背靠背的直流母線。通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)的能量輸出控制雙向DC-DC變換器的工作模式，以控制背靠背變流器網(wǎng)側(cè)輸出功率。仿真結(jié)果證明該套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可行，相關(guān)控制策略能夠有效降低風(fēng)速變化造成的風(fēng)機(jī)能量輸出波動(dòng)。

[1] 李軍軍，吳政球，譚勛瓊，等.風(fēng)力發(fā)電及其技術(shù)發(fā)展綜述[J].電力建設(shè),2011,32(8):64-72.

[2] 羅承先.世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景預(yù)測(cè)[J].中外能源，2012,17(3):24-31.

[3] World Wind Energy Association. 2014 Half-year Report [R]. Germany:WWEA, 2014.

[4] 丁明，吳義純，張立軍.風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速概率分布參數(shù)計(jì)算方法的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(10):107-110.

[5] 宋新甫，劉軍，黃戈.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID的風(fēng)力發(fā)電變槳距控制[J].電網(wǎng)與清潔能源，2009，25(4)：49-53.

[6] 朱瑛，程明，花為，等.基于2種變速變槳距方法的雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率控制[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(9)：123-129.

[7] 于超光, 李翠玲, 于孝光. 基于模糊控制的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距角控制[J]. 機(jī)電一體化, 2013, 19(1):60-64.

[8] 邱靜, 徐大林, 孔屹剛. 基于模糊控制的電動(dòng)變槳距系統(tǒng)建模與仿真[J]. 機(jī)械與電子, 2011(1):64-67.

[9] 吳俊，李建設(shè)，周劍，等.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(5)：48-52.

[10] 周松林，茆美琴，蘇建徽.考慮風(fēng)力發(fā)電隨機(jī)性的微電網(wǎng)潮流預(yù)測(cè)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(22)：26-34.

[11] A Abedini, H Nikkhajoei. Dynamic model and control of a wind-turbine generator with energy storage[J].IET Renewable Power Generation,2011,5(1):67-78.

[12] 高峰，周孝信，朱寧輝，等.直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模及仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(11)：29-34.

[13] Kazimierczuk M K, Vuong D Q, Nguyen B T, et al. Topologies of bidirectional PWM dc-dc power converters[C]// Aerospace and Electronics Conference, NAECON 1993. Proceedings of the IEEE 1993 National. USA：IEEE, 1993:435-441.

(責(zé)任編輯：周曉南)

Energy Output Control for PMSG Based on Bi-direction DC-DC Converter and ESS

LONG Hang, HAO Zhenghang*, ZHANG Hongjun, YU Yongyuan

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

A PMSG wind power generation system including an energy storage system (ESS) was proposed, with the energy output of PMSG controlled through the control of ESS to decrease the influence of wind power output fluctuation to the grid. The PMSG was connected to the grid through a full-power back-to-back converter. ESS and the bi-direction DC-DC converter was connected to the system through the DC bus of the back-to-back converter. A MPPT control strategy was deployed to the motor-side converter of the back-to-back converter to achieve a maximum capture of wind energy. ESS was controlled through the measurement of the energy output of PMSG. A simulation based on Matlab/Simulink was carried and the results show the effectiveness of the proposed system and control strategy can suppress the energy fluctuation of PMSG.

DC-DC converter; PMSG; energy control

A

1000-5269(2016)03-0064-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.16

2016-01-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51467003)

龍航(1987-)，男，在讀碩士，研究方向：電能質(zhì)量控制與功率變換技術(shù)，Email: windcrazier1942@qq.com.

郝正航，Email：haozhenghang@163.com.

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