基于模糊控制的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓飛輪儲能控制策略

盧欣，張劍，王靖，劉鐵，宋飛

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院；2.國網(wǎng)天津節(jié)能服務(wù)有限公司，天津 300010；3.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

基于模糊控制的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓飛輪儲能控制策略

盧欣1,2，張劍3，王靖3，劉鐵3，宋飛4

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院；2.國網(wǎng)天津節(jié)能服務(wù)有限公司，天津 300010；3.國網(wǎng)天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

風(fēng)力資源大規(guī)模的開發(fā)是實現(xiàn)減少溫室氣體排放，緩解環(huán)境污染以及提高可再生能源利用率的重要手段，同時，大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電理論避開了風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)難題。但是，由于風(fēng)能的隨機性和不可控性，會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率也會隨之波動，因此，在非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置相應(yīng)的儲能裝置，以確保向負(fù)荷供電的電能質(zhì)量，已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。在風(fēng)速波動的情況下，利用本文提出的風(fēng)力發(fā)電機組直流母線控制策略，可減少對機組變流器以及用電負(fù)荷的沖擊，這對于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組保證負(fù)荷的安全穩(wěn)定運行，具有重要的積極意義。

非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電；直流母線電壓；控制策略

風(fēng)電得到世界公認(rèn)，也最接近商業(yè)化，作為市場競爭力強的可再生能源技術(shù)，其占用土地少，社會爭議少，環(huán)境友好，能較快實現(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化。非并網(wǎng)風(fēng)電是指大規(guī)模風(fēng)電直接應(yīng)用于一系列通過技術(shù)創(chuàng)新、能較好應(yīng)用風(fēng)電特性的產(chǎn)業(yè)。大規(guī)模風(fēng)電的終端負(fù)荷不再是電網(wǎng)，其與蓄電池配套的小型獨立運行供電系統(tǒng)也不同，而是將風(fēng)電直接輸送到一些高載能的企業(yè)，即實現(xiàn)100%能量轉(zhuǎn)換，解決無法上網(wǎng)的風(fēng)電的利用問題。因為，非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的終端負(fù)荷，對電能質(zhì)量有一定的要求，所以，本文提出一種基于模糊控制的飛輪儲能系統(tǒng)控制方案，該方案能穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓，改善機組后級變流器的工作條件，提高了向終端負(fù)荷的供電質(zhì)量。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與配置

圖1為飛輪儲能系統(tǒng)輔助的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)由飛輪儲能系統(tǒng)、變槳距直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組、變換器、負(fù)載等組成，其中飛輪儲能系統(tǒng)并聯(lián)于直流母線。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)控制策略如圖2所示。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)控制策略示意圖

3 飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速限制策略

飛輪儲能系統(tǒng)儲存/釋放能量為：

式中J為飛輪儲能系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度初值，為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度的變化量。在本文的控制策略中，設(shè)飛輪儲能系統(tǒng)最大儲能為其額定值的120%，則飛輪轉(zhuǎn)速最大最小值的限制需滿足：

表1 飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速限制規(guī)則表

4 基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向永磁同步電機矢量控制

基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，永磁同步電機定子電壓方程與磁鏈方程為：

三相永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩為：

式中，pm為電機極對數(shù)，ψd、ψq為分別為d軸和q軸上等效磁鏈。

設(shè)三相永磁同步電機氣隙磁導(dǎo)分布均勻，有Ld=Lq=L ，則式（5）即可簡化為：

由式（6）可以看出，對永磁同步電機采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制，定子電流矢量位于q軸，無d軸分量，此時電磁轉(zhuǎn)矩完全由定子電流控制。本文采用電流滯環(huán)控制，進而跟蹤模糊控制器給出的飛輪電機轉(zhuǎn)速參考值，對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。

5 系統(tǒng)建模

5.1 飛輪儲能系統(tǒng)模型

飛輪儲能系統(tǒng)包括飛輪電機、電力電子變換器等，與風(fēng)力發(fā)電機相同，飛輪電機亦采用由MATLAB Simulink中提供的永磁同步電機模型，電力電子變換器采用Universal Bridge模塊。按照圖2所示的控制策略，通過轉(zhuǎn)速環(huán)和電流滯環(huán)控制器對飛輪電機進行轉(zhuǎn)速控制以實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的充、放電，圖3為仿真模型結(jié)構(gòu)圖。

圖3 飛輪儲能系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 仿真模型

結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機組模型和飛輪儲能系統(tǒng)模型，以及所提出的模糊控制器和穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略，可以得到完整的系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4 飛輪儲能系統(tǒng)穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

6 仿真驗證

6.1 系統(tǒng)參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機組的參數(shù)為：風(fēng)力機掃風(fēng)半徑為5m，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機定子電阻為0.175?，d軸電感為3.6mH，q軸的電感為3.6mH，永磁體勵磁磁通為3.332Wb，電機轉(zhuǎn)動慣量為0.028kg.m2，電機的極對數(shù)為4。鋼制低速飛輪及飛輪電機參數(shù)為：永磁同步飛輪發(fā)電/電動機定子電阻為0.175?，d軸電感為3.6mH，q軸電感為3.6mH，永磁體勵磁磁通0.3332Wb，電機及飛輪的轉(zhuǎn)動慣量為0.328kg.m2，電機的極對數(shù)為4。

6.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)給定的模擬風(fēng)速階躍曲線，運行基于模糊控制的飛輪儲能系統(tǒng)穩(wěn)定，非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓仿真模型，即可得仿真結(jié)果。如圖5為給定的模擬風(fēng)速階躍曲線，在0.2s時，風(fēng)速由10m/s階躍至8m/s并在0.23s時回至10m/s；在0.5s時，風(fēng)速由10m/s階躍至12m/s并在0.53s時回至10m/s。圖6為未引入飛輪儲能系統(tǒng)時，非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的直流母線電壓波形?？煽闯鑫匆腼w輪儲能系統(tǒng)時，隨著風(fēng)速的跳變，風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓上下波動，嚴(yán)重影響了向終端負(fù)荷的供電質(zhì)量。圖7為引入飛輪儲能系統(tǒng)后的直流母線電壓波形?？煽闯鲋绷髂妇€電壓隨著風(fēng)速跳變而波動的情況，得到了有效抑制，改善了風(fēng)電機組后級變流器的工作條件。

圖5 風(fēng)速階躍模擬曲線

圖6 未引入飛輪儲能系統(tǒng)時直流母線電壓波形

圖7 引入了飛輪儲能系統(tǒng)時直流母線電壓波形

圖8 給出飛輪轉(zhuǎn)速變化曲線，可看出飛輪實際轉(zhuǎn)速較好的跟蹤了由模糊控制器給出的飛輪轉(zhuǎn)速參考值。由于飛輪本身較大的轉(zhuǎn)動慣量，在很短的時間內(nèi)，飛輪實際轉(zhuǎn)速無法做出較大的變化，所以，飛輪實際轉(zhuǎn)速要比模糊控制器給出的轉(zhuǎn)速參考值平穩(wěn)。

圖8 飛輪轉(zhuǎn)速變化曲線

7 結(jié)語

本文提出的一種基于模糊控制的飛輪儲能系統(tǒng)控制方案，能穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓，改善機組后級變流器的工作條件，提高了向終端負(fù)荷的供電質(zhì)量。

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TM614，TM76

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：1671-0711（2017）09（下）-0213-03

（國家電網(wǎng)公司科技項目資助（合同號：SGTJDK00KJJS1600036）光伏微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和核心設(shè)備研制）。