基于Matlab/Simulink的風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)仿真研究

李 山，葉 鵬，何 淼，趙思雯，趙敘龍

(沈陽工程學(xué)院 a.研究生院；b.電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

作為新能源發(fā)展最有效、最具開發(fā)條件的項(xiàng)目，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)由于具有清潔、友好等特點(diǎn)而年增長率一直保持在兩位數(shù)的百分比水平[1]。但是，由于大電網(wǎng)接納風(fēng)電的能力有限，導(dǎo)致風(fēng)電在大規(guī)模接入大電網(wǎng)的過程中存在 “并網(wǎng)難”和“棄風(fēng)”等問題，而這些問題已成為制約風(fēng)電發(fā)展的重大難題[2-3]。針對(duì)風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)過程中存在的“并網(wǎng)難”和“棄風(fēng)”等難題，國內(nèi)外相關(guān)專家提出基于儲(chǔ)能技術(shù)的風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)[4-5]。近年來，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的不斷純熟和儲(chǔ)能成本的大幅降低，風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)發(fā)電技術(shù)作為風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電技術(shù)的一種有效形式，能夠?yàn)樾履茉捶稚⒑托∫?guī)模應(yīng)用提供較為靈活的運(yùn)行方式，而逐步受到研究人員的廣泛重視[6]。

目前，國內(nèi)外對(duì)風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行的研究主要集中在并網(wǎng)位置、運(yùn)行成本、穩(wěn)定運(yùn)行及不同故障特性的控制策略等方面[7-8]，而對(duì)風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的研究相對(duì)較少。風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的核心技術(shù)在于風(fēng)機(jī)出力、風(fēng)機(jī)及儲(chǔ)能逆變器、儲(chǔ)能充/放電轉(zhuǎn)換三者之間的協(xié)調(diào)控制策略[9-10]。針對(duì)風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的建模及穩(wěn)定運(yùn)行問題，對(duì)風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)建模，并基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)單相接地故障兩種工況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，通過仿真驗(yàn)證所建立的風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)模型能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和故障情況下快速恢復(fù)情況。

1 風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元和負(fù)載等。直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組因省去電刷、滑環(huán)和齒輪箱等，能夠大大減少系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用并提高系統(tǒng)的可靠性[11-12]。因此，以直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為研究對(duì)象。風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)控制策略及模型

2.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成風(fēng)機(jī)機(jī)械功率。風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm為

(1)

風(fēng)機(jī)機(jī)械部分方程為

(2)

式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，Te=1.5npφiqs；np為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)；φ為磁通；iqs為定子電流q軸上的電流分量；

2.2 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在dq坐標(biāo)系下，永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣部分的數(shù)學(xué)模型為

(3)

(4)

式中，uds和uqs分別為定子電壓d軸和q軸上的分量；ids和iqs分別為定子電流d軸和q軸上的分量；φ表示磁通；wg為風(fēng)機(jī)機(jī)械角速度；Rs和Ls分別為定子電阻和電感。

2.3 背靠背變流器控制策略

風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)背靠背變流器主要包括發(fā)電機(jī)側(cè)整流器及網(wǎng)側(cè)逆變器，機(jī)側(cè)整流器與網(wǎng)側(cè)逆變器之間通過直流側(cè)電容連接。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)背靠背變流器控制的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 背靠背變流器

2.4 儲(chǔ)能單元數(shù)學(xué)模型及控制策略

儲(chǔ)能單元中，儲(chǔ)能逆變器和雙向DC/DC變流器協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元有功功率的協(xié)調(diào)控制并維持交流母線側(cè)電壓和頻率的穩(wěn)定。雙向DC/DC變流器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略，儲(chǔ)能逆變器采用下垂控制模式[13]。

2.4.1 雙向DC/DC變流器控制策略

雙向DC/DC變流器連接蓄電池和儲(chǔ)能逆變器直流端，擔(dān)負(fù)著蓄電池的充放電控制和調(diào)整儲(chǔ)能逆變器直流側(cè)電容電壓的任務(wù)[14]。雙向DC/DC變流器充放電控制通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略，如圖3所示。

圖3 雙向DC/DC控制

2.4.2 儲(chǔ)能逆變器數(shù)學(xué)模型及控制策略

儲(chǔ)能逆變器采用下垂控制模式，如圖4所示[15]。儲(chǔ)能單元中，儲(chǔ)能逆變器LC濾波電路在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

(5)

(6)

式中，U0d、U0q和i0d、i0q分別為儲(chǔ)能逆變器中經(jīng)LfCf濾波得到的三相電壓和三相電流的dq分量；w為交流母線上的角頻率；rf和Lf分別為電阻和濾波電感；Cf為濾波電容；Vd、Vq和id、iq分別為儲(chǔ)能逆變器輸出的三相電壓Vabc和三相電流通過abc/dq0變換后的得到的電流的dq分量。

儲(chǔ)能逆變器輸出瞬時(shí)有功功率和無功功率的方程為

(7)

瞬時(shí)功率經(jīng)過一階低通濾波器可以得到平均功率為

(8)

圖4 下垂控制模式

儲(chǔ)能逆變器電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略如圖5所示。

圖5 雙環(huán)控制策略

3 仿真分析

為了驗(yàn)證所建立的風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)模型的有效性，按照?qǐng)D1和圖2中的風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的控制框圖在Matlab/Simulink平臺(tái)中進(jìn)行系統(tǒng)仿真模型的搭建。系統(tǒng)初始值為額定風(fēng)速12 m/s，風(fēng)機(jī)額定有功功率為25 kW，交流母線側(cè)的負(fù)載有功功率為30 kW，無功功率為0 kVar，蓄電池荷電狀態(tài)的初始值為80%，仿真時(shí)間取2 s。為驗(yàn)證交流母線側(cè)發(fā)生暫時(shí)性單相接地故障后，風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)能否有效運(yùn)行，在其他初始條件不變的情況下，1 s時(shí)交流母線側(cè)A相發(fā)生單相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間為0.05 s，其仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 單相故障下風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)果

交流母線側(cè)A相單相接地故障下，風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。在1 s之前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。由于在1 s時(shí)A相發(fā)生單相接地故障，在持續(xù)時(shí)間0.05 s內(nèi)，交流負(fù)載側(cè)輸出三相電壓中A相電壓為0 V，交流負(fù)載側(cè)輸出三相電流中A相電流變化較大，系統(tǒng)輸出的有功功率在單相接地故障期間處于波動(dòng)狀態(tài)。交流母線側(cè)A相發(fā)生單相接地故障前及故障恢復(fù)后，交流側(cè)輸出的頻率、電壓以及電流變化情況分別如圖6中的d、e、f所示，在單相接地故障結(jié)束后，系統(tǒng)能夠快速恢復(fù)至穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，為維持系統(tǒng)協(xié)調(diào)穩(wěn)定運(yùn)行，儲(chǔ)能單元依舊輸出功率。仿真結(jié)果表明，在系統(tǒng)交流母線側(cè)發(fā)生單相接地故障結(jié)束后，風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

1)建立了風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)各單元的就地控制策略及模型；

2)根據(jù)所提出的風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略及模型，基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建了風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并在單相接地故障工況下進(jìn)行了風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的驗(yàn)證。通過仿真結(jié)果分析證明了所提出的風(fēng)儲(chǔ)孤網(wǎng)系統(tǒng)控制策略的有效性。

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