考慮飛輪儲能的風(fēng)電場有功功率平滑控制

劉穎明，徐中民，王曉東

（沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110021）

由于風(fēng)的隨機性、間歇性、波動性特點，風(fēng)電機組輸出的有功功率常常隨著風(fēng)速的變化而波動。隨著風(fēng)電系統(tǒng)的大規(guī)模并網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響越來越突出，大的功率波動會對電網(wǎng)的電壓和頻率帶來顯著影響，引起諸如系統(tǒng)電壓頻率波動、失衡、諧波、畸變及閃變等一系列問題，嚴(yán)重時甚至?xí)闺娋W(wǎng)崩潰。因此，平滑風(fēng)電機組輸出的有功功率，對于提高電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力具有重要的 意義[1]。

目前平抑風(fēng)電場功率波動的方法主要有兩種。一種是通過對風(fēng)電機組的控制，利用風(fēng)機自身的轉(zhuǎn)動慣性存儲或舍棄部分風(fēng)能，達(dá)到平滑風(fēng)電功率波動的目的，但是該方法調(diào)節(jié)能力有限且不能充分利用風(fēng)能[2-4]；另一種是給風(fēng)電場配置儲能裝置，可以在風(fēng)能利用最大化的條件下有效減小風(fēng)電功率的隨機性和波動性給電網(wǎng)造成的影響[5-7]。由于飛輪儲能系統(tǒng)具有功率密度高、無污染、能量轉(zhuǎn)換效率高以及使用壽命長等優(yōu)點，其非常適合于為風(fēng)能等間歇式能源提供瞬時功率支持[6]。

本文通過分析風(fēng)電系統(tǒng)和飛輪儲能裝置的特性及其控制方式，提出了一種含飛輪儲能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)控制策略。對風(fēng)電場輸出到電網(wǎng)的有功功率進(jìn)行濾波處理，利用飛輪儲能裝置來補償風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率中的波動成分，以實現(xiàn)風(fēng)電系統(tǒng)輸出有功功率的平滑控制。最后通過仿真驗證了所提出的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略平滑有功功率的有效性。

1 含飛輪儲能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

含飛輪儲能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含飛輪儲能裝置的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind farm with flywheel energy storage device

系統(tǒng)由風(fēng)電場、電網(wǎng)和飛輪儲能裝置組成，風(fēng)電場主要由風(fēng)輪機、雙饋感應(yīng)發(fā)電機等組成。在風(fēng)電場出口母線處引入飛輪儲能裝置。在這種采用集中配置的連接方式下，飛輪儲能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以獨立控制，并且與采用分布式配置方式相比，風(fēng)電場所需的總儲能容量也會有所降低[7]。

飛輪儲能裝置主要由飛輪轉(zhuǎn)子、支撐軸承、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電動/發(fā)電機、真空室組成，可以通過對永磁同步電機的控制來實現(xiàn)飛輪裝置的加速充電和減速放電，從而實現(xiàn)電能和機械能的轉(zhuǎn)換[8]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不能滿足電網(wǎng)的需求時，以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)母線上的有功功率作為變流器的控制信號，進(jìn)而驅(qū)動儲能系統(tǒng)向風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電；反之，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能多于電網(wǎng)所需的電能時，儲能裝置處于充電狀態(tài)，吸收多余的電能，從而平抑系統(tǒng)的輸出功率，提高輸入電網(wǎng)的電能 質(zhì)量。

1.2 飛輪儲能裝置模型

飛輪驅(qū)動電機采用面裝式永磁同步電機，采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式，在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以表示為

式中，ufd、ufq分別為d、q軸電壓；ifd、ifq分別為d、q軸電流；Lfd、Lfq分別為定子直軸電感、交軸電感，Lfd=Lfq；pf為飛輪驅(qū)動電機極對數(shù)；ωf為電機機械轉(zhuǎn)速；fψ為轉(zhuǎn)子永磁體勵磁磁鏈；Rf為定子電阻。

忽略損耗和飛輪系統(tǒng)的動態(tài)過程，可以將飛輪系統(tǒng)的模型等效簡化為一個單質(zhì)量塊，飛輪的轉(zhuǎn)矩方程可以表示為

式中，feT為飛輪驅(qū)動電機的電磁轉(zhuǎn)矩，fJ為飛輪轉(zhuǎn)子和飛輪驅(qū)動電機的總轉(zhuǎn)動慣量。對于面裝式永磁同步電機，其轉(zhuǎn)矩方程又可以表示為

忽略飛輪驅(qū)動電機損耗，則其輸出功率可以表示為

由式(3)、式(4)可知，通過對飛輪驅(qū)動電機q軸電流fqi進(jìn)行控制即可控制電磁轉(zhuǎn)矩，使飛輪系統(tǒng)工作于充放電狀態(tài)，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的能量交換。

1.3 電網(wǎng)側(cè)模型

網(wǎng)側(cè)采用電壓定向，電網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模 型為 式中，Rg、Lg分別為電網(wǎng)電抗器的電阻和電感；ugd、ugq分別為網(wǎng)側(cè)變流器交流端d、q軸電壓和電流分量；egd、egq分別為電網(wǎng)電壓矢量的d、q軸分量。

2 含飛輪儲能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)有功功 率平滑控制策略

含飛輪儲能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)的控制主要包括風(fēng)電機組控制、電網(wǎng)側(cè)控制和飛輪儲能側(cè)控制3部分。其中風(fēng)電機組采用傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的控制方式向電網(wǎng)輸出功率，本文只對電網(wǎng)側(cè)和飛輪側(cè)控制進(jìn)行研究。

2.1 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

電網(wǎng)側(cè)變流器主要有兩個功能：一是保持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)定的功率傳輸；二是控制電網(wǎng)側(cè)無功功率。根據(jù)瞬時功率理論、電網(wǎng)側(cè)有功瞬時功率和無功瞬時功率可以表示為

變流器采用電網(wǎng)電壓矢量定向的方式，電網(wǎng)電壓矢量沿d軸方向定向，則有egd=0。電網(wǎng)側(cè)變流器輸出的有功功率和無功功率可以表示為

電網(wǎng)側(cè)變流器外環(huán)采用無功功率和定直流電壓控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過對直流側(cè)電壓和無功功率指令值的快速跟蹤來確定內(nèi)環(huán)的電流參考值。對d、q軸參考電流進(jìn)行解耦控制和坐標(biāo)矢量變換，可以得到電壓控制信號uα、uβ，最后利用SVPWM控制技術(shù)產(chǎn)生脈沖信號，控制變流器的工作[9]。原理如圖2所示。通過控制電網(wǎng)電流的d、q軸分量即可實現(xiàn)P、Q的獨立控制，控制流向飛輪的有功功率和流向電網(wǎng)的無功功率。由式(7)可知，只需控制q軸電流igd=0，即可實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。

2.2 飛輪側(cè)控制策略

由于風(fēng)能具有隨機性、間歇性特點，在實際情況中往往難以準(zhǔn)確預(yù)測，直接以風(fēng)速作為功率的平滑指令準(zhǔn)確度并不高[10]。本文利用網(wǎng)側(cè)有功功率來獲得飛輪側(cè)功率平滑的指令值，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功功率的平滑輸出的關(guān)鍵在于如何對飛輪電機外環(huán)輸入的有功功率進(jìn)行處理。

圖2 電網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Fig.2 The control block diagram of grid side converter

傳統(tǒng)方式直接采用低通濾波器來獲得有功功率的平滑值，這與實際情況并不相符合。本文考慮利用高通濾波器引入網(wǎng)側(cè)有功功率的擾動成分，通過高通、低通濾波器來獲得飛輪裝置的補償功率，達(dá)到對網(wǎng)側(cè)有功功率波動進(jìn)行抑制的目的。

飛輪電機側(cè)變流器外環(huán)控制如圖3所示。圖中fP為飛輪電機外環(huán)有功功率給定指令，可由式(8)得到

式中，gP為風(fēng)電場實際輸出到電網(wǎng)側(cè)的有功功率；wrefP-為風(fēng)電場額定功率，即6 MW。

將fP分別送入低通濾波器和高通濾波器進(jìn)行處理，可以得到比較平滑的功率Pref和快速波動成分Phigh。通過式(7)可以確定igd。將Phigh單獨作為擾動信號進(jìn)行控制，由式(3)和式(4)可得擾動電流ihigd。二者求和可以得到電流環(huán)的給定信號*fqi。飛輪電機采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式，。同理，飛輪電機側(cè)變流器的內(nèi)環(huán)控制與電網(wǎng)側(cè)變流器內(nèi)環(huán)控制相似。

圖3 飛輪電機側(cè)變流器控制框圖Fig.3 The control block diagram of flywheel motor side converter

3 含飛輪儲能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)仿真

對上述含飛輪儲能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行仿真驗證，仿真系統(tǒng)中風(fēng)電場由4臺額定功率為1.5 MW的雙饋風(fēng)機組成，飛輪儲能系統(tǒng)由3臺0.3 MW的儲能裝置組成。

從圖4、圖5、圖6中的仿真可以看出，飛輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化，飛輪轉(zhuǎn)速高于10000 r/min時，飛輪裝置處于充電狀態(tài)，從電網(wǎng)中吸收有功功率，平抑電網(wǎng)側(cè)有功功率波動；飛輪轉(zhuǎn)速低于10000 r/min時，飛輪裝置處于放電狀態(tài)，對電網(wǎng)有功功率進(jìn)行補償。直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定在1.2 kV，波動較小。

圖4 風(fēng)速Fig.4 Wind speed

圖5 飛輪轉(zhuǎn)速Fig.5 The rotational speed of flywheel

圖6 直流側(cè)電壓Fig.6 The voltage of DC side

圖7分別給出了無飛輪儲能系統(tǒng)以及采用普通平滑方法[11]和采用新型平滑方法時的飛輪儲能系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)有功功率P1、P2、P3，由圖7可知采用新型平滑方法時，風(fēng)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)有功功率波動最小。仿真結(jié)果表明采用新型平滑方法的飛輪儲能系統(tǒng)，可以明顯提高風(fēng)電場輸出功率的質(zhì)量。

4 結(jié) 語

本文通過分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和飛輪儲能裝置的特性，根據(jù)瞬時功率理論對網(wǎng)側(cè)功率進(jìn)行跟蹤控制，提出了一種利用高、低通濾波器來實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功功率平滑的方法，有效抑制了由于風(fēng)速隨機波動而導(dǎo)致的風(fēng)電系統(tǒng)輸出到電網(wǎng)側(cè)的有功功率的波動，提高了風(fēng)電系統(tǒng)輸出的電能質(zhì)量。

圖7 電網(wǎng)側(cè)有功功率Fig.7 Active power of grid

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