基于混合儲能系統(tǒng)的高電壓穿越控制策略

蔣子傲，崔雙喜

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 引 言

雙饋感應(yīng)發(fā)電機(Doubly Fed Induction Generator，DFIG)優(yōu)點是有功無功解耦控制、調(diào)速范圍寬，缺點是定子繞組與電網(wǎng)直接相連，使其對電網(wǎng)電壓故障尤為敏感[1-2]。實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機組HVRT功能的方法主要從增加外部硬件電路和改進(jìn)系統(tǒng)控制策略方面著手，改進(jìn)控制策略，成本較低但只適用于故障穿越較輕情況。相反，需要添加相應(yīng)硬件裝置來提高故障穿越能力。

電網(wǎng)電壓升高的主要原因有：(1)大電容投切；(2)大量甩負(fù)荷；(3)單相對地故障時，引起非故障相的電壓升高等[3]，對雙饋機組來說，直流母線電壓穩(wěn)定是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提。文獻(xiàn)[4-5]提出斬波電路作為卸荷電路，用來抑制直流母線電壓波動，但是Chopper保護(hù)往往需要閉鎖RSC。文獻(xiàn)[6]為提高網(wǎng)側(cè)變流器動態(tài)控制性能，對其進(jìn)行雙 PI 控制，以消除風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率波動；在文獻(xiàn)[7]中提出一種反電流跟蹤法，即用轉(zhuǎn)子電流反向跟蹤定子電流的控制方法；文獻(xiàn)[8]提出在故障期間將電網(wǎng)側(cè)變流器切換為無功支撐模式，但需要通過電流限制來控制。在文獻(xiàn)[9]中，提出基于直接功率控制。控制DC母線電容的瞬時有功功率為零。文獻(xiàn)[8-9]提出的控制策略在實際中容易產(chǎn)生誤差，需要引入補償控制器來補償電網(wǎng)電壓。

針對以上問題，文章以DFIG的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出一種改進(jìn)控制策略和混合儲能相結(jié)合的HVRT方法。蓄電池采用恒壓限流的控制策略，超級電容采用功率前饋控制策略。上述文獻(xiàn)提出的網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器傳統(tǒng)控制策略并未與并網(wǎng)規(guī)范的動態(tài)無功功率支持相結(jié)合，通過電網(wǎng)電壓驟升來深入分析電磁暫態(tài)過程。分析定子磁鏈的動態(tài)變化對用功、無功解耦的影響，對傳統(tǒng)的功率外環(huán)進(jìn)行傳統(tǒng)的矢量控制策略進(jìn)行改進(jìn)[10-11]，提出對功率外環(huán)加前饋補償。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。

1 DFIG數(shù)學(xué)模型

HVRT以DFIG數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)進(jìn)行暫態(tài)分析，忽略磁飽和，采用電動機慣例。電壓方程和磁鏈方程為：

(1)

(2)

式中Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；R、L為電阻和電感；U、I、ψ分別為電壓、電流、磁鏈?zhǔn)噶?；p為微分算子；下標(biāo)s、r分別表示定、轉(zhuǎn)子分量。

當(dāng)t=t0時刻，電網(wǎng)電壓上升，定子電壓方程為：

(3)

式中Use為定子電壓矢量幅值；P為電壓驟升度,P=(Us-Use)/Use。由式(1)、式(2)可得定子磁鏈方程為：

(4)

因此，當(dāng)電壓上升時定子磁鏈方程為：

(5)

圖1是雙饋發(fā)電系統(tǒng)[12-15]的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)主要有風(fēng)力機、DFIG、雙向PWM可控變流器、傳動系統(tǒng)、并聯(lián)的超級電容和蓄電池混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1 逆變器級混合儲能系統(tǒng)組合示意圖

1.1 蓄電池儲能系統(tǒng)控制

蓄電池的控制目標(biāo)是穩(wěn)定DC母線電壓并平衡發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部功率，考慮到風(fēng)能瞬時出力的大幅波動，充放電過程中會頻繁進(jìn)行大電流充放電且端電壓大幅抬升和降低造成蓄電池壽命的降低，因此，本文采用的控制策略是蓄電池恒壓限流來限制大電流的沖擊。控制算法如圖2所示。

圖2 蓄電池恒壓充放電控制算法

圖2中，Imax為充放電電流上限，Ib為充放電電流實際值，Iref為內(nèi)環(huán)充放電電流參考值，Udc和Udc-ref分別為直流母線電壓的實際值和參考值。Dboost和Dbuck分別為放電和充電模式下的占空比信號。

1.2 超級電容儲能系統(tǒng)控制

電流內(nèi)環(huán)控制基礎(chǔ)上加一個功率前饋控制，如圖3所示，儲能系統(tǒng)的響應(yīng)速度得到大大提高。

圖3中，Pm和Pg分別為機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器功率，Usc為電容器兩端電壓，isc為電容器電流，iref為給定值，isc-f為反饋電流。

圖3 超級電容控制算法

1.3 協(xié)調(diào)控制策略

如圖4所示，UL1和UL3分別為母線電壓波動上下限，UL1和UL2為啟動超級電容的臨界值。 其中,UL3

圖4 協(xié)調(diào)控制示意圖

(1)限流充電模式：當(dāng)發(fā)生高電壓穿越故障時，直流母線電壓急劇上升，當(dāng)上升峰值超過額定值Udc-ref時，蓄電池通過恒壓限流穩(wěn)定母線電壓在Udc-ref，此時超級電容不投入運行;

(2)協(xié)調(diào)充電模式：當(dāng)直流母線電壓超過上限值UL1，蓄電池電流達(dá)到上限Imax時，超級電容投入工作并和蓄電池一起穩(wěn)定直流母線電壓，此時儲能系統(tǒng)從限流充電過渡到協(xié)調(diào)充電模型，當(dāng)DC母線電壓低于UL1時，超級電容退出，系統(tǒng)恢復(fù)至限流充電模式;

(3)限流放電模式：當(dāng)發(fā)生低電壓穿越時，DC母線電壓突然下降，并且當(dāng)DC母線電壓低于額定值時，蓄電池通過恒壓限流穩(wěn)定母線電壓在Udc-ref，此時超級電容不投入運行;

(4)協(xié)調(diào)放電模型：當(dāng)DC母線電壓低于下限并且蓄電池電流達(dá)到上限時，超級電容投入運行并和蓄電池一起把直流母線電壓穩(wěn)定在UL2，此時儲能系統(tǒng)從限流放電過渡到協(xié)調(diào)放電模式，當(dāng)DC母線電壓高于UL2時，超級電容退出，系統(tǒng)恢復(fù)至限流放電模式;

2 改進(jìn)網(wǎng)側(cè)變流器(GSC)控制策略

如圖5所示，改變GSC傳統(tǒng)控制策略有功電流參考值，進(jìn)一步對傳統(tǒng)控制策略進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器改進(jìn)控制策略

根據(jù)直流母線和電網(wǎng)電壓矢量控制的數(shù)學(xué)模型，忽略開關(guān)和線損得：

Pc=UdcCdcpUdc=Pg-Pr=(idcg-idcr)Udc

(6)

(7)

(8)

式中idcg和idcr分別為網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)直流電流，igd和igq為網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)dq軸電流。由式(6)～式(8)可以得到：

(9)

通過前饋補償來優(yōu)化網(wǎng)側(cè)變流器有功電流的參考值，目的是減小由轉(zhuǎn)子電流沖擊引起的DC母線電壓波動。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，DC母線電壓為定值，電容兩端電壓PC=0可以得到PUdc=0則得：

(10)

即igd=2Udcidcr/3Us，原理：前饋補償量和PI調(diào)節(jié)器輸出的直流母線電壓疊加作為新的有功電流的參考值，不僅提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度而且還減小了流入電容的瞬態(tài)電流。

3 改進(jìn)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(RSC)控制策略

由定子磁鏈定向矢量控制模型得：ψsd=ψs、usd=0，由式(2)可知定子、轉(zhuǎn)子間電流關(guān)系為：

(11)

(12)

當(dāng)發(fā)生高電壓穿越時，定子磁鏈不在為零，進(jìn)而usd=0不成立，Ps和Qs在定子側(cè)的值也發(fā)生相應(yīng)的變化。

(13)

通過式(12)、式(13)對比，可以看出定子磁鏈變化對有功功率和無功功率的影響，Ps和Qs分別增加usd[(ψsd-Lmird)/Ls]和-usd[(Lmirq)/Ls]。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，這兩項都是零，但是在高電壓穿越期間，這兩個附加量不能忽略，文中將附加量作為功率外環(huán)的前饋補償分量，但是大多數(shù)文獻(xiàn)在改進(jìn)網(wǎng)側(cè)變流器控制策略時，只考慮定子磁鏈變化對電流內(nèi)環(huán)的影響，而忽略對功率外環(huán)的影響。改進(jìn)后的控制策略如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器改進(jìn)控制策略

4 仿真實驗與分析

4.1 仿真分析

為驗證混合儲能的協(xié)調(diào)控制策略，僅考慮高電壓穿越(即充電模式)。表1為風(fēng)電系統(tǒng)仿真參數(shù)。圖7為參數(shù)波形圖。

圖7 參數(shù)波形圖

表1 風(fēng)電系統(tǒng)仿真參數(shù)

在MATLAB/Simulink平臺進(jìn)行仿真，設(shè)定的DC母線額定電壓Ue=540 V,蓄電池充電電流的上限為Imax=20 A。協(xié)調(diào)充電的超級電容啟動電壓設(shè)為648 V(1.2Ue)。仿真過程中，借助于MCGS和MATLAB得DEE通訊設(shè)計，可以實現(xiàn)對超級電容、蓄電池、母線在內(nèi)的電壓，電流，功率等電氣參數(shù)進(jìn)行記錄。

從圖7可知，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，發(fā)電功率等于負(fù)載功率，直流母線電壓穩(wěn)定在540 V，設(shè)負(fù)載從最大負(fù)載變?yōu)樽钚∝?fù)載，在00:50:38時刻，負(fù)載功率突然降低，蓄電池進(jìn)入限流充電模式，當(dāng)充電電流達(dá)到上限(20 A)，維持母線電壓穩(wěn)定，在00:51:18時刻，負(fù)載功率減小到零，并且蓄電池仍以最大電流值充電，此時啟動超級電容開始投入工作，混合儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制直流母線電壓，維持母線電壓穩(wěn)定。

4.2 仿真分析

電網(wǎng)電壓從0.8 s驟升至1.3 p.u.，1.7 s故障結(jié)束。傳統(tǒng)控制策略下直流母線電壓、網(wǎng)側(cè)無功、網(wǎng)側(cè)有功、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子電流波形，如圖8所示。母線電壓的驟升程度和波動比較大，電磁轉(zhuǎn)矩和有功功率波動較大，提供的無功功率較小。

圖8 傳統(tǒng)控制策略波形

圖9所示的改進(jìn)控制策略+混合儲能方案能迅速穩(wěn)定直流母線電壓，故障恢復(fù)階段波動比較小。

圖9 改進(jìn)控制策略波形

圖9所示的是GSC有功功率、無功功率曲線相比于傳統(tǒng)控制策略，有功功率從0.95 MW降到0.75 MW，波動較小。由無功功率的波形得出，在電網(wǎng)電壓驟升過程中，采用改進(jìn)的控制策略+混合儲能較傳統(tǒng)控制策略能夠輸出更多的感性無功功率，避免系統(tǒng)無功過剩，電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩幅度也較傳統(tǒng)控制策略有所降低，更好抑制轉(zhuǎn)子電流的波動，減小對直流母線電壓的沖擊。

5 結(jié)束語

(1)在雙饋機組控制直流母線電壓波動方面，相比傳統(tǒng)控制策略，混合儲能+改進(jìn)控制策略的組合響應(yīng)更快，能更好地抑制DC母線電壓波動;

(2)在雙饋機組出力方面，傳統(tǒng)控制策略和改進(jìn)控制策略+混合儲能電路都能控制有功輸出，提供感性無功來幫助電網(wǎng)恢復(fù)，改進(jìn)控制策略較傳統(tǒng)控制能提供更大的網(wǎng)側(cè)有功功率約3 MW;

(3)就雙饋機組電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電流而言，改進(jìn)控制策略+混合儲能可以更好地控制轉(zhuǎn)矩的波動，減小對直流母線電壓的沖擊。