程從智,徐晨,戴珂,黃永爍,潘非
(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院電力電子與能量管理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430074;2.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局,南寧 530229; 3.上海追日電氣有限公司,上海 200331)
風(fēng)力發(fā)電在減輕環(huán)境污染、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)等方面具有突出作用,已成為可再生能源領(lǐng)域中發(fā)展最快且潛力最大的發(fā)電方式之一[1]。但是隨著風(fēng)電滲透率逐漸增加,對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定及電能質(zhì)量的影響勢必加重。風(fēng)電機(jī)組輸出功率取決于風(fēng)力,風(fēng)力受風(fēng)速影響最大[2]。由于風(fēng)速的隨機(jī)性和高不確定性,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率具有極大的波動(dòng)性[3]; 負(fù)荷突變以及風(fēng)電場出力不均勻,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場PCC 電壓的不穩(wěn)定[4-5]。
目前業(yè)界常規(guī)方法為通過儲(chǔ)能裝置與無功補(bǔ)償裝置對(duì)功率波動(dòng)及PCC 電壓分別進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)。為平滑風(fēng)電場輸出功率,可以采用超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能裝置[6]實(shí)現(xiàn)功率波動(dòng)抑制,雖然其充放電快,但是能量密度小,無法抑制大幅度的功率波動(dòng)。也可采用混合儲(chǔ)能裝置的方法,如文獻(xiàn)[7-9]將風(fēng)電場功率進(jìn)行分頻,并根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)的不同特點(diǎn),采用超級(jí)電容平抑波動(dòng)速度快的高頻部分、蓄電池抑制波動(dòng)速度稍平緩的中頻部分,將波動(dòng)幅度相對(duì)平緩的低頻部分作為并網(wǎng)功率的方法,來平滑波動(dòng)的風(fēng)電場功率。雖然解決了單一儲(chǔ)能裝置能量密度低或功率密度低的缺點(diǎn),但是其協(xié)調(diào)控制策略比較復(fù)雜。若此時(shí)風(fēng)電場還有穩(wěn)定PCC 電壓的需求,一般需要另外安裝靜止無功發(fā)生器( SVG)[10]或靜止無功補(bǔ)償器( SVC)[11],但是也帶來了補(bǔ)償裝置數(shù)量多,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不易維護(hù)的問題。
由于模塊化多電平變換器( MMC) 具有高等效開關(guān)頻率,高度模塊化,擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn),在中高壓大功率場合下的應(yīng)用越來越廣泛[12-14]。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)( BESS) 與MMC 結(jié)合后,拓展了儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功補(bǔ)償能力,當(dāng)應(yīng)用于風(fēng)電場中,可集有功、無功補(bǔ)償于一個(gè)裝置內(nèi),同時(shí)解決風(fēng)電并網(wǎng)功率及PCC 電壓波動(dòng)問題,改善并網(wǎng)風(fēng)電場的電能質(zhì)量,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
文中首先分析了風(fēng)電場輸出有功及PCC 電壓波動(dòng)的原因,然后給出MMC-BESS 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過建立數(shù)學(xué)模型,得到等效電路,并給出了其內(nèi)部控制策略。針對(duì)風(fēng)電場輸出有功及PCC 電壓波動(dòng)問題,給出了波動(dòng)功率抑制策略和PCC 電壓調(diào)節(jié)策略。通過搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī),在模擬的風(fēng)電場并網(wǎng)場景中驗(yàn)證了這兩種控制策略,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明MMC-BESS 可以平滑風(fēng)電場有功輸出,以及調(diào)節(jié)PCC 電壓,提高風(fēng)電場輸出的穩(wěn)定性。
對(duì)風(fēng)電場而言,其輸出的有功受風(fēng)速的影響很大,具有很大的波動(dòng)性和隨機(jī)性。而本地負(fù)荷突變甚至嚴(yán)重時(shí)的短路故障又會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓突升/突降。圖1為風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。
圖1 風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind farm grid-connection system
如圖1( a) 所示,單機(jī)無窮大系統(tǒng)母線接負(fù)載和風(fēng)電場,由于風(fēng)電場接入后產(chǎn)生并網(wǎng)功率波動(dòng)以及負(fù)載突變產(chǎn)生PCC 電壓波動(dòng),故又接入MMC-BESS。為分析PCC 電壓的變化,出于簡單考慮,假設(shè)圖1( a) 沒有風(fēng)電場和MMC-BESS,并且變壓器匝數(shù)比為1∶1。忽略傳輸線的等效電阻,圖1 中VS是理想的電網(wǎng)電壓,VT是PCC 端口電壓,X是線路感抗,P是負(fù)載的有功功率,Q是無功功率,φ 是功率因數(shù)角??梢缘玫截?fù)載的有功功率P與PCC 電壓幅值如式(1) 所示:
當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí),所能吸收的最大有功功率為式(2) ,此時(shí)負(fù)載阻抗與線路感抗模相等。
當(dāng)負(fù)載改變時(shí),建立PCC 端口電壓VT與電網(wǎng)電壓VS幅值之間的關(guān)系,以及負(fù)載的有功與其為阻性時(shí)所吸收的最大有功功率Pmax之間的關(guān)系,如式(3) 所示:
依據(jù)式(3) ,假如負(fù)載功率因數(shù)不同,可得到該系統(tǒng)的P-V 特性鼻狀曲線,如圖1( b) ,從中可以看出,負(fù)載功率因數(shù)不同,吸收的最大有功功率也不同,系統(tǒng)需工作于臨界點(diǎn)之上的區(qū)間內(nèi)。當(dāng)負(fù)載為阻容性時(shí),其所吸收的最大有功功率高于負(fù)載純阻性時(shí)所吸收的最大有功功率,且PCC 電壓高于電網(wǎng)電壓;當(dāng)負(fù)載為阻感性時(shí),所吸收的最大有功功率低于負(fù)載純阻性時(shí)所吸收的最大有功功率,且PCC 電壓低于電網(wǎng)電壓。負(fù)載的感性或容性會(huì)影響PCC 電壓降低或升高,造成電能質(zhì)量問題。
2.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖2( a) 為三相MMC-BESS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每相由上下兩橋臂組成,每個(gè)橋臂由N個(gè)級(jí)聯(lián)的子模塊組成,上下橋臂通過濾波電感LF連接到PCC 上。子模塊為一個(gè)半橋結(jié)構(gòu),包括兩個(gè)開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管、并聯(lián)在直流側(cè)的電容和儲(chǔ)能單元,如圖2( c) 所示。根據(jù)上下兩個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài),子模塊交流側(cè)輸出電壓為vbat_cp_N或0。將每相上橋臂N個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)電壓定義為vjp(j=a,b,c) ,每相下橋臂N個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)電壓定義為vjn(j=a,b,c) ,公共直流側(cè)電壓定義為Vdc,上下橋臂電流分別定義為ijp和ijn(j=a,b,c) ,裝置輸出電流定義為icj(j=a,b,c) ,PCC 電壓定義為vTj(j=a,b,c) ,上橋臂第N個(gè)子模塊的電容電流定義為icp_N,其直流側(cè)電壓和交流側(cè)電壓分別為vbat_cp_N和vcp_N。
圖2 MMC-BESS 的電路拓?fù)銯ig.2 Circuit topology of MMC-BESS
2.1.2 等效模型
忽略橋臂電阻,對(duì)上下橋臂使用基爾霍夫電壓定律( KVL) ,可以得到式(4) ,其中vjN表示每相輸出對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電位差。
式(5) 定義esumj為每相上下橋臂的共模電壓,edifj為每相上下橋臂差模電壓,也即第j相的等效內(nèi)部電動(dòng)勢,icir為流過上下橋臂的相間環(huán)流。
對(duì)式(4) 分別作差、和運(yùn)算可以得到式(6) 和式(7) :
式(6) 其實(shí)就是描述MMC-BESS 的外部特性的方程,式(7) 是描述內(nèi)部電壓電流特性的方程,控制共模電壓就能控制環(huán)流,控制差模電壓就能控制裝置輸出電流,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部環(huán)流和輸出電流的解耦。根據(jù)式(6)可以得到其等效數(shù)學(xué)模型,如圖3 所示。
圖3 MMC-BESS 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of MMC-BESS
MMC-BESS 的內(nèi)部控制定義為變換器級(jí)別的控制,在給定的有功和無功電流指令下,內(nèi)部控制可以使裝置輸出電流無靜差地跟蹤參考電流指令,同時(shí)保證各子模塊SOC 平衡。
圖4為MMC-BESS 的有功功率與無功功率控制框圖。在dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,采用PI 控制器和RC 重復(fù)控制器[15]( repetitive controller) 對(duì)指令值進(jìn)行跟蹤。等效電抗的存在導(dǎo)致dq 軸電流發(fā)生耦合,故對(duì)dq 軸電流進(jìn)行狀態(tài)變量反饋交叉解耦,可以加快控制器的調(diào)節(jié)速度。同時(shí)采用PCC 電壓前饋以縮短電流內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。通過對(duì)dq 軸電壓參考指令進(jìn)行Park 反變換,最終得到輸出電壓參考信號(hào)vref。有功、無功電流指令分別將由第3 節(jié)所提到的功率波動(dòng)抑制、PCC 電壓調(diào)節(jié)策略得到。
圖4 MMC-BESS 有功與無功功率控制示意圖Fig.4 Schematic diagram of active and reactive power control for MMC-BESS
對(duì)于MMC-BESS 的正常運(yùn)行要求各子模塊荷電狀態(tài)( State of Charge,SOC) 均衡,文中采用文獻(xiàn)[16-17]所提SOC 均衡控制策略。
MMC-BESS 系統(tǒng)側(cè)控制的目的是針對(duì)裝置安裝點(diǎn)的風(fēng)電場輸出有功功率和PCC 電壓波動(dòng),給MMCBESS 提供有功和無功電流指令。系統(tǒng)側(cè)控制主要分為兩個(gè)部分,即功率波動(dòng)抑制和PCC 電壓調(diào)節(jié)。功率波動(dòng)抑制是為了平滑風(fēng)電機(jī)組有功輸出,對(duì)波動(dòng)的風(fēng)電場有功功率“削峰填谷”;當(dāng)本地負(fù)荷發(fā)生突變時(shí),通過調(diào)節(jié)MMC-BESS 輸出的無功功率來穩(wěn)定PCC 電壓,抑制PCC 電壓波動(dòng)。
如圖1( a) 所示,忽略本地負(fù)荷,系統(tǒng)功率關(guān)系如式(8) ,其中,Pg是電網(wǎng)吸收的有功,Pwf是風(fēng)電場發(fā)出的有功,Pmb是MMC-BESS 發(fā)出的有功,Pf是整個(gè)系統(tǒng)的有功損耗。由于損耗較小,一般情況下忽略不計(jì)。
當(dāng)風(fēng)速變化較大時(shí),風(fēng)電場產(chǎn)生的有功波動(dòng)幅度較大,此時(shí)電網(wǎng)吸收的有功波動(dòng)幅度也相應(yīng)的變大,因此需要對(duì)其進(jìn)行平滑。由于風(fēng)電場功率的高頻部分是主要的平抑目標(biāo),而低通濾波算法可以實(shí)現(xiàn)將高頻分量濾除,只通過低頻分量的功能,故如圖5 所示,文中采用一階低通濾波器來設(shè)計(jì)波動(dòng)功率抑制策略。通過一階低通濾波器濾除風(fēng)電場有功功率波動(dòng)部分,得到期望的風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出的有功,將該期望的有功與風(fēng)電場輸出有功作差,得到MMC-BESS 輸出有功功率的指令值P*mb,再與2/3 和1/VTd相乘得到MMCBESS 的有功電流指令值I*d 。通過控制MMC-BESS 輸出的有功電流,使其反向輸出波動(dòng)功率,平抑風(fēng)電場的功率波動(dòng),從而使電網(wǎng)得到穩(wěn)定的有功功率。其中τ =1/2πfL,fL是低通濾波器的截止頻率。
圖5 波動(dòng)功率抑制控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of fluctuating power suppression control
當(dāng)考慮本地負(fù)荷時(shí),負(fù)荷的突變會(huì)導(dǎo)致PCC 電壓突升/突降,根據(jù)圖1( b) P-V 特性鼻狀曲線,控制MMCBESS 向電網(wǎng)注入一定的無功功率,可以穩(wěn)定PCC 電壓在規(guī)定的范圍之內(nèi),達(dá)到抑制PCC 電壓波動(dòng)的目的。
如圖6 所示,檢測PCC 三相相電壓,定義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸與三相等效電動(dòng)勢共軸,則經(jīng)過等幅值Park變換后,d 軸電壓分量就是三相相電壓幅值。將其與額定電壓指令值作差,可得到誤差信號(hào),誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器得到的就是MMC-BESS 的q 軸電流指令值。通過控制MMC-BESS 輸出相應(yīng)的無功電流,使其向電網(wǎng)注入一定的無功功率,抑制PCC 電壓的暫降和突升,減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
圖6 PCC 電壓調(diào)節(jié)控制示意圖Fig.6 Schematic diagram of PCC voltage regulation control
為了驗(yàn)證所提控制策略的正確性,設(shè)計(jì)了一臺(tái)20 V/0.66 kVA 的三相十二模塊的MMC-BESS 實(shí)驗(yàn)樣機(jī),如圖7,實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。每個(gè)橋臂有兩個(gè)子模塊,子模塊直流側(cè)的儲(chǔ)能單元由兩個(gè)12 V/100 Ah 鉛酸蓄電池串聯(lián)組成,采用載波移相調(diào)制,單個(gè)子模塊的開關(guān)頻率為1 kHz,則整個(gè)裝置的等效開關(guān)頻率為4 kHz。
表1 MMC-BESS 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters of MMC-BESS
圖7 MMC-BESS 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 Downscaled laboratory prototype of MMC-BESS
由于子模塊直流側(cè)并聯(lián)電池總電動(dòng)勢為24 V,當(dāng)調(diào)制比為1 時(shí),MMC-BESS 交流側(cè)等效輸出線電壓有效值為29.39 V,則實(shí)驗(yàn)在PCC 線電壓有效值20 V 下進(jìn)行。由于不具備接入風(fēng)電場的實(shí)驗(yàn)條件,以及裝置功率等級(jí)的限制,因此通過MATLAB 隨機(jī)函數(shù)直接生成短時(shí)風(fēng)電場并網(wǎng)有功波動(dòng)功率,并對(duì)風(fēng)電場負(fù)載進(jìn)行投切,在低壓小功率等級(jí)下,模擬實(shí)際的風(fēng)電場并網(wǎng)場景。
假設(shè)短時(shí)風(fēng)電場并網(wǎng)有功波動(dòng)功率即風(fēng)電場功率的高頻部分如圖8( a) 。風(fēng)電場輸出的額定有功為200 W,波動(dòng)功率最大超過50 W,即0.25 p.u.,不符合標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[18]的有功功率波動(dòng)最大幅值低于0.1 p.u.的規(guī)定。
圖8 風(fēng)電場波動(dòng)功率抑制Fig.8 Suppression of wind farm fluctuating power
為方便分析,把圖8( a) ΔPwf直接取反作為MMCBESS 輸出有功的指令值P*mb,并將圖1 本地負(fù)荷切除,網(wǎng)側(cè)阻抗為0.5 mH,模擬風(fēng)電場并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。圖9( a) 為此時(shí)裝置的a 相線電壓和b 相相電流,圖9( b) 為圖9( a) 圖波形細(xì)節(jié),可看出在風(fēng)電場并網(wǎng)功率波動(dòng)時(shí)icb分別超前、滯后vab30°和150°,由于電流正方向?yàn)橹赶騊CC,故裝置吸收/發(fā)出有功功率。將圖9( a) 的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB 算出MMC-BESS 瞬時(shí)功率Pmb如圖8( b) ,將圖8( a) ΔPwf與圖8( b)Pmb相加得到抑制后的風(fēng)電場并網(wǎng)有功波動(dòng)功率如圖8( c) ,可以看出MMC-BESS 能夠迅速平抑風(fēng)電場功率的波動(dòng)部分,平滑了風(fēng)電場輸出的有功,實(shí)現(xiàn)了對(duì)波動(dòng)功率削峰填谷。在圖8( c)中,1 min 內(nèi)最大功率波動(dòng)為10 W,即0.05 p.u.,小于0.1 p.u.,符合標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[18]的相關(guān)規(guī)定。
圖9 波動(dòng)功率抑制實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveform of fluctuating power suppression
如圖1 所示,本地負(fù)荷由表1 給出的電阻A 和電阻B 組成,分別為Δ 形連接和Y 形連接,網(wǎng)側(cè)阻抗為6 mH。對(duì)負(fù)載進(jìn)行投切,模擬風(fēng)電場PCC 電壓波動(dòng)。
首先模擬PCC 電壓跌落,MMC-BESS 發(fā)出感性無功進(jìn)行支撐的情況。如圖10( a) 所示,Δt0時(shí)段只有負(fù)載A 投入,通過調(diào)壓器使PCC 線電壓在額定值附近,Δt1時(shí)段再投入負(fù)載B,PCC 線電壓由1.0 p.u.降低到0.894 p.u.,下降了10.6%。Δt2時(shí)段裝置投入,Δt3時(shí)段,調(diào)節(jié)PCC 電壓,裝置工作在容性工況下,發(fā)出一定的感性無功補(bǔ)償電流,PCC 線電壓恢復(fù)到0.998 p.u.,電壓波動(dòng)為0.2%。圖10( b) 給出了電壓跌落調(diào)節(jié)細(xì)節(jié),分別為PCC 線電壓和相電流,由于電流正方向?yàn)橹赶騊CC,線電壓超前相電流122°,所以此時(shí)MMC-BESS輸出感性無功來支撐PCC 電壓。
圖10 PCC 電壓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experiment waveform of PCC voltage adjustment
其次模擬PCC 電壓較高時(shí),MMC-BESS 發(fā)出容性無功,降低PCC 電壓的情況。如圖10( c) 所示,Δt0時(shí)段內(nèi)同時(shí)投入負(fù)載A 和負(fù)載B,再通過調(diào)壓器使PCC 線電壓在額定值附近,Δt1時(shí)段切除負(fù)載B,PCC 線電壓由1.0 p.u.升高到1.13 p.u.,上升了13.0%。Δt2時(shí)段裝置投入,Δt3時(shí)段,調(diào)節(jié)PCC 電壓,裝置工作在感性工況下,發(fā)出一定的容性無功補(bǔ)償電流,PCC 線電壓恢復(fù)到1.004 p.u.,電壓波動(dòng)為0.44%。圖10( d) 給出了電壓升高調(diào)節(jié)細(xì)節(jié),分別為PCC 線電壓和相電流,線電壓滯后相電流63°,所以此時(shí)MMC-BESS 輸出容性無功來降低PCC 電壓。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2 所示。
表2 PCC 電壓調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of PCC voltage regulation
可以看出不管是PCC 電壓跌落還是升高,裝置都可以很好的調(diào)節(jié)PCC 電壓,使PCC 電壓波動(dòng)范圍穩(wěn)定在額定值±5%以內(nèi),符合國家標(biāo)準(zhǔn)[19]的規(guī)定。
感性負(fù)荷的投入會(huì)降低PCC 電壓,切出會(huì)抬升PCC 電壓,容性負(fù)荷則與之相反。采用上文所提PCC電壓調(diào)節(jié)策略,使MMC-BESS 等效為容性或感性,依然可以使PCC 電壓波動(dòng)范圍穩(wěn)定在額定值±5%以內(nèi)。
文中分析了風(fēng)電場并網(wǎng)功率及PCC 電壓波動(dòng)的原因,將電池儲(chǔ)能單元與模塊化多電平變換器相結(jié)合,研究了MMC-BESS 的補(bǔ)償裝置,與常規(guī)方法相比,集有功、無功補(bǔ)償于一個(gè)裝置內(nèi),簡化了補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。將其應(yīng)用到風(fēng)電場中,可調(diào)控有功功率和無功功率,具有快速的四象限功率補(bǔ)償能力,通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在低壓小功率等級(jí)下,模擬風(fēng)電場并網(wǎng)場景進(jìn)行驗(yàn)證,可得如下結(jié)論:
(1) 給出了一種基于MMC-BESS 的有功功率波動(dòng)抑制策略,在模擬風(fēng)電場并網(wǎng)場景中,使抑制后的風(fēng)電場并網(wǎng)有功波動(dòng)功率1 min 內(nèi)最大功率波動(dòng)為10 W,即0.05 p.u.,小于0.1 p.u.,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,平滑了模擬風(fēng)電場輸出;
(2) 針對(duì)本地負(fù)荷的投切而導(dǎo)致的風(fēng)電場中PCC電壓波動(dòng)問題,通過檢測PCC 電壓,控制MMC-BESS向PCC 注入的無功功率,進(jìn)行快速的無功補(bǔ)償,使PCC電壓的波動(dòng)范圍限制在額定值±5%以內(nèi),符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,提高了模擬風(fēng)電場的暫態(tài)穩(wěn)定性;
(3) 可以通過增加橋臂子模塊數(shù)量及其直流側(cè)串聯(lián)電池?cái)?shù)量來提高裝置電壓等級(jí),用于實(shí)際的風(fēng)電場電能質(zhì)量治理,具有一定的實(shí)用價(jià)值。