模塊化多電平儲能單元改善并網風電場穩定性研究

張振華，馮 濤

(1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2.成都電業局，四川成都 610021)

0 引言

隨著風電的大規模發展，其在電網中所占比重越來越大。由于風具有間歇性，風電機組輸出穩定性差，影響電網電能質量，甚至可能危及電網的穩定運行，因此需研究風電運行特點并提高并網運行的穩定性。常見的解決方法是利用儲能裝置來抑制功率的波動［1－5］。超級電容由于具有大功率密度、材料無污染和循環使用等優點，成為了一種較理想的儲能載體，得到廣泛研究［6－8］。選擇超級電容作為儲能元件，將其和模塊化多電平變流器相結合，作為功率調節單元，對風電機組進行功率補償。選擇模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)，是由于它模塊化的設計能靈活地適應各種電壓等級和容量要求，同時輸出多電平能有效改善電壓波形，降低諧波污染［9］。

在給出儲能單元結構和風機模型后，在對變流器進行功率解耦的基礎上，設計抑制風電輸出功率波動和連接點電壓波動的控制策略，仿真結果證明了該策略的有效性。

1 基于MMC儲能單元的并網風電系統

儲能單元與風電結合的系統如圖1所示。

圖1 儲能單元連接風電系統

圖2 子模塊

圖1中風電機組采用異步發電機組，并聯電容器組是為異步電機的啟動和運行提供一定的無功支撐。基于MMC和超級電容的儲能單元并聯接入低壓母線側。Pwind為風電系統輸出功率，Pmmc為儲能單元輸出功率，Pgrid為電網吸收的功率。

對于風機，當設定V為風速，R為風輪半徑，ρ為空氣密度，β為槳距角，ω為風輪轉速時，其模型按照式(1)建立［7］。

其中，葉尖速比λ=ωR/V;功率系數Cp是反映風力機效率的重要參數，它是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數，擬合函數為式(2)、(3)所示，這里采用定槳距角風力機(β一定)。

MMC每相有上下兩個橋臂，每個橋臂由多子模塊級聯而成。每個子模塊由兩個開關器件和一個電容組成，如圖2所示，由于需要儲能，子模塊中的電容選擇為超級電容。MMC每時刻每相上下同時投入模塊數目之和相同，電抗 Ls是為了抑制相間環流。MMC儲能單元的功率調節作用是通過對每個子模塊中超級電容的充放電來完成的。當風速高的時候，對超級電容充電，將一部分能量儲存在MMC儲能單元中;當風速低的時候，MMC儲能單元通過電容放電，釋放能量，從而保證風電送入電網的功率平滑。在實際運行時，超級電容是在滿足耐壓時在一定范圍進行充放電，既保證有功功率吞吐的能力，又能保證超級電容的安全長期運行。

2 儲能單元的控制策略

儲能單元能量存儲在級聯子模塊的超級電容中，需要通過MMC變流器來進行吸收和釋放這種轉換，故需研究MMC變流器的模型。當取母線電壓矢量為參考矢量，且d軸與它始終重合時，在圖1所示參考方向時，得到dq旋轉坐標系下數學模型。

式中，ud、uq為 MMC 逆變電壓的 dq分量;ed、eq為電網電壓的dq分量;id，iq為儲能單元注入并聯節點電流的dq分量;p為微分算子。

電抗L是MMC儲能單元和電網交換能量的紐帶，也起到濾波的作用，但同時造成了功率的耦合。為保證儲能單元能夠快速調節功率，利用逆系統方法，對上述系統進行解耦［10，11］。為便于描述，將上式寫成狀態變量表達式。

其中，取［x1，x2］=［id，iq］，［u1，u2］=［ud，uq］，［y1，y2］=［id，iq］。

式(5)表征的是一個非線性的受控對象，可以構造該對象的逆系統，通過與原系統串聯將其改造為具有線性傳遞關系的偽線性系統，從而利用線性系統原理設計控制器。先對輸出變量求取一階導數得

式(6)中已經顯含輸入變量，故不需要進一步對輸出變量求導，可解得逆系統模型。

對于式(7)逆系統，設定其輸入變量［v1，v2］=［py1，py2］，輸出變量為［u1，u2］。這樣將式(7)逆系統和式(5)原系統串聯，兩者構成如圖3所示的偽線性復合系統，使得原來耦合的系統等價為兩個一階積分的線性子系統，如圖4所示。

圖3 逆系統與原系統串聯

圖4 解耦系統

為對圖4偽線性系統設計控制器，先對儲能單元的控制目標進行研究。對于異步電機而言，其輸出有功和吸收的無功隨風速的大小波動，而無功的波動又會導致節點電壓的波動，為保證風電系統輸出的穩定性，儲能單元需同時具有有功和無功功率的補償能力。考慮到實際風電場風機的分散性，為便于集中控制，儲能單元并聯于風電場出口側低壓母線，故設定儲能單元的調節目標是平滑電網吸收的有功功率和穩定風電低壓母線的節點電壓。圖5所示為系統的控制框圖。外環控制結構如圖5所示，其中Vmref為電網額定相電壓的幅值，它與節點電壓的實際幅值作差，通過PI控制器得到內環無功電流的指令值iqref;Pref為電網吸收有功的指令值，一般選取為一定時間內預測風速的平均值對應的風電有功出力，它與Pgrid作差并通過PI控制器得到內環有功電流指令值Idref，而為提高有功控制的響應速度，在其中疊加了前饋控制環節得到的有功電流預估值。在得到idref、iqref后，對于MMC變流器而言，其控制目標是要實現上述補償電流指令值的快速跟蹤，以完成有功和無功功率的補償，故逆系統的輸入變量v1、v2應為指令值和實際值的誤差，即idref－id、iqref－iq，同時為確保消除誤差，引入PI控制器，故最終控制結構如圖5。

圖5 整體控制框圖

對于MMC變流器，要求正常工作時各子模塊電容電壓能均衡，這里利用文獻［12］的調制策略和文獻［9］的均壓策略。

3 算例仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。對于風電機組，采用電容器組對其按有功功率的15%進行無功補償。風電場采用定槳距恒速風力發電機組，將風電場內機組等值為一臺額定輸出功率10 MW的風電機組，輸出電壓為3.3 kV/50 Hz。然后通過升壓變壓器，經線路接入35 kV電網。對于MMC儲能單元，設定每相有40個子模塊，即每個橋臂有20個，每個子模塊中電容可由超級電容組構成，等效電容值為2 F，耐壓為500 V，設定其初始電壓為350 V，工作電壓范圍為300～450 V。限流電抗Ls=4 mH，連接電抗Ls=5.5 mH，等效電阻 R=0.25 Ω。

仿真中取一定時間內風速信號的平均值作為風速預測值來確定儲能單元有功功率的指令值，圖6為5 s內風速變化情況，圖7為風電場輸出有功功率和電網吸收有功功率的對比，圖8為加入儲能單元后風電并網接入點電壓波形的標幺值，圖9為MMC儲能單元子模塊電容電壓。

圖6 短時間內風速變化情況

圖7 儲能單元對風電出力的平滑效果對比

圖8 公共連接點的電壓標幺值

圖9 儲能單元子模塊的電容電壓

從儲能單元并接入風電后仿真波形看出，當風速變化時，風電機組輸出的有功功率也會跟隨風速波動，但由于系統慣性的影響，有功功率的變化稍滯后于風速的變化;同時由風機模型知有功功率與風速的三次方成正比，當風速在不大的范圍變化時，有功功率的波動會較大，圖示在6 MW到10 MW之間，而這時根據預測風速平均值設定的有功功率指令值為7 MW，故要求儲能單元具有足夠的功率吞吐容量;而風速波動的隨機性要求儲能單元能夠快速地進行有功調節。圖示電網吸收有功功率能穩定在設定值7 MW，表明儲能單元具有快速平滑風電輸出的能力。在儲能單元調節有功功率時，各子模塊超級電容電壓在充放電過程中也能保持均衡。圖示風電接入點電壓標幺值能穩定在1附近，說明儲能單元也具有快速的無功補償能力，能滿足有功功率波動時對無功功率的需求。儲能單元可以實現有功和無功的快速綜合補償，從而大大降低風速波動對電網穩定性的沖擊，也有利于風電機組自身的平穩運行。

4 結論

對于采用異步電機的風電系統，在風速變化時，其輸出有功功率會波動，導致吸收的無功功率發生變化，連接點的電壓也隨之改變，故儲能單元需要具有有功和無功的綜合補償能力。超級電容具有大功率密度，能夠循環使用，故成為一種合適的儲能載體，而MMC作為一種模塊化級聯拓撲，其多電平電壓輸出不會對電網電能質量造成影響，將兩者結合作為儲能單元，仿真表明，其對風電系統具有靈活快速的功率調節能力，能平滑風電機組有功輸出，穩定接入點交流電壓，較大幅度提高了風電場并網運行穩定性。

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