基于儲能系統提升直驅風電低電壓穿越能力

布 赫，任永峰，胡宏彬，尹柏清，陳明軒

(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010051；2．內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特010020)

基于儲能系統提升直驅風電低電壓穿越能力

布 赫1，任永峰1，胡宏彬2，尹柏清2，陳明軒1

(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010051；2．內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特010020)

風電作為環境友好型電源在電網中的滲透率不斷增大，其弱的致穩性與弱抗擾性對電力系統電能質量及其運行穩定性將產生重大影響。風電場具備低電壓穿越能力已成為其并網發電的必要條件，將高壓大功率三電平變換器應用到直驅風電系統，提出采用超級電容(EDLC)儲能系統提升機組低電壓穿越能力。在研究基于超級電容儲能的直驅風電系統數學模型、控制策略的基礎上，對網側變換器控制策略做了進一步改進。在Matlab/Simulink環境下搭建了完備的系統仿真模型。仿真結果很好地驗證了所提方案的正確性和有效性。

直驅式風電；儲能系統；低電壓穿越；三電平變換器；控制策略

在多種可再生能源當中，風力發電已經成為發展速度最快的清潔能源之一。隨著風電場的規模變得越來越大，風力發電與電網之間的相互影響也越來越大，風電場的并網條件就顯得更為重要。近年來,一些國家已經發布了專用的風力發電并網導則[1-3]。同時,微型電網和智能電網方面也研究了高效的電源管理辦法[4-5]。要求并網風電場必須具有一定的低電壓穿越(LVRT)能力，即在一定程度的電網電壓跌落下，風電機組能夠不脫網連續運行，并且向電網提供一定的無功支撐，調節電網電壓和穩定電網。圖1所示為風電場低電壓穿越要求。

圖1 風電場低電壓穿越要求

國內外已對直驅式風電系統LVRT做了大量研究[6-10]。其中文獻[4]通過在直流側接入制動電阻吸收電網電壓跌落期間風機輸出的多余能量，這是一種有效的方法，但多余的能量以熱能的形式損耗掉，不僅浪費能量，對電路的散熱要求也高；文獻[5]通過對直驅風電系統控制方法的改進在一定程度上提高了其低電壓穿越能力；文獻[6]在風電場出口處并聯STATCOM裝置，提高系統的暫態穩定性，增強系統LVRT能力；文獻[7-8]利用系統慣性將不平衡的能量儲存起來，同時減小風能捕獲，這種方法在一定程度上提高了系統的LVRT能力，但其水平有限。

本文采用雙三電平背靠背變流器結構，即機側和網側變流器均采用二極管中點箝位(Neutral-point-clamped，NPC)型三電平拓撲結構。通過在網側變換器直流側并聯超級電容儲能系統來提升其故障穿越能力，通過控制雙向DC/DC變換器及并網變流器，使直驅風電系統實現低電壓穿越功能，同時改進了網側變換器的控制策略，使得風電機組在電網電壓故障時優先向電網注入無功電流，以幫助電網快速恢復正常運行。仿真驗證了電網故障下，直驅風電系統的低電壓穿越性能。

1 直驅式風力發電系統結構及分析

1.1 系統結構

圖2所示即為二極管箝位三電平變流器結構。風力機與發電機轉子直接相連，電能由發電機定子端經過雙三電平全功率變流器饋入電網。

圖2 背靠背雙三電平二極管箝位型拓撲結構

1.2 風力機模型

風力機的基本原理是利用風輪接受風能，將其轉換為機械能，并通過風輪軸輸送出去。由空氣動力學原理可知，風力機的輸出功率滿足：

由于風力機從風中捕獲的功率滿足：

風電機組軸系統模型為：

1.3 永磁同步發電機數學模型

定子電壓方程為：

定子磁鏈方程為：

電磁轉矩及運動方程為：

2 系統工作原理

電壓跌落期間PMSG的主要問題在于能量不匹配導致直流側電壓的上升，可采取措施儲存或消耗多余的能量以解決能量的匹配問題。圖3所示為基于超級電容器儲能的永磁直驅式風電系統拓撲結構。機側和網側變換器均采用二極管中點箝位型三電平變換器。機側變流器控制目標為在保證發電機平穩高效運行的同時，能夠快速的完成最大功率追蹤。網側變換器通過調節網側的軸和軸電流，控制其直流側電壓穩定，并且實現有功和無功的解耦控制。直流側并入超級電容儲能系統，該系統由超級電容器組和雙向DC/DC變換器組成。

圖3 基于超級電容儲能的并網永磁直驅風電系統

當電網電壓出現故障時，通過控制雙向DC/DC變換器實現儲能系統的充放電來控制直流側電壓。當直流側電壓超過參考值時，變換器工作在Buck模式，對超級電容器進行充電，能量從直流側流向超級電容儲能系統，從而減小直流側電壓，反之，變換器工作在Boost模式，使直流側電壓升高[9]。同時，根據電網電壓跌落的深度，控制網側變換器向電網發出一定的無功功率，支撐電網電壓，幫助電網快速恢復正常運行。

3 系統控制策略

3.1 EDLC儲能系統的分析及其控制

本文設計了如圖4所示儲能系統的雙向DC/DC變換器電路，超級電容通過DC/DC變換器與直流側連接，雙向DC/DC變換器控制超級電容器的充放電來實現對直流側電壓的控制。電網電壓跌落時，發電機組輸出的功率可能超出電網能夠吸收的最大功率。因此，為了保持直流側電壓穩定，儲能系統應快速吸收直流側積累的多余能量[10]，如以下方程所示：

圖4 雙向DC/DC變換器電路

在控制方式上，雙向DC/DC變流器采用雙環串級控制，內環為電感電流環，外環為直流母線電壓環。電流內環可以提高系統的響應速度，使系統能夠獲得很好的動態性能以及抑制干擾的能力；電壓外環的作用是維持網側變流器直流母線電壓恒定。雙向DC/DC變流器的控制框圖如圖5所示。

圖5 DC/DC變換器控制框圖

3.2 改進的網側三電平變換器控制策略

網側變換器通過雙閉環控制，應該達到的控制目標是：直流母線電壓穩定；逆變器工作在單位功率狀態；輸入電網的電流諧波含量低。

雙閉環即電壓外環和電流內環，電壓外環的作用是使得有功功率跟蹤上負載的變化，而直流母線的電壓是否恒定取決于有功功率是否平衡，所以電壓外環決定了直流母線的電壓是否穩定。通過電流內環的控制，可以對交流側的無功功率進行調節，也就實現了對逆變器工作在單位功率因數的控制目標。本文控制策略采用電網電壓定向控制，將電網電壓合成矢量定向于同步坐標系的軸，即=。網側變換器在同步旋轉坐標系下的數學模型如下：

網側逆變器的控制框圖如圖6所示。當電網發生故障時，若風電機組仍然運行在單位功率因數狀態，對電網的低電壓運行及恢復會很不利。在本文的控制策略下，電網故障時，網側變換器按照電網要求優先發出無功功率以支撐電網電壓，同時有利于直驅風電機組實現低電壓穿越功能。當電網電壓正常時，電網電壓外環輸出為0，即網側變換器運行在單位功率因數狀態，只向電網輸送有功功率。

圖6 網側控制原理圖

國家標準要求總裝機容量在百萬千瓦級規模及以上的風電場群，每個風電場在低電壓穿越過程中應具有以下動態無功支撐能力：

當電網電壓發生跌落至額定值的90%以下時，根據公式(15)可得到網側無功電流的參考值。因為當電壓跌落時，網側

4 仿真結果

為了驗證本文提出的基于超級電容儲能PMSG系統對于提高機組低電壓穿越能力的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了2 MW永磁直驅風力發電系統仿真模型。具體仿真參數如下：網側輸出線電壓額定值為690 V，頻率為50 Hz；網側變換器的直流側電壓額定值為1 100 V，機側和網側均采用NPC三電平變換器，功率器件均為IGBT，開關頻率為2 kHz，直流側電容為超級電容器組的額定電壓為600 V，容量為1.2 MW/4 MJ，額定風速為13 m/s。

圖7所示為電網電壓對稱跌落80%時帶有超級電容儲能的PMSG系統仿真結果。電網電壓從1.2 s開始跌落至20%額定電壓，持續625 ms。從圖中可以看出，在電網電壓跌落期間，注入電網的有功功率減小，無功功率增大，滿足電網要求。在低電壓穿越期間，通過控制網側三電平變換器，優先向電網饋入一定的無功功率，以支撐電網電壓，受變換器容量的限制，向電網發出的無功電流增大，而有功電流減小，如圖7(c)所示。輸出三相電流不會超過1.5 pu。當電網恢復正常時，網側變換器又運行在單位功率因數狀態，保證向電網注入最大有功功率。

電網正常運行時，EDLC系統不投入使用。檢測到電壓跌落后，立即控制雙向DC/DC斬波器，使其運行于Buck模式，給EDLC系統充電，使直流側多余的能量流入儲能系統，以穩定直流側電壓，如圖7(e)直流側電壓雖有上升，但幅度很小，故障恢復后，很快回到了參考值。

圖7 帶超級電容儲能系統仿真結果

5 結論

本文采用在直流側加入超級電容儲能系統來提升基于三電平變換器的并網永磁直驅風力發電系統低電壓穿越能力，并改進了網側控制策略。通過儲能系統的充放電特性，在電網電壓跌落時，將直流側積累的多余能量儲存起來，結合網側控制策略，優先發出無功功率以支撐電網電壓，使系統正常運行基本不受電網故障的影響。仿真結果證明了在網側變換器直流側加入超級電容儲能系統后，風電機組具有較強的低電壓穿越能力。

致謝：本文的研究得到了“內蒙古自治區高等學校青年科技英才支持計劃”與“內蒙古人才開發基金”的資助，謹此致謝！

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Improve low-voltage ride-through capacity of directly driven wind turbine with energy storage syetem

directly driven wind power;energy storage system;LVRT;three-level converter;control strategy

TM 614

A

1002-087 X(2015)10-2267-03Abstract:As friendly environmentally power,wind power penetration rate in power grid was increased,but the power quality and operational stability of power grid were significantly impacted by it's weak anti-disturbance and weak stability performance.Wind farms which had low voltage Ride-Through(LVRT)ability had become the necessary conditions for grid-connected power generation.The ultracapacitor(EDLC)energy storage systems were used to improve LVRT ability of direct-drive wind power system based on three level converter.The mathematical model and control strategy of whole system was studied,and further improved the control strategy of grid-side converter.The complete system was developed based on simulink platform.The simulation results show the correctness and validity of the proposed scheme.

2015-03-20

國家自然科學基金項目(51367012)；教育部新世紀優秀人才支持計劃 (NCET-11-1018)；內蒙古自然科學基金項目(2015MS0532,2011BS0903)；內蒙古自治區“草原英才”工程資助(CYYC2013031)；風能太陽能利用技術省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目(201403)；內蒙古電力集團(有限)責任公司科技項目(20130230)

布赫(1987—)，男，內蒙古自治區人，碩士生，主要研究方向為風力發電技術與電力系統電能質量控制。

任永峰(1971—)，男，山西省人，博士，教授，主要研究方向為風力發電技術與電力系統電能質量控制。