帶儲能的雙饋風力發電系統控制策略探討

楊鐿

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

帶儲能的雙饋風力發電系統控制策略探討

楊鐿

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

由于風能具有不確定性和間歇性，就可能發生風力發電功率和負載所需功率之間的供需不平衡，這樣風力發電系統的輸出電壓和頻率（負載的電壓和頻率）就會超出規定的范圍，無法滿足用電設備對電能的要求，使風力發電系統不能在獨立時正常工作。因此，加強帶儲能的雙饋風力發電系統控制策略研究具有重要意義。

帶儲能；雙饋風力；發電；系統控制

1 引言

通常，雙饋風力發電系統并網運行時轉子側變換器采用功率外環、電流內環的控制策略，控制向電網輸送的功率，而獨立運行時則采用電壓外環、電流內環的控制策略保證負載電壓的幅值和頻率滿足負載要求。雙饋風力發電系統變換運行模式就需要切換系統的控制策略，可是切換控制過程需要檢測孤島和檢測時間等問題，這就給風力發電系統的穩定運行帶來影響。

2 雙饋風力發電系統的基本理論

2.1 雙饋風力發電系統原理與運行狀態分析

雙饋感應電機又稱為交流勵磁電機，其憑借著優秀的電氣性能已經廣泛的應用在雙饋式變速恒頻風力發電系統中，如圖1所示。雙饋發電機定、轉子分別分布著三相分布式繞組，從結構上和繞線式異步電機類似，在正常工作情況下，定子繞組直接接到電網，轉子繞組通過勵磁系統提供一個幅值、頻率、相位都可調的三相變頻電源供電。由于雙饋感應發電機可以調節的變量有三個，當風速變化時，通過改變轉子勵磁電流頻率實現系統變速恒頻運行，通過改變轉子勵磁電流的相位來調節發電機的有功功率，通過改變勵磁電流的幅值來調節發電機的無功功率。

圖1 雙饋式變速恒頻風力發電系統結構示意圖

根據電機的基本原理可知，在空間上電機的定子和轉子的旋轉磁場是相對靜止的，所以不難得出雙饋電機定子的頻率、轉子頻率和電機轉速之間的關系：

式中：f1-電機定子的電流頻率；f2-電機轉子的勵磁電流頻率；p-電機的極對數；nr-電機的旋轉轉速；

從上式可以看出，當雙饋電機隨風力機旋轉時，電機轉速nr就會變化并且電機極對數p不變，那么只要控制電機轉子的勵磁電流頻率。f2使兩者之和保持不變，這就保證了雙饋電機定子的電流頻率不變，這就是雙饋式變速恒頻的運行原理。

雙饋感應電機轉子勵磁的電路為交—直—交變頻具有雙向功率流動性電路，正是如此，雙饋感應發電機可以運行在不同情況，按雙饋感應發電機轉子轉速來區分，可以分為以下三種狀態：

（1）亞同步運行狀態雙饋感應發電機轉子轉速小于同步轉速，f2＞0，轉子上勵磁電流產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉子實際的旋轉方向相同，發電機轉子通過勵磁變換器從電網吸收轉差功率。

（2）超同步運行狀態雙饋感應發電機轉子轉速大于同步轉速，f2＜0，轉子上勵磁電流產生的旋轉磁場的旋轉方向與轉子實際的旋轉方向相反，發電機轉子通過勵磁變換器向電網輸出轉差功率。

（3）同步運行狀態雙饋感應發電機轉子轉速等于同步轉速，f2=0，轉子與電網之間沒有能量交換，勵磁變換器向轉子提供直流勵磁，此時雙饋感應發電機相當于同步發電機。

2.2 雙饋發電機數學模型

2.2.1 雙饋發電機三相靜止坐標系下數學模型

雙饋風力發電機定子和轉子一般為三相繞組，為了分析和建模的方便，通常作如下假設：

（1）假設雙饋風力發電機為一臺極對數為1且忽略阻尼繞組的繞線式異步電機；

（2）假設電機定、轉子三相繞組對稱，在空間上相差120°電角度，氣隙磁場在整個圓周內按標準正弦分布；

（3）不考慮磁路的非線性飽和，認為各相繞組的自感和互感值都是恒定不變的；

（4）忽略磁滯損耗、渦流損耗等鐵心損耗；

（5）不考慮環境溫度、電壓和電流頻率的變化對電機參數的影響。

為了建立雙饋發電機的基本方程，規定電機定子側電壓和電流以從電機流出的方向為正方向，并且負方向的電流產生正的磁鏈，電機轉子側電壓和電流以流入電機的方向為正方向，并且正方向的電流產生正的磁鏈。電機定、轉子的繞組接法都是星形連接，并且設定子側各相繞組的電阻都相等，轉子側各相繞組的電阻都相等。圖2所示為雙饋發電機的物理模型。定子軸as、bs、cs在空間上固定，并且以as軸為參考坐標軸，轉子軸ar、br、cr隨著轉子的旋轉而旋轉，轉子ar軸和定子as軸之間的夾角為電角度θr。

圖2 雙饋感應發電機的物理模型圖

2.2.2 雙饋發電機兩相旋轉坐標系下數學模型

在三相靜止坐標系中，由于雙饋電機轉子的旋轉運動使雙饋發電機的數學模型是一組非線性、時變系數的微分方程組，通常采用坐標變換技術進行簡化。

坐標變換通常分為“等量”坐標變換和“等功”坐標變換，本文采用坐標變換前后功率不變的“等功”坐標變換。通過變換矩陣C3s/2s（三相靜止/兩相靜止）和C2s/2r（兩相靜止/兩相旋轉）把定、轉子的電氣量變換到以同步角速度ω1旋轉的dq坐標系上。

3 基于儲能裝置的雙饋風力發電系統控制策略

3.1 蓄電池儲能裝置理論研究

3.1.1 蓄電池工作原理

電池裝置作為一種常用的儲能裝置廣泛地應用在各個領域，電池儲能裝置通常分為鉛酸蓄電池、鈉硫電池和鋰離子電池等幾種常見的電池裝置。鉛酸蓄電池憑借著端電壓波動較小、自放電的概率較低、在高低溫下工作性能優越、化學能轉換成電能效率高、循環使用電池正常工作時間較長、原料價格較低和生產技術成熟等諸多優點成為風力發電系統中儲能裝置的首選。

風力發電系統中通常采用閥控式鉛酸蓄電池作為儲能裝置，蓄電池儲能裝置分為充電過程和放電過程，且充放電過程發生的化學反應是相反的過程。在蓄電池放電過程中，正極上的二氧化鉛（pbO2）和負極上的鉛（Pb）都與電解液中的硫酸（H2SO4）發生反應生成硫酸鉛（PbSO4），并且分別附著在正、負電極上，這樣電解液中的硫酸就會隨著化學反應逐漸減少并且密度下降，蓄電池充電過程與上述過程相反。

3.1.2 蓄電池儲能裝置模型

蓄電池模型分為多種，最簡單的就是蓄電池的理想模型。理想模型用直流電源模擬蓄電池開路電壓和等效內阻組成，把兩部分串聯就組成了蓄電池的理想模型，其中，Vdc為蓄電池開路電壓，Rin為蓄電池等效內阻，V0為蓄電池端電壓，Ic為蓄電池充電電流，其中各量關系為V0=Vdc-Ri－n×Ic。

從式中，可以看出蓄電池等效內阻的阻值是不變的，該模型沒有考慮蓄電池荷電容量或者電解液濃度等對蓄電池內阻的影響，該模型應用價值不高。

3.2 基于儲能裝置的雙饋風力發電系統仿真分析

3.2.1 系統并網和獨立運行仿真分析

基于對帶儲能裝置的雙饋風力發電系統的理論分析，用MATLAB/simulink系統仿真軟件搭建了帶儲能裝置的雙饋風力發電系統并進行了仿真分析，風速在0～1s時為6m/s，在1～2.5s時為9m/s，基于儲能裝置的雙饋風力發電系統在0～1.5s時為并網運行，在1.5～2.5s時為獨立運行，并且在2s時突變負載。當雙饋電機定子側有功功率的隨著風速在1s時突增時，由于雙饋風力發電系統定子側電壓保持恒定，所以定子側電流就隨著功率的增加而增加，頻率不變。而當定子輸出有功功率增加，轉子側勵磁電流即會隨之增加，由于風速增加，雙饋發電機轉速也隨之增加，定子頻率不變，轉子電流頻率就會減小，所以轉子電流為幅值增加，頻率減小。

當雙饋發電機定子側電壓在1.4～1.6s的波形時，在1.4～1.5s時雙饋風力發電系統處于并網運行狀態，定子側電壓即為電網電壓，在1.5s時雙饋風力發電系統從并網狀態變為獨立運行狀態，獨立運行時的定子側電壓即為負載上所加電壓，經研究可知，電壓的峰值保持在311V并且平穩沒有波動，電壓的頻率也保持在50Hz，所以基于儲能裝置的雙饋風力發電系統可以工作在并網狀態和獨立運行狀態。

由蓄電池儲能系統電流電流波形可知，蓄電池儲能裝置以充電電流為正方向。在0～1.5s時，雙饋風力發電系統處于并網運行狀態，蓄電池充、放電情況需要根據蓄電池容量和端電壓的情況而定，本仿真蓄電池并網時處于放電狀態，在1.5～2s時，雙饋風力發電系統處于獨立運行狀態，所帶負載為20Ω，雙饋發電機輸出功率不足以滿足負載需求，蓄電池蓄能狀態通過負載側變換器逆變向負載提供功率，在2～2.5s時，所帶負載突變為40Ω，負載電壓保持不變，所需電流減小，可以從圖中看出蓄電池儲能裝置發電電流也隨之減小。

3.2.2 系統獨立運行時無風仿真分析

基于儲能裝置的雙饋風力發電系統在無風情況下也可以獨立運行一段時間，本文使用MATLAB/simulink搭建了系統模型并進行了仿真分析。在1s時基于儲能裝置的雙饋風力發電系統從并網狀態切換成獨立運行狀態，在1.5s時風速由9m/s突變為0.1m/s為風速變化波形。基于儲能裝置的獨立運行的雙饋發電系統在1.5s時風速從9m/s突變為0.1m/s，會形成定子側電壓和電流波形，為了便于觀察和美觀，電流被放大后電池儲能保持穩定裝置的作用，雙饋發電機定子側不輸出功率，但是由于蓄系統在無風的情況下仍然可以保持定子側電壓即負載上電壓，使得系統在無風情況下仍然可以向負載供電一段時間。

4 結語

總之，本文提出了一種將儲能系統加入背靠背變換器直流母線的新型雙饋風力發電系統，并對背靠背變換器實施功率控制策略，有效地抑制了風速隨機化引起的風力發電系統并網點輸出功率的波動。仿真和實驗結果表明，在風速波動的情況下，該系統能夠按照優化控制策略得到平滑的功率輸出，且具有較好的穩態性能和動態響應能力。

[1]陳仲偉，鄒旭東，陳耀紅，等.帶儲能的雙饋風力發電系統控制策略[J].電力系統自動化，2014（18）：1～5.

[2]陳娜娜.風電儲能系統控制策略的研究[D].河南工業大學，2012（12）：45.

[3]蔣冀.含儲能單元的雙饋風力發電系統控制策略研究[D].華中科技大學，2011（20）：12.

TM614

A

1004-7344（2016）05-0070-02

2016-2-5

楊鐿（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事風力發電等工作。