基于超級電容-蓄電池混合儲能的小型直驅風機綜合控制策略及運行特性研究

華 東,宋新甫,李 娟,張三春,陳偉偉,李云山

(國網新疆電力公司經濟技術研究院,新疆烏魯木齊830000)

0 引 言

風力發電作為當前最具發展潛力的可再生清潔能源發電方式,受到世界各國的廣泛關注,然而在風力發電飛速發展的進程中,也不可避免的出現了一些瓶頸和問題。由于風速的天然隨機性和波動性,使風力發電系統的輸出功率存在著很大的波動性,這一問題嚴重制約著風力發電的發展[1]。

為解決該問題,本文利用超級電容-蓄電池混合儲能系統的互補特性,提出了一種以直流母線為控制對象、以直流電壓恒定為控制目標的混合儲能系統的控制策略,來抑制風速變化對風機運行穩定性的影響,在一定程度上抑制風力發電系統輸出功率的波動性,緩解風力發電系統的能量波動,減少其并網時對系統的沖擊影響。本文將超級電容-蓄電池的混合儲能系統應用到小型風力發電系統中組成微電網系統來提高系統運行的穩定性,該研究對風力發電系統的應用和改進有著極其重要的實踐意義。

1 基于超級電容-蓄電池的混合儲能系統的直驅機組建模

1.1 小型直驅風機建模

采用簡化的風力機模型進行建模描述[2],風力機從風中吸收的功率Pm為

(1)

式中,ρ為空氣密度,kg/m3；R為風輪半徑,m；v表示風速,m/s；β是槳距角；λ是葉尖速比；Cp為風能利用系數；ωm為風輪角速度,rad/s。

直驅永磁風力發電機的整流器采用PWM整流器,數學模型為

(2)

式中,ua、ub、uc,ia、ib、ic分別是三相交流相電壓和相電流；Udc為直流電壓；R為串聯電阻；L為回路電感；iL為負載等效電阻；Sx(a,b,c)為三相橋臂開關函數；Sx=0表示上關下通；Sx=1表示上通下關。

1.2 超級電容-蓄電池混合儲能系統建模

1.2.1 鉛酸蓄電池的等效模型

考慮到蓄電池的三階模型參數又太復雜,為此采用忽略寄生電阻的一階等效蓄電池電路模型。

鉛酸蓄電池的電壓方程為

Vb=VOC-Vd+Vg

(3)

式中,Vb蓄電池端電壓；Voc是蓄電池電動勢；Vd為充放電壓降；Vg為充電的電壓上升[3]。

在蓄電池充放電過程中,蓄電池電壓由充放電電流、荷電狀態(State of Charging,SOC)及溫度3個參數共同決定。

對于放電狀態(ib<0),Rd、Va、Vg的計算方法如下

(4)

(5)

(6)

Vg=0

(7)

對于充電狀態(ib>0),Rc、Va、Vg的計算公式如下

(8)

(9)

(10)

1.2.2 超級電容器的等效模型

超級電容功率為

P=U0I=(U-IR)I

(11)

超級電容能量輸出為

(12)

超級電容充電效率ηc為

(13)

式中,Ucmax為超級電容充電起始電壓；Ucmin為超級電容充電截止電壓[4]。

超級電容放電效率ηd為

(14)

式中,Udmax為超級電容放電時起始電壓；Udmin為超級電容放電時截止電壓。

1.3 網側逆變器建模

三相并網逆變器結構如圖1所示。

圖1 三相并網逆變器的結構

網側逆變器采用能量可雙向流動、電流諧波小,功率因數可控的三相電壓型逆變器,其數學模型方程為[5]

(15)

2 系統控制策略

2.1 機側整流器控制策略

直驅風機機側變流器采用電壓電流雙閉環控制策略,控制策略如圖2所示。

圖2 機側整流器控制示意

2.2 混合儲能系統的控制策略

考慮到各個因素的影響,可以確定的是儲能系統的控制關鍵點在于控制直流母線電壓的穩定。直流母線電壓的穩定既能保證直流負載的可靠運行,也為后續逆變器的控制提供方便。當直流母線電壓升高時,風機的輸出功率大于負載消耗的功率,儲能系統負責吸收多余的能量,儲能系統處于充電狀態；而當公共節點電壓降低時,風機的輸出功率小于負載需求的功率,儲能系統負責提供不足的能量,儲能裝置處于放電狀態。

根據對蓄電池雙向DC/DC控制器的分析,可以得到如圖3所示的蓄電池儲能系統的控制示意。

圖3 蓄電池充放電的控制示意

混合儲能系統采用以穩定直流母線電壓為目的的控制策略。結合兩種儲能方式的特點,將儲能系統需要平衡的功率差值通過低通濾波器分為低頻部分和高頻部分；由超級電容負責吸收和釋放高頻功率,利用鉛酸蓄電池能量密度大的特點,將其作為長期儲能裝置,吸收和釋放低頻功率。該直流母線的電壓外環控制如圖4所示[6]。

為保證蓄電池吸收能量中的低頻部分和超級電容吸收能量中的高頻部分,引入低通濾波器和比例系數K,則超級電容-蓄電池混合儲能系統的控制框圖如圖5所示。

圖4 直流母線的電壓外環控制示意

圖5 混合儲能系統總體控制示意

2.3 并網狀態下網側逆變器的控制策略

逆變器采用恒功率控制方法(PQ控制)，其控制框圖如圖6所示。

圖6 逆變器PQ控制示意

3 系統仿真分析

基于以穩定風機直流母線電壓為出發點確定的直驅風機、混合儲能系統及逆變器的綜合控制策略,在MATLAB軟件中搭建整體并網仿真模型。系統仿真時長設定為1 s,在此過程中,風速波形如圖7所示,在t=0.3 s時,Pref由1 000 W跳變降至600 W；在t=0.4 s時,Pref由600 W跳變增至800 W；在t=0.6 s時,在直流母線側增加 的負載；在t=0.7 s時,在直流母線側將50 Ω的負載卸去。

圖7 輸入風速波形

通過仿真得到系統的直流母線電壓波形、逆變器實際輸出有功無功功率波形、逆變器輸出側電壓電流波形、超級電容器充放電電流波形以及鉛酸蓄電池充放電電流波形分別如圖8～12所示。

圖8 風機輸出有功功率波形

圖9 直流母線電壓波形

圖10 逆變器輸出側電壓電流波形

圖11 超級電容器充放電電流波形

圖12 鉛酸蓄電池充放電電流波形

由圖8、9可以看出,基于超級電容-蓄電池的混合儲能系統的直驅風機輸出功率和逆變器給定功率波動,或是增減負載,直流母線電壓總能維持在相對穩定的水平,最大波動只有5 V左右,仿真說明了本文提出的控制策略的有效性和正確性,可以實現直流母線電壓的相對平衡。

由圖10可以看出,無論是風機輸出功率發生變化還是負載發生變化,逆變器輸出側電流始終與電網電壓保持同相位,僅幅值大小發生些許變化,保證了系統始終保持單位功率因數狀態。說明了綜合控制策略的有效性和正確性。

由圖11和圖12可以看出,對于系統在并網狀態下產生的各種變化,超級電容器都能快速反應,其充放電電流波形呈階躍狀態變化,而蓄電池的充放電電流對于各種變化的反應均表現為較為緩慢的升或降,且從圖中波形的坐標可以看出,超級電容器僅在系統發生變化時有較大的快速響應,而穩定運行狀態時充放電電流基本為零,蓄電池負責在穩定運行狀態下長時穩定的吸收和釋放功率差,這一仿真結果也驗證了超級電容器能量密度高,功率密度低,適合快速調節而不適合長時儲能,而蓄電池的功率密度高,能量密度較低,反應較慢但適合長時儲能的物理特性。

根據以上的仿真結果分析可知,在并網狀態下,各部分控制策略在組建的整體系統中可以起到協調控制的作用,穩定了直流母線電壓,根據儲能裝置的特點合理分配了混合儲能系統的儲能任務,同時,實現了直驅機組平滑出力,保證了穩定的有功輸出,驗證了本文提出的以直流母線為控制對象、以直流電壓恒定為控制目標的混合儲能系統的控制策略的正確性和有效性。

4 結 語

本文針對直驅機組功率波動和對運行工況變化的適應性,利用超級電容-蓄電池混合儲能系統的互補性,提出了一種以直流母線為控制對象、以直流電壓恒定為控制目標的基于超級電容-蓄電池混合儲能系統的直驅風機控制策略,并對帶混合儲能的小型直驅風機的并網運行控制策略和運行特性進行了研究分析。通過控制儲能系統合理的充放電以及逆變器的正確動作,達到系統功率合理分配及母線電壓穩定的控制目標。在Matlab中搭建模型,驗證了各控制功能模塊的有效性,及各部分控制策略應用到整體系統中時的協調控制性,有效抑制了風機輸出功率的波動性,提高了其運行穩定性,該研究對風力發電系統的應用和改進有著極其重要的實踐意義。為儲能型小型風機的研究起到了一定的理論指導作用。

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