基于混合儲能系統的雙饋風力發電系統直流電壓控制策略

李咸善， 葉 浪， 程 杉

(1.三峽大學電氣與新能源學院， 宜昌 443002； 2.梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室， 宜昌 443002)

近年來，隨著風電場規模擴大，故障時風電系統能否保持并網運行成為學術界研究的焦點。由于對雙饋異步風力發電機(doubly-fed induction generator，DFIG)的高電壓穿越技術不夠重視，中國研究仍處于初步階段，且由于尚未形成統一標準，絕大多數風電機組都不具備高電壓穿越能力。在工程實際中，故障引起部分機組低電壓脫網后，風電場外送有功功率減小，因無功補償裝置或濾波器不能及時退出運行或吸收過剩的無功功率，在電網電壓恢復時刻電網局部無功過剩會引起電壓驟升故障[1-2]，對機組造成二次危害，引起更大規模的脫網事故[3]。

目前，前人多只針對低電壓故障[4]或者高電壓故障[5]一個方面研究，對實際工程中出現的低電壓過后高電壓的連鎖故障問題缺乏系統研究。高電壓故障的研究多集中于對磁鏈暫態特性的分析[6-7]，限于理論分析的復雜性，其在工程應用較為困難，需要研發易于工程實現的新技術。傳統低電壓故障研究多采用Chopper電阻[8]、Crowbar電阻[9]、電抗[10]串接抑制轉子電流或定子串接阻抗[11]提高定子電壓等耗能方法，由此造成的機艙溫升問題，對材料以及機組冷卻系統的要求更高。文獻[12]采用超導儲能技術改善電壓穿越能力，但超導技術尚不完全成熟，短期內能否實際應用仍有待驗證。文獻[13]提出將飛輪儲能用于低電壓穿越技術，但飛輪儲能需要突破技術瓶頸如軸承溫度以及材料等。

綜上可知，研究易于實際工程應用的電壓穿越裝備尤為重要。為此，提出在直流側并聯混合儲能系統，通過儲能系統的充放電來平抑不平衡有功功率功率的波動，從而達到穩定直流側母線電壓，提高故障穿越能力的目的。

1 基于混合儲能的DFIG系統建模

采用基于超級電容和蓄電池組成的混合儲能系統的雙饋電機的拓撲結構，如圖1所示。將超級電容器組和蓄電池組分別通過雙向DC/DC變換器與雙變流器中直流母線電容并聯接入雙饋風力發電系統，與系統交換有功功率。

圖1 基于混合儲能的雙饋電機拓撲Fig.1 Topology of DFIG based on hybrid energy storage

1.1 考慮混合儲能的網側變換器數學模型

考慮混合儲能裝置的網側變換器拓撲結構如圖2所示，在d-q兩相同步旋轉坐標系下，其數學模型為

圖2 考慮混合儲能的網側變流器拓撲Fig.2 Topology of GSC considered hybrid energy storage

(1)

式(1)中：R、L分別表示進線電阻和電感；三相相等；ihes為混合儲能裝置輸出電流；S為開關函數；ω1為電網基波角頻率；Vdc表示直流側電壓；u、v分別表示變換器交流側電壓、電網電壓；i表示電網電流；下標g、r分別表示網側量、轉子側量；下標d、q分別表示d軸量、q軸量。

1.2 考慮混合儲能的直流側電容模型

雙脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)變換器中間的直流電容存儲的能量(Wdc)表達式為

(2)

式(2)中：直流電容(C)是由轉子側變流器的有功功率PS和網側變流器的有功功率PG交換流通的中介，其關系為

(3)

混合儲能裝置作為能量的緩沖環節，則式(3)可以轉化為式(4)：

(4)

式(4)中：Phes為混合儲能裝置輸出功率。

2 基于混合儲能的DFIG直流側電壓控制策略

2.1 混合儲能系統的協調控制策略

DFIG系統故障導致其直流側功率波動，可通過直流側并聯的混合儲能裝置的充放電得到平抑，從而穩定直流側母線電壓，提高DFIG故障穿越能力。由于不平衡功率存在多種成分，為了提高不平衡功率平抑效果，采用經驗模態分解法[14]將不平衡有功功率(ΔP)分解為快速變換量和慢速變化量，利用超級電容器功率密度高、充放電速度快的特點，響應ΔP的快速變化量；利用蓄電池能量密度大、充放電速度慢的特點，響應ΔP的慢速變化量。通過控制DC/DC變換器控制混合儲能裝置吞吐有功功率，當直流母線電壓超過額定電壓，即ΔP>0，網側變流器有功共功率(PG)大于轉子側變流器的有功功率(PS)時，混合儲能裝置補償不足的有功功率；當直流母線電壓低于額定電壓，即ΔP<0，網側變流器有功共功率(PG)小于轉子側變流器的有功功率(PS)時，混合儲能裝置吸收過剩的有功功率。

2.2 不平衡有功功率分解方法

風電系統直流側不平衡有功功率信號具有顯著的非線性、非平穩性，傳統傅里葉變換只能分析含有特定頻率的正弦、余弦的混合信號，分析較困難。采用經驗模態分解法[14]，將復雜的原始信號分解成多個頻率成分構成單一的簡單信號分量，即固有模態函數(intrinsic mode function，IMF)，經過希爾伯特變換后，分析原始信號的瞬時幅值和頻率，其分解流程如圖3所示。

emax(t)、emin(t)分別為3次樣條插值的上下包絡線函數；m0(t)=x(t)為輸入信號；SD為固有模態函數的判別條件圖3 經驗模態分解流程圖Fig.3 Empirical mode decomposition flow chart

圖4 變換器控制框圖Fig.4 Converter control block diagram

圖3中，在周期T內，固有模態函數判別條件(SD)表示為

(5)

2.3 DC/DC變換器控制方法

超級電容器采用功率跟蹤性能好的功率電流雙閉環控制策略，外環采用功率控制，內環采用電流控制。控制器邏輯如圖4所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

聯立式(9)和式(10)，可以得到超級電容器側雙向DC/DC變換器的占空比d1：

蓄電池采用電壓跟隨性能好的電壓電流雙閉環控制策略，外環采用直接電壓控制，內環采用電流控制。同理可得蓄電池側占空比(d2)：

(12)

2.4 混合儲能系統容量約束

為了使混合儲能裝置在滿足有功功率輸出能力的基礎上，提高裝置整體經濟性和有功吞吐效率，需要對混合儲能裝置進行容量約束。超級電容器組存儲的總能量(ESC_unit)表示為

(13)

式(13)中：NSC為單體超級電容器的個數；CSC為單體電容量；Vmax為最大耐受電壓；Vmin為最低允許放電電壓；E為NSC個超級電容器單體的儲能總量。

考慮放電對等效電阻Resr的影響，根據最大功率傳輸定理，可得超級電容器組最大放電功率為

(14)

式(14)中：Punit表示超級電容器組功率。為使超級電容器的端電壓達到最低值Vmin時仍具備額定輸出功率的能力，將式(14)中電壓(V)設為超級電容器的最低工作電壓，則Vmin應該滿足功率要求：

(15)

令式(14)取等號，聯立式(14)、式(15)，可解得超級電容器的約束條件：

(16)

Nb個級聯的蓄電池組理論儲存的總容量(Eb)為

Eb=0.001λNbCbUb≥Eb_unit

(17)

式(17)中：λ為蓄電池的放電深度；Cb為單體蓄電池等效電容；Ub為單體蓄電池開路電壓；Eb_unit為蓄電池的設計容量。計算蓄電池容量約束：

(18)

式(18)中：K為安全系數；I為負荷電流；T為放電小時數；α為溫度系數；t為溫度；η為放電深度。聯立式(17)、式(18)，可解得蓄電池的約束條件為

(19)

式(19)中：Cb為單體蓄電池等效電容；Ub為單體蓄電池開路電壓。

3 算例仿真

為驗證本文所提控制策略，搭建6×1.5 MW DFIG風力發電系統Simulink模型，風電場集電系統拓撲結構如圖5所示。

圖5 風電場集電系統拓撲Fig.5 Topology of wind farm collection system

單臺雙饋電機參數如下：額定功率1.5 MW，極對數為3，定子額定電壓575 V，定子額定電壓1 975 V，額定頻率60 Hz，定子電阻0.023 p.u.(p.u.表示標幺值)，定子自感0.18 p.u.，轉子電阻0.016 p.u.，轉子自感0.16 p.u.，互感2.9 p.u.，額定直流母線電壓1 150 V，額定風速11 m/s。其中，p.u.為標幺值單位。

3.1 電壓驟升幅值為1.3 p.u.

當25 kV母線電壓升高至1.3 p.u.時，有無混合儲能仿真結果如圖6所示。由圖6可知，并網點電壓棸升至1.3 p.u.，含有混合儲能和不含混合儲能的系統各方面性能如有功功率、無功功率等方面基本一致。含有混合儲能的系統最顯著的優勢在于混合儲能系統能量緩沖能力，能夠有效減小轉子側變流器和網側變流器間不平衡的有功功率，抑制直流電壓峰值，有效保護雙變流器系統的安全穩定運行。

圖6 1.3 p.u.電壓時2種仿真結果對比Fig.6 Comparison of two simulation results at 1.3 p.u. Vpcc

3.2 低、高電壓連鎖故障

當25 kV母線電壓先跌落至0.5 p.u.，再驟升至1.2 p.u.時，有無混合儲能仿真對比結果如圖7所示。

圖7 1.2 p.u.電壓時2種仿真結果對比Fig.7 Comparison of two simulation results at 1.2 p.u. Vpcc

由圖7可知，當并網點電壓發生連鎖故障時，不含有混合儲能的系統故障期間ΔP的峰值接近1 000 kW，累積在電容上的能量極易導致電容擊穿，影響轉子側變流器和網側變流器之間有功功率交換，造成發電系統不正常運行；相較之下，含有混合儲能的系統在故障期間ΔP峰值約為200 kW，顯著減少了轉子側變流器和網側變流器之間不平衡的有功功率。直流側電壓在故障期間穩定在1 100～1 200 V，保證了雙變流器系統的穩定運行。

4 結論

通過仿真模擬風電場25 kV并網點電壓發生不同幅值的電壓變化，通過分析仿真結果得出如下結論。

(1)驗證了混合儲能裝置具有能量緩沖功能，在低電壓故障、高電壓故障及低、高電壓連鎖故障時均能減小網側變流器和轉子側變流器間不平衡的有功功率。

(2)所提直流電壓控制策略能夠使系統發生故障期間直流電壓保持穩定，一定程度上提高了雙饋風力發電機組的高低電壓故障穿越能力。

(3)提出的混合儲能更容量約束配置方法簡單實用，易于工程實現，可為風電機組配備故障全程穿越控制設備提供參考。