風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制研究

內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院 劉紫玉

1 永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)及儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

全功率逆變型電源主要代表是永磁風(fēng)電機(jī)組和光伏電源。圖1中發(fā)電單元通過網(wǎng)側(cè)變換器與電網(wǎng)連接，交流側(cè)出口處接有濾波器以免電力電子器件高平開斷產(chǎn)生的諧波進(jìn)入電網(wǎng)。濾波器由電感L1、L2和并聯(lián)電容Cf以及Rf構(gòu)成。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

若忽略并網(wǎng)變換器以及交流側(cè)濾波器上的功率損耗，根據(jù)功率平衡關(guān)系，可得到變換器交直流側(cè)功率關(guān)系表達(dá)式：式中：Udc表示直流母線電壓，Pin=2Udciin表示永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸入功率，iin為新能源發(fā)電單元的輸出直流電流，Pg表示流入電網(wǎng)的功率。在不同工作狀態(tài)下，PMSG并網(wǎng)選擇不同的控制策略：

電網(wǎng)正常運(yùn)行條件下，PMSG并網(wǎng)變換器通常采用基于電網(wǎng)電壓矢量定向的雙閉環(huán)PI控制策略，由直流電壓外環(huán)和并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。將并網(wǎng)電流矢量分解到兩個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸（d軸方向由電網(wǎng)電壓矢量確定）與q軸上，實(shí)現(xiàn)對有功分量與無功分量的解耦控制。其中，直流電壓PI控制外環(huán)的輸出作為并網(wǎng)變換器交流側(cè)有功電流分量（d軸分量）PI控制器的參考輸入；無功電流分量（q軸分量）控制器的參考值設(shè)置為零，以保證電源能夠單位功率因數(shù)運(yùn)行。

電網(wǎng)短路故障下，PMSG并網(wǎng)處電壓將迅速被改變，但風(fēng)力機(jī)的輸出功率仍保持原值，其交流側(cè)電壓并不能隨之迅速改變，將導(dǎo)致流過變換器的電流快速增大，極有可能導(dǎo)致過電流（尤其在不對稱故障情況下）。此時，在并網(wǎng)變換器控制回路中引入電流限幅環(huán)節(jié)以保護(hù)變換器。然而變換器輸出電流受限或該電流增大的速率小于PMSG并網(wǎng)處電壓減小的速率，將導(dǎo)致并網(wǎng)變換器送出到電網(wǎng)功率減小。故障期間PMSG發(fā)電單元輸入到變換器直流側(cè)的功率并不會發(fā)生變化，這將會導(dǎo)致直流母線兩側(cè)功率不平衡。此情況下直流電壓將會以較快速度上升。不對稱故障下，由于變換器交流側(cè)出口處有功功率中二倍基頻分量的存在，PMSG直流母線電壓將發(fā)生大幅波動。當(dāng)直流母線電壓波動的幅度超過變換器最大調(diào)節(jié)能力范圍，PMSG將會失穩(wěn)或過壓保護(hù)動作。蓄電池組模型為：

其中：

儲能系統(tǒng)一般由儲能模塊、變流器及相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，儲能系統(tǒng)的儲能元件為蓄電池，變流器為DC/AC變流器。儲能系統(tǒng)綜合控制系統(tǒng)由兩部分組成，儲能系統(tǒng)蓄電池控制器通過監(jiān)測蓄電池充放電狀態(tài)檢測其出力狀況，并在功率參考值超過蓄電池組吸、發(fā)功率限值時，以其限值作為功率控制器的有功功率參考值。

2 風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)的控制策略

2.1 并網(wǎng)逆變器控制方式

單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)最終目標(biāo)就是將風(fēng)機(jī)所發(fā)出的高頻直流電直接轉(zhuǎn)化成作為與其他電網(wǎng)負(fù)載電壓同頻、同相的高頻交流電，從而既向電網(wǎng)負(fù)載用戶供電、又向其他電網(wǎng)用戶發(fā)電的系統(tǒng)，電網(wǎng)用戶可把它看成一個容量無窮大的單相交流驅(qū)動電壓源，而并網(wǎng)逆變器的直流輸出既同樣可通過控制為直流電壓源，同樣可通過控制來作為驅(qū)動電流源[1-2]。

在這種電流控制驅(qū)動模式下，并網(wǎng)逆變器可呈現(xiàn)出高阻抗驅(qū)動特性，因此設(shè)計(jì)可有效減少直流電網(wǎng)內(nèi)部電壓擾動對直流輸出并網(wǎng)電流的直接影響，從而大大改善直流輸出并網(wǎng)電流的運(yùn)行質(zhì)量。實(shí)際上還可通過相位調(diào)整與自動并網(wǎng)管理系統(tǒng)控制輸出輸入電流的相位大小和輸出相位來調(diào)整控制系統(tǒng)的有功輸出和系統(tǒng)的無功輸出。常用的電流控制方法主要有滯環(huán)電流控制和基于SPWM的電流控制。本文選用單極倍頻SPWM調(diào)制，三角載波頻率為10kHz。

2.2 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電流內(nèi)環(huán)控制參數(shù)設(shè)計(jì)：為實(shí)現(xiàn)對id、iq的無靜差調(diào)制引入閉環(huán)PI控制器，其控制方程如下式所示，由于id的控制可由直流電壓的控制實(shí)現(xiàn)，因此電壓外環(huán)PI控制器的輸出即為電流內(nèi)環(huán)的有功分量id的參考值idref，無功電流內(nèi)環(huán)的參考值則根據(jù)需要向電網(wǎng)輸送無功功率的指令。

綜上，基于電網(wǎng)電壓矢量的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖可用圖2表示。本次設(shè)計(jì)逆變器并網(wǎng)控制采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)相結(jié)合的控制方式，可較好地控制逆變器的輸出。

圖2 雙閉環(huán)控制策略整體結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果及分析

在PSCAD中搭建風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型，分別設(shè)置不同運(yùn)行工況，并監(jiān)測不同工況下系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)出力受自然條件變化影響，由仿真結(jié)果可知，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)機(jī)電源提供工況電流與短路電流幅值相應(yīng)明顯增加，在故障發(fā)生前分別為0.39IN、0.75IN、0.9IN，在故障發(fā)生后達(dá)到0.51IN、1.05IN、1.2IN。即在風(fēng)速較大時發(fā)生故障，逆變器限幅器發(fā)揮作用，故障電流達(dá)到限幅器上限。

在PSCAD中搭建如下風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)：無窮大系統(tǒng)11kV，額定頻率60Hz，風(fēng)儲聯(lián)合系統(tǒng)經(jīng)過0.23/11kV升壓變接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接200kW負(fù)載，風(fēng)機(jī)額定出力200kW，蓄電池額定容量0.24kAh，直流母線電壓0.5kV。在仿真運(yùn)行到3s時風(fēng)速由80m/s下降至10m/s，運(yùn)行到3.5s時風(fēng)速由10m/s升高至80m/s；仿真運(yùn)行至4.5s時系統(tǒng)電壓由11kV跌至5.5kV，仿真運(yùn)行至4.75s時系統(tǒng)電壓由5.5kV升高至11kV。

圖3 兩種場景直流母線電壓波動情況對比

對比單獨(dú)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的仿真結(jié)果，可看出當(dāng)風(fēng)速及系統(tǒng)電壓出現(xiàn)變化時，相比于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可很好平穩(wěn)母線電壓的波動、維持系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4顯示，當(dāng)風(fēng)速由80m/s下降至10m/s，相比于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)出力提高了整體系統(tǒng)的有功出力。當(dāng)風(fēng)速由10m/s升高至80m/s時，風(fēng)儲系統(tǒng)通過儲能吸收多余的有功，從而降低系統(tǒng)有功功率的波動。

圖4 兩種場景輸出有功無功對比

4 結(jié)語

新能源發(fā)電存在一些隨機(jī)性較大的周期問題，電壓、頻率等發(fā)電參數(shù)周期變化多，不能很方便的將其并入電網(wǎng)。可得相比于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)可很好平穩(wěn)母線電壓的波動，降低系統(tǒng)有功功率的波動。