飛輪儲能風力發電系統的功率快速平滑控制策略研究

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061)

0 引 言

風能具有隨機性、間歇性等特點，風力發電系統直接并網易導致網側電壓與頻率的波動、畸變，于電網的安全運行不利，甚至可能造成電網崩潰[1—2]。儲能裝置可平滑風力發電機組的輸出功率，有利于電網安全運行，提高電網對風電的接納能力[3—4]。飛輪儲能裝置為機械儲能裝置，具有對環境友好、效率高、充放電深度可控、可深度充放電等優點，使得其在風力發電系統中具有一定的競爭力[5—7]。

但是飛輪儲能系統的并網逆變器輸出功率的高頻擾動將降低電網吸納風能的能力。為此，提出了能實現快速功率平滑控制、減少并網功率波動、增加電網吸納能力的功率快速平滑控制策略。所提出的飛輪儲能風力發電系統控制策略中包含了風力發電系統的控制策略、飛輪儲能系統控制策略以及并網逆變器的控制策略。

1)風力發電系統的控制策略采用文獻[8]介紹的最大功率點跟蹤控制(maximum power point tracking，MPPT)。該文獻針對直驅式永磁同步風力發電系統存在的非線性、不確定性、強干擾的問題，提出一種很好的基于滑模自適應控制算法的最大功率點跟蹤策略。

2) 飛輪儲能系統與并網逆變器控制則采用滯環控制[9—10]與三角載波相結合的定頻滯環控制策略。

雖然滯環控制策略結構簡單、調節速度快、易實現、響應速度快、魯棒性好且不存在平均跟蹤誤差[11—12]，然而其開關頻率不固定，致使其輸出電流諧波大，輸出濾波器設計尺寸較大。文獻[13]提出了一種定時滯環比較器，但是該方法存在平均跟蹤誤差，導致系統的穩定精度變差。文獻[14]則通過調節系統參數動態調整滯環閾值，但存在跟蹤失步的可能。

針對以上不足，提出采用三角載波與滯環控制策略相結合的方法，即將電流誤差疊加上三角載波，實現開關頻率固定的定頻滯環控制策略。而對于并網逆變器的控制則采用瞬時功率理論直接計算交直軸電流的參考值，減少了PI控制器；而采用定頻滯環控制策略，則不需要對電網電壓進行鎖相，進一步降低了控制系統的軟件成本。

3)飛輪儲能控制系統的充放電功率參考值可通過并網功率的波動獲得。

文獻[15]通過測量風速的平均值，設置飛輪儲能系統的充放電功率參考值；然而風速波動大，測量誤差大，導致儲能系統的平滑效果不理想。而文獻[11]則將風力發電系統的最大輸出功率與平均輸出功率的平均值作為儲能系統充放電功率的參考值，采用該方法容易導致儲能系統長時間充電或放電；然而儲能系統的存儲容量有限，儲能系統過渡放電或充滿電后，將失去平滑功率的功能，因此該方法適用于儲能容量較大的場合。

由于飛輪儲能系統的充放電功率是為了平滑風力發電系統的并網功率，因此提出通過檢測并網逆變器的輸出功率，將其作為飛輪儲能系統的充放電功率參考值。而對于并網逆變器而言，其輸出功率的高頻波動即是風能的隨機性、波動性導致的電網側并網功率波動。因此，提出采用并網逆變器輸出功率的高通濾波分量作為飛輪儲能系統的輸出功率參考值。

下面基于所提出的控制策略，搭建了飛輪儲能風力發電系統模型，并進行仿真分析和實驗驗證。結果表明：所采用的并網逆變器輸出功率濾波算法確定儲能系統的充放電參考值具有不增加系統硬件成本、誤差小、抑制網側波動能力高等優點，同時采用定頻滯環控制策略控制系統的軟件成本得到了降低。

1 風力發電系統結構

圖1為飛輪儲能異步電機風力發電系統的結構框圖，圖中：電機為直驅鼠籠條式異步電機，具有成本低、結構可靠堅固、魯棒性高等特點；飛輪儲能系統中的電動/發電機也采用異步電機；并網逆變器、風力發電機側變換器與飛輪儲能系統側變換器均采用三相脈沖寬度調制(pulse width modulation，PWM)變換器。

圖1 風力發電系統結構

2 飛輪儲能風力發電系統控制策略

2.1 風力發電機組的控制策略

風力發電機的風能利用系數Cp(λ)是葉尖速度比λ的函數，圖2為某一固定風速下的Cp(λ)與λ的關系圖。圖中，Cp-max即為最大功率點追蹤控制的最大輸出功率點。可通過控制風力發電機的轉速調節葉片角速度，實現風力發電系統的最大功率點追蹤。此時，風力發電機的轉矩參考值Te-ref可利用Cp-max描述，如式(1)所示。

圖2 風能利用系數特性

(1)

式中：ρ為空氣密度,kg/m3；R為葉片半徑；λopt為最佳葉尖速比；ωt為風機風輪角速度。

即式(1)可根據風速、風能利用系數計算最大功率點處風力發電機的轉矩，作為風力發電機控制的轉矩參考值。籠型異步風力發電機在轉子磁場定向的兩相旋轉坐標系下的數學模型可參考文獻[16]，其風力發電機的控制策略框圖如圖3所示。

圖3 風力發電機控制框圖

2.2 并網逆變器控制策略

圖1中并網逆變器的輸入有功功率Pg-ref可表示為

Pg-ref=Udc(idc-ic)

(2)

式中:Udc為直流母線電壓；idc為并網逆變器輸出電流；ic為流進直流母線電容的電流。ic可通過直流母線電壓的控制器獲得，即可表示為

ic=P/(Udc-ref-Udc)

(3)

式中,Udc-ref為直流母線電壓參考值。

兩相旋轉dq坐標系下，由瞬時功率理論可知：

(4)

(5)

式中：Pg-ref、Qg-ref分別為并網逆變器輸入的有功功率和無功功率；Ed、Eq分別為網側三相電壓在dq坐標系下的d軸分量與q軸分量；id-ref、iq-ref分別為直軸電流參考值和交軸電流參考值。

將式(4)兩端同時乘以Ed，式(5)兩端同時乘以Eq，可將id-ref表示為

(6)

將式(4)兩端同時乘以Eq，式(5)兩端同時乘以Ed，可將iq-ref表示為

(7)

根據式(6)、式(7)可直接計算并網逆變器的直軸電流參考值和交軸電流參考值，而文獻[17]采用的PI控制器計算交直軸電流，存在參數調節不準確等問題。

采用所提的瞬時功率理論與定頻滯環控制策略時，并網逆變器的控制策略框圖如圖4所示。該策略無需鎖相環進行鎖相，提高了系統控制效率與可靠性。

2.3 飛輪儲能系統控制策略

圖1中，飛輪儲能系統通過三相PWM變換器直接與直流母線相連，以維持直流母線電壓恒定。

飛輪儲能系統中存儲的動能可表示為

(8)

式中：Ef-ref為當前時刻，飛輪儲能系統存儲的能量；Ef1為飛輪儲能系統存儲能量的初始值；Pref為電動/發電機的輸入功率參考值。

圖4 并網逆變器控制框圖

采用低通濾波器與高通濾波器兩類濾波器獲取飛輪儲能裝置的功率輸入參考值，其中高通濾波器輸出的有功功率參考值為風力發電系統輸出功率的波動分量，通過該有功功率的擾動成分，可有效抑制風力風電發電系統對電網的影響。

即飛輪儲能系統的功率參考值Pref可由網側輸出功率經過高通濾波后獲得，如圖5所示。

圖5 飛輪儲能系統功率參考值

由動能公式可知，此時電動/發電機的機械轉速參考值可表示為

(9)

式中，J為飛輪轉子的轉動慣量。

圖6中，磁鏈估算可通過式(10)實現，轉矩估算可通過式(11)實現。

圖6 飛輪儲能系統控制框圖

(10)

Te-f=np-f(Ψf-sdif-sq-Ψf-sqif-sd)

(11)

式中：Ψf-s、Ψf-sd、Ψf-sq分別為定子磁鏈、定子磁鏈d軸分量、定子磁鏈q軸分量；uf-sd、uf-sq分別為飛輪電機的定子電壓d軸分量與q軸分量；Rs為飛輪電機的定子繞組電壓；if-sd、if-sq分別為飛輪電機的定子電流d軸分量與q軸分量；Te-f為飛輪電機的電磁轉矩；np-f為飛輪電機的轉子轉速。

2.4 定頻滯環控制

采用滯環控制策略時，開關管的開通關斷時刻取決于逆變器輸出電流達到上、下限的時間，導致其開關頻率不固定，并網逆變器輸出電流諧波含量大。圖7為采用三角載波技術與滯環比較器相結合的示意圖。

圖7 定頻滯環控制策略

(12)

采用該方法，開關頻率由三角載波決定，在不影響滯環控制策略的實時性、響應速度與魯棒性的情況下，實現開關管頻率固定。同時該方法無需增加額外的硬件電路，軟件也易實現，進而可減小濾波器的尺寸，提高效率，降低成本。

3 仿真分析與實驗驗證

為驗證所提出的控制方法，利用Matlab/simulink搭建了仿真平臺，并通過實驗進行驗證。仿真過程中具有隨機性、波動性的風速變化如圖8所示，其系統參數如表1所示。

圖8 風速變化

表1 仿真系統參數

圖9與圖10為采用滯環控制策略(hysteresis current control, HCC)、定頻滯環控制策略(modulated hysteresis current control, MHCC)以及PWM調制方式獲得的在波動的風速下的直流母線電壓波形與網側功率因數波形。由圖可知，在定頻滯環控制策略下，直流母線電壓的波動較小，獲得的網側功率因數與PWM調制方式下獲得的網側功率因數波形相似。

圖11為在恒定負載功率3 kW下，維持直流母線電壓不變，飛輪儲能系統輸出功率的實驗波形。

圖12為采用不同的控制策略時網側有功功率實驗波形，圖中紅色曲線為采用測風速計算飛輪儲能系統的充放電功率參考值的網側功率波形，藍色曲線為采用由網側功率的經過高通濾波后獲得的功率波動作為飛輪儲能系統充放電功率參考值。由圖可知，采用功率快速平滑控制策略時，電網側的有功功率波動較小，風力發電系統的輸出電能質量較高。

圖9 直流母線電壓波形

圖10 功率因數波形

圖11 飛輪儲能系統輸出功率實驗波形

圖12 電網側有功功率實驗波形

并網功率為10 kW時，網側電流波形如圖13所示。圖13(a)中基波頻率為50 Hz時，諧波含量為19.04%，而圖13(b)中電流波形諧波含量為4.71%。即定頻滯環控制能夠顯著降低網側電流諧波含量。

圖13 網側電流波形

4 結 論

所研究的飛輪儲能風力發電系統的功率快速平滑控制策略，采用網側輸入功率的高頻分量作為飛輪儲能系統的功率參考值，采用定頻滯環控制策略避免了采用PI控制器帶來的參數不穩定，以及無需鎖相環。仿真與實驗結果表明：該定頻滯環快速功率平滑控制策略具有魯棒性高、動態響應速度快、無靜態誤差等優點，還克服了開關管頻率不固定、輸出電流諧波含量高等問題。此外，該控制策略的算法的軟硬件成本較低。