趙 輝，馬玲玲，岳有軍

(1. 天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384;2. 天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384)

前言

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響變得越來越重要。目前，新的電網(wǎng)規(guī)則均要求風(fēng)電機(jī)組具有一定的低電壓穿越能力，即在一定程度的電網(wǎng)故障下，風(fēng)電機(jī)組能夠繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，故障切除后發(fā)電機(jī)組能夠迅速恢復(fù)正常，以提供無功功率支撐穩(wěn)定電網(wǎng)。相對于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)省去了傳動齒輪箱，系統(tǒng)中無電刷和滑環(huán)，其運(yùn)行可靠性和發(fā)電效率得以提高[1，2]。關(guān)于研究永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越的文獻(xiàn)較少，已有文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[3，4]說明通過控制網(wǎng)側(cè)變換器，可以在一定程度上提高低電壓穿越能力，但是提高的水平有限。文獻(xiàn)[5]分析了在直流母線上并聯(lián)卸荷電阻的方案，但沒有考慮卸荷電阻的散熱問題，且這種方案將功率損耗在卸荷電阻上，效率較低。文獻(xiàn)[6-8]研究了在直流母線上并列儲能系統(tǒng)的方案，并比較了各儲能元件在低電壓穿越應(yīng)用的特點，但沒有分析具體的儲能方式、對應(yīng)的能量儲存以及回饋的控制策略。

性能優(yōu)良的儲能電池與大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電配套使用，是改善電力系統(tǒng)運(yùn)行性能的重要手段。多硫化鈉-溴儲能電池（PSB）是一種新型電池，兩種液體電解質(zhì)分別貯存在兩個貯罐內(nèi)，電池容量可大可小，具有能量轉(zhuǎn)化率高，使用壽命長，可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點。適合大規(guī)模電力儲能，是一種潛力巨大的新型環(huán)保優(yōu)秀儲能電池[9]。

本文研究了雙向Buck-boost DC/DC變換器的控制策略，構(gòu)建了在直流側(cè)增加多硫化鈉-溴電池儲能裝置的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，分析了儲能系統(tǒng)對平衡直流母線兩側(cè)功率，平抑電機(jī)輸出功率波動以及當(dāng)電壓跌落和恢復(fù)時提高機(jī)組低電壓穿越能力的動態(tài)響應(yīng)過程和運(yùn)行特性，仿真實驗驗證了系統(tǒng)模型和控制策略的正確性和可行性。

1 儲能型直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)原理

具有儲能環(huán)節(jié)的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、PMSG、雙PWM變換器、雙向DC/DC變換器、儲能裝置和全橋逆變器等構(gòu)成，如圖1所示。發(fā)電機(jī)首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為頻率和幅值變化的交流電，通過整流后變?yōu)橹绷?，然后再?jīng)過三相逆變器變換為三相電壓和頻率恒定的交流電傳送至電網(wǎng)。在直流側(cè)增加儲能裝置用以對電能進(jìn)行儲存或釋放，平衡電網(wǎng)所需功率，抑制功率波動；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，儲能裝置可以用來儲存直流側(cè)積累的多余能量，當(dāng)電網(wǎng)故障切除時，儲能裝置可以釋放能量，向電網(wǎng)回饋功率以支撐電網(wǎng)電壓，提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力。

2 控制策略

2.1 發(fā)電機(jī)側(cè)變換器控制策略

以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通為參考坐標(biāo)系的永磁同步電機(jī)電壓方程如下：

式中：usd、usq和isd、isq分別為發(fā)電機(jī)定子輸出電壓、電流的d軸和q軸分量；Ls和Rs分別為定子電感和電阻；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；ψ為永磁磁通。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

式中：Pn為發(fā)電機(jī)的極對數(shù)。由式（2）可以看出，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩可以通過定子電流的q軸分量進(jìn)行控制。

圖2為發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的控制原理圖，可以實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和無功功率的解耦控制。內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)，由ird和irq兩個控制通道組成，均采用帶積分和輸出限幅的PI型電流調(diào)節(jié)器，電流誤差經(jīng)調(diào)節(jié)后輸出電壓控制量，再疊加上△urd、△urq前饋電壓補(bǔ)償量，即可得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電壓控制量，經(jīng)SVPWM 調(diào)制后產(chǎn)生實際所需的勵磁電壓及電流。外環(huán)為轉(zhuǎn)速控制環(huán)，根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速計算出對應(yīng)于風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比的轉(zhuǎn)速值作為轉(zhuǎn)速環(huán)的給定值，和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋值比較后的差值送入帶積分和輸出限幅的PI型控制器，輸出有功電流的給定i*rq，從減少轉(zhuǎn)子勵磁電源雙 PWM 變流器損耗的角度考慮，將有功電流給定設(shè)為0。無功電流給定i*rd可根據(jù)電網(wǎng)對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的無功功率要求計算得出。

圖1 直流側(cè)加儲能裝置的直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)

2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

在兩相同步旋轉(zhuǎn)d、q坐標(biāo)系中，使d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量，則網(wǎng)側(cè)變換器的模型可表示為式（3）。

式中：id、iq分別為網(wǎng)側(cè)變換器輸出電流的d、q軸分量；Sd、Sq分別為開關(guān)函數(shù)Sk(k＝a，b，c)變換到d、q坐標(biāo)系中d、q軸相應(yīng)的開關(guān)函數(shù)；Udc為直流側(cè)電壓；L和R分別為輸出交流感抗的電感和電阻分量；C為直流側(cè)電容；iL為直流側(cè)電流。

圖3為網(wǎng)側(cè)變換器的控制原理框圖，可以實現(xiàn)輸出有功和無功功率的解耦控制。通過直流側(cè)電壓控制器確定d軸參考電流，控制變換器輸出的有功功率；通過調(diào)節(jié)無功功率設(shè)定值，調(diào)節(jié)輸出功率因數(shù)，可向電網(wǎng)傳送或吸收一定的無功功率。

圖2 電機(jī)側(cè)變換器控制框圖

圖3 網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖

2.3 雙向Buck-boost變換器和儲能環(huán)節(jié)控制策略

雙向變換器結(jié)構(gòu)簡單、開關(guān)器件數(shù)量少、損耗小。電池側(cè)采用LCL濾波，能有效地減小電池端的紋波電壓和紋波電流，其工作模式由功率不平衡狀況決定。永磁同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率Ps經(jīng)發(fā)電機(jī)側(cè)變換器后饋入中間直流環(huán)節(jié)，在忽略變換器損耗情況下，發(fā)電機(jī)側(cè)變換器輸出的功率與發(fā)電機(jī)輸出功率相等，即

式中：usd、usq、isd、isq分別為d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下發(fā)電機(jī)定子電壓、電流的d、q軸分量；udc為直流母線電壓；is為發(fā)電機(jī)側(cè)變換器輸出直流母線電流。ig為網(wǎng)側(cè)變換器輸入直流母線的電流，網(wǎng)側(cè)變換器從直流側(cè)輸入的功率為

圖4 雙向Buck-boost變換器控制框圖

當(dāng)變換器功率保持平衡時，即Ps＝Pg時，雙向變換器處在待工作狀態(tài)；當(dāng)Pg＞Ps時，S1被觸發(fā)，變換器以Buck模式工作，電池充電；Pg＜Ps時，S2被觸發(fā)，變換器以Boost模式工作，且KM閉合，電池放電。圖4為本文提出的雙向DC/DC變換器控制器原理圖。圖中，fs為載波頻率；△P為直流側(cè)輸入輸出有功功率偏差，以此偏差作為主要判斷條件，記△P＝Ps－Pg，則△P大于零時，脈沖信號觸發(fā)S1，電池進(jìn)行充電；△P小于零時，脈沖信號觸發(fā)S2且KM閉合，電池放電；△P等于零時且Udc在允許范圍之內(nèi)波動時，不輸出脈沖信號，儲能電池不投入工作。通過PI調(diào)節(jié)器確定功率器件的導(dǎo)通占空比；采集直流側(cè)電壓作為輔助判斷條件，當(dāng)根據(jù)功率偏差對儲能裝置充放電控制不夠快時，或者直流側(cè)電壓上升幅度較大，由直流側(cè)電壓作為輔助條件對儲能裝置進(jìn)行控制。

3 仿真分析

使用 MATLAB/SIMULINK構(gòu)建了直流側(cè)加多硫化鈉-溴電池的直驅(qū)永磁風(fēng)電系統(tǒng)的仿真模型，為簡化仿真模型，風(fēng)速設(shè)為恒定值，且在此風(fēng)速下發(fā)電機(jī)輸出功率為1.5 MW。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：

永磁同步發(fā)電機(jī)：定子電阻 0.017Ω，定子電感3mH，極對數(shù)32；電網(wǎng)側(cè)：電網(wǎng)線電壓690V，濾波電感 3.7mH；直流側(cè)：電容 6800μF，直流側(cè)電壓設(shè)定1100V，雙向 DC/DC變換器控制系統(tǒng)載波頻率fs為2140 Hz，電感0.6mH，濾波電容900μF。電網(wǎng)電壓跌落55%，從0.15 s跌落開始，到0.2 s跌落結(jié)束，跌落持續(xù)時間為0.05 s，仿真波形如圖5、圖6所示，包括電機(jī)定子電流、輸出有功功率、無功功率以及直流側(cè)電壓的仿真波形。

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時，電機(jī)側(cè)變流器不采取措施，正常運(yùn)行。電網(wǎng)側(cè)變流器由于采取限流措施，導(dǎo)致輸出功率受到限制，將會造成直流側(cè)功率不平衡，電容兩側(cè)輸入功率大于輸出功率，會導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升[10]。圖5在沒采用儲能裝置調(diào)節(jié)情況下，致使直流母線電壓升高至 1450V，遠(yuǎn)超出限定值，必對變換器和逆變器造成一定損壞。有功功率由于電網(wǎng)電壓的跌落，迅速跌落至 0.2p.u.左右，隨著電流增大，0.2s時迅速激增至1.3p.u.左右。圖6在儲能裝置的有效調(diào)節(jié)下，直流側(cè)多余的能量被電池吸收儲存，直流母線電壓上升值很小，基本穩(wěn)定在1100V左右，保證了變換器及風(fēng)電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行。有功功率僅跌落至 0.65p.u.左右,經(jīng)過短時的振蕩后，恢復(fù)至額定值，由于直流側(cè)溴電池能夠快速進(jìn)行充放電，較好地平抑發(fā)電機(jī)輸出功率波動。

當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)時，直流側(cè)電壓不足，儲能設(shè)備中存貯的能量釋放出來，為電容充電，經(jīng)電壓型全橋逆變器快速向電網(wǎng)提供無功功率支持，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，所以定子電流較不采用儲能裝置情況下波動大幅減小，由于電磁轉(zhuǎn)矩主要由定子電流調(diào)控，從而避免了電磁轉(zhuǎn)矩大幅震蕩的現(xiàn)象。儲能裝置吸收的功率及時補(bǔ)償電網(wǎng)側(cè)所需功率，此時無功功率Q基本上為0。

4 小結(jié)

利用溴電池巨大的儲能優(yōu)點，結(jié)合直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電特點，建立了儲能型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。在電網(wǎng)電壓跌落時，儲能環(huán)節(jié)能平衡電網(wǎng)需求功率；對發(fā)電機(jī)輸出功率波動實現(xiàn)平抑；在電網(wǎng)電壓跌落及恢復(fù)時，基于網(wǎng)側(cè)變換器輸入電網(wǎng)無功功率有限，儲能裝置將所儲能量由電壓型全橋逆變電路直接回饋給電網(wǎng)以支撐電網(wǎng)電壓，從而直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仍保持并網(wǎng)幫助機(jī)組恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)，使風(fēng)電機(jī)組和機(jī)側(cè)變換器不受電壓跌落影響，有效地提高了低電壓穿越能力。儲能型直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)改善了直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性，且動態(tài)響應(yīng)快。

圖5 未采用儲能裝置仿真波形

圖6 采用儲能裝置仿真波形

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