趙興勇，晉鵬娟，王靈梅

0 引言

用電需求量的增加和化石類不可再生能源的大量使用，導(dǎo)致能源短缺和環(huán)境污染的問題逐漸凸顯;清潔能源和可再生能源的開發(fā)利用，成為大勢(shì)所趨。

風(fēng)能是一種無公害的能源，蘊(yùn)藏豐富。風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行靈活，技術(shù)成熟，成本低，對(duì)環(huán)境的破壞也低;因此，它是清潔能源和可再生能源中最具備開發(fā)條件的發(fā)電方式之一。

風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)已逐步成熟。將大量的風(fēng)電輸送到大電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能源的最大化利用，已經(jīng)成為人們研究的問題之一。風(fēng)力發(fā)電的表現(xiàn)形式為非工頻交流，必須經(jīng)過整流、逆變和濾波，轉(zhuǎn)換為工頻交流形式，才能并入大電網(wǎng)。本文針對(duì)逆變控制器進(jìn)行研究。當(dāng)大電網(wǎng)故障時(shí)，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)退出并網(wǎng)轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)為功率間歇性電源，在孤島運(yùn)行時(shí)無法維持系統(tǒng)的電壓和頻率在電力系統(tǒng)允許的范圍之內(nèi)，所以風(fēng)力機(jī)在孤島運(yùn)行時(shí)，必須有一蓄電池來維持系統(tǒng)的電壓和頻率［1～3］。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，蓄電池和風(fēng)力機(jī)的逆變器為PQ 控制;孤島運(yùn)行時(shí)，風(fēng)力機(jī)逆變器仍為PQ 控制，蓄電池逆變器為V/f 控制［4～6］。同時(shí)，在并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行切換的過程中，加入一種加權(quán)控制，使得雙模式過渡過程中電壓和電流達(dá)到無縫切換。無縫切換［7］指的是在并網(wǎng)之前電源與大電網(wǎng)的電壓、頻率、相位保持一致;在并網(wǎng)的過程中無電壓電流沖擊;在離網(wǎng)之前電源發(fā)出的電能剛好滿足當(dāng)?shù)刎?fù)荷的需求，在離網(wǎng)的過程中負(fù)載電壓無波動(dòng)，并網(wǎng)電流迅速切斷。

本文提出一種加權(quán)控制算法。利用電磁暫態(tài)分析軟件PSCAD/EMTDC 搭建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型、蓄電池模型、逆變器及其控制器模型等，對(duì)并網(wǎng)運(yùn)行、孤島運(yùn)行及其切換過程進(jìn)行了仿真分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。本文采用三相三線的逆變器電路。選用LCL 濾波器，能抑制電流的高頻分量，保證高質(zhì)量的并網(wǎng)電流，同時(shí)降低了開關(guān)頻率諧波的輸出阻抗。

圖1 基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出高頻交流電，經(jīng)過不可控整流器整流后變?yōu)橹绷鳎L(fēng)力機(jī)逆變器將直流電變?yōu)榭煽氐墓ゎl交流電，LCL 濾波器改善逆變器輸出的波形，最后變壓器將電壓變換為大電網(wǎng)電壓的等級(jí)與大電網(wǎng)并聯(lián)。蓄電池經(jīng)過逆變器、濾波器和變壓器后也并入大電網(wǎng)，負(fù)載接在并網(wǎng)的接口上。

2 風(fēng)力發(fā)電原理及數(shù)學(xué)模型

2.1 風(fēng)力發(fā)電的原理

風(fēng)力發(fā)電的原理就是先利用風(fēng)力機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過發(fā)電機(jī)組將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送給用戶或者并入大電網(wǎng)。典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)、風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和發(fā)電機(jī)等部分，其中風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為其他能量的機(jī)械裝置，發(fā)電機(jī)是將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械裝置［8］。

2.2 風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型

風(fēng)速是決定風(fēng)能的關(guān)鍵因素，風(fēng)能表達(dá)式:

式中:W 為風(fēng)能，W;vwind為風(fēng)速，m/s;ρ 為空氣密度，㎏/m3，一般取1.225 ㎏/m3;A 為空氣流過的截面面積，m2。

風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能與風(fēng)能利用系數(shù)有關(guān)。風(fēng)力機(jī)的輸出功率可表示如下:

式中:PW為風(fēng)力機(jī)的輸出功率，W;λ 為葉尖速度比，是指風(fēng)力機(jī)葉片葉尖線速度和風(fēng)速的比值;β 為槳距角;Cp(λ，β)為風(fēng)能利用系數(shù)也稱功率系數(shù)，是關(guān)于λ，β 的函數(shù)。

風(fēng)力機(jī)的葉片轉(zhuǎn)矩:

葉片轉(zhuǎn)矩的標(biāo)幺值:

式中:Tm為風(fēng)力機(jī)的葉片轉(zhuǎn)矩的有名值，N·m;Tm*為風(fēng)力機(jī)的葉片轉(zhuǎn)矩的標(biāo)幺值;PN為風(fēng)力機(jī)的額定功率，W;Ω，ΩN為葉片的機(jī)械角速度和額定機(jī)械角速度，rad/s。

在風(fēng)力機(jī)的葉片轉(zhuǎn)矩的仿真模型中，風(fēng)力機(jī)吸收的葉片轉(zhuǎn)矩乘以－1，使得輸入的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，風(fēng)力機(jī)做電動(dòng)機(jī)用，將吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)［9～10］。

3 逆變控制器的控制策略

基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有孤島運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種模式。孤島運(yùn)行的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的逆變控制器為PQ 控制，發(fā)出系統(tǒng)指定的有功功率和無功功率，儲(chǔ)能蓄電池的逆變控制器為V/f控制，維持離網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率;并網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的逆變控制器的控制策略不改變，儲(chǔ)能蓄電池的逆變控制器為PQ 控制，系統(tǒng)的電壓和頻率由大電網(wǎng)來維持。因此，風(fēng)力機(jī)逆變器一直是PQ 控制，而儲(chǔ)能蓄電池逆變器在雙模式切換的過程中，其控制策略在PQ 和V/f 之間切換。

3.1 PQ 功率控制器

PQ 功率控制器使得分布式電源按照系統(tǒng)的設(shè)定要求發(fā)出有功功率和無功功率，如圖2 所示。Pref和Qref為有功功率和無功功率的設(shè)定值，P 和Q為系統(tǒng)中逆變器發(fā)出的有功功率和無功功率的實(shí)際值，ud，uq，id，iq由負(fù)載電壓和并網(wǎng)電流經(jīng)過派克變換后得來的。

圖2 PQ 功率控制器

3.2 V/f 電壓控制器

V/f 電壓控制器使得分布式電源在孤島運(yùn)行時(shí)，維持系統(tǒng)的電壓和頻率在設(shè)定值上，如圖3所示。Vref和fref為電壓和頻率的設(shè)定值，V 和f 為系統(tǒng)中電壓和頻率的實(shí)際值，ω 為負(fù)載電壓經(jīng)過鎖相環(huán)得到的角速度。

4 加權(quán)控制的算法

基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無論是并網(wǎng)運(yùn)行還是孤島運(yùn)行，風(fēng)力機(jī)逆變器的控制模式都為PQ控制，在運(yùn)行模式切換的時(shí)候控制模式不改變;但是蓄電池逆變器的控制模式在PQ 控制和V/f 控制之間轉(zhuǎn)換，運(yùn)行模式切換的時(shí)候控制模式也跟著轉(zhuǎn)換。在實(shí)際工作中，系統(tǒng)運(yùn)行模式的切換由硬件電路來完成，逆變器控制模式的轉(zhuǎn)換完全由軟件程序完成，軟件控制的速度比硬件控制的速度快，導(dǎo)致運(yùn)行模式和控制模式的切換不同步，因此加入加權(quán)控制［11］。

4.1 并網(wǎng)電壓加權(quán)控制的算法

基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)的時(shí)候，由于控制模式和運(yùn)行模式的切換不同時(shí)完成，并網(wǎng)的過程中出現(xiàn)了新的控制模式:PQ 控制的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行過渡模式。在這個(gè)過渡過程中，負(fù)載電壓不可控，電容電壓和電感電流會(huì)超調(diào)，并網(wǎng)電流出現(xiàn)沖擊。為了抑制該暫態(tài)過程，減小并網(wǎng)電流沖擊，保證負(fù)載電壓穩(wěn)定，提出電壓加權(quán)控制。并網(wǎng)過程中，在PQ 控制的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行過渡模式下，加入電容電壓控制環(huán)節(jié)來保證電壓的穩(wěn)定，G1v(s)為PQ 控制獨(dú)立運(yùn)行時(shí)電壓環(huán)調(diào)節(jié)器，控制環(huán)節(jié)加權(quán)值由電壓加權(quán)因子K 決定。加權(quán)因子K 取值太小，效果不明顯;取值太大，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定度。考慮到快速性和穩(wěn)定性這兩個(gè)因素，一般在設(shè)計(jì)中選取K =0.4。在控制軟件切換同時(shí)，加入電壓加權(quán)控制，使切換過渡過程中電壓可控。在運(yùn)行模式切換完成后，K 值置為零，電壓加權(quán)控制退出。電壓加權(quán)控制算法框圖如圖4。

圖4 電壓加權(quán)控制算法框圖

4.2 離網(wǎng)電流加權(quán)控制的算法

基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在離網(wǎng)的時(shí)候，分兩種情況:主動(dòng)計(jì)劃性離網(wǎng)和強(qiáng)迫非計(jì)劃性離網(wǎng)。主動(dòng)離網(wǎng)是分布式發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)自身特定情況，主動(dòng)停止與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。在分布式發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)離網(wǎng)時(shí)，控制模式和運(yùn)行模式的切換同時(shí)啟動(dòng)，但控制模式的切換較運(yùn)行模式的切換優(yōu)先完成。強(qiáng)迫離網(wǎng)是指電網(wǎng)側(cè)停電等故障造成系統(tǒng)被動(dòng)地處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)。強(qiáng)迫離網(wǎng)是在檢查出系統(tǒng)處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，確定分布式發(fā)電系統(tǒng)從并網(wǎng)運(yùn)行模式到獨(dú)立運(yùn)行模式的切換后，然后再對(duì)逆變器的控制模式進(jìn)行的切換。一般情況下，強(qiáng)迫離網(wǎng)發(fā)生的幾率很小，本文主要討論主動(dòng)離網(wǎng)時(shí)逆變器的控制策略。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主動(dòng)離網(wǎng)過程中會(huì)出現(xiàn)逆變器V/f 控制的系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的過渡模式。在主動(dòng)離網(wǎng)的過渡過程中，并網(wǎng)電流不可控，電容電壓和電感電流都出現(xiàn)波動(dòng)，電網(wǎng)電流也會(huì)出現(xiàn)沖擊。因此，在主動(dòng)離網(wǎng)過程中加入電流加權(quán)控制，使得系統(tǒng)電流可控，電壓穩(wěn)定。G1i(s)為V/f 控制的并網(wǎng)運(yùn)行過渡過程中的電網(wǎng)電流環(huán)調(diào)節(jié)器?？刂骗h(huán)節(jié)加權(quán)值由參數(shù)K`決定，同上在設(shè)計(jì)中選取K=0.4。在控制軟件切換同時(shí)，加入電流加權(quán)控制，使切換過渡過程中電流可控。在運(yùn)行模式切換完成后K 值置為零，電流加權(quán)控制退出，控制算法如圖5 所示。

5 仿真實(shí)例和分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙運(yùn)行模式的無縫切換，進(jìn)行了仿真研究。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:系統(tǒng)的額定功率為2 MW。大電網(wǎng)用理想的三相交流電壓源代替，內(nèi)阻為零，相電壓的有效值取為10 kV，初相角為0，頻率為50 Hz。風(fēng)力機(jī)的風(fēng)葉半徑取為40 m，風(fēng)速取4 ～4.5 m/s 之間的隨機(jī)值，風(fēng)能利用系數(shù)Cp取值為0.48，角速度給定值Wm取值為1.054 1。儲(chǔ)能蓄電池用理想的直流電壓源代替，內(nèi)阻為零，電壓值取為400 V。儲(chǔ)能變壓器的一、二次繞組之比為10 ∶0.4。風(fēng)力機(jī)和蓄電池逆變器中的器件為全控器件，LCL 濾波器中的電感為10 H，電容為50 μF，線路為5 +j5 Ω;風(fēng)力變壓器的一、二次繞組之比為1∶1，負(fù)載為4 +j10 Ω。

圖5 電流加權(quán)控制算法框圖

5.1 并網(wǎng)電流仿真及分析

如圖6 所示，系統(tǒng)的初始狀態(tài)為離網(wǎng)運(yùn)行，蓄電池逆變器初始狀態(tài)為V/f 控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器則一直為PQ 控制?？紤]到在并網(wǎng)過程中蓄電池控制模式和系統(tǒng)運(yùn)行模式切換的不同時(shí)性，仿真時(shí)在0.1 s 將蓄電池的控制方式由V/f 控制切換到PQ 控制，同時(shí)將K 值從0 變?yōu)?.4，電壓加權(quán)控制開始啟動(dòng)。在0.2 s 系統(tǒng)從離網(wǎng)運(yùn)行切換到并網(wǎng)運(yùn)行，K 值置為0，電壓加權(quán)控制退出。從圖6 (a)、(b)上可以看出，在過渡過程中沒加入電壓加權(quán)控制，并網(wǎng)電流超調(diào);加入電壓加權(quán)控制后，并網(wǎng)電流在并網(wǎng)過程中做到無縫切換。

圖6 并網(wǎng)電流仿真

大電網(wǎng)出現(xiàn)故障，要求分布式電源主動(dòng)離網(wǎng)運(yùn)行。在0.3 s 時(shí)將蓄電池的控制方式由PQ 控制切換到V/f 控制，同時(shí)K1值從0 變?yōu)?.4，離網(wǎng)電流加權(quán)控制啟動(dòng);0.4 s 時(shí)分布式電源的運(yùn)行方式由并網(wǎng)模式切換到離網(wǎng)模式，將K1值置為零，電流加權(quán)控制退出。圖6 (a)中可以看出，在分布式電源離網(wǎng)時(shí)，電流關(guān)斷時(shí)間拖得較長(zhǎng)，不能迅速置零;在過渡過程中加入電流加權(quán)控制后，圖6 (b)中的電流可以迅速關(guān)斷，使得并網(wǎng)電流做到無縫切換。

5.2 負(fù)載電壓仿真及分析

仿真方法同并網(wǎng)電流仿真一樣，對(duì)負(fù)載電壓的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。從圖7 (a)、(b)可以看出，過渡過程中加入加權(quán)控制和未加加權(quán)控制，負(fù)載電壓的波形幾乎沒什么大的變化，但仔細(xì)觀察，仍然可以看出在加入加權(quán)控制后，負(fù)載電壓的波形更加平緩。加入電壓加權(quán)控制后，負(fù)載電壓在并網(wǎng)和離網(wǎng)過程中均做到了無縫切換。

圖7 負(fù)載電壓仿真

6 結(jié)論

風(fēng)力機(jī)逆變器的控制方式一直為PQ 控制，蓄電池逆變器的控制方式有PQ 控制和V/f 控制。本文針對(duì)蓄電池逆變器控制模式的切換同系統(tǒng)運(yùn)行模式切換的不同時(shí)性，對(duì)非理想因素下的不同步切換進(jìn)行深入的研究，提出了并網(wǎng)時(shí)的電壓加權(quán)控制和離網(wǎng)時(shí)的電流加權(quán)控制。在切換過程中改善了負(fù)載電壓和并網(wǎng)電流的波形，保證了電能質(zhì)量的同時(shí)，也使得基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙運(yùn)行模式做到無縫切換。仿真實(shí)驗(yàn)說明了該方法的正確性，實(shí)現(xiàn)了基于儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)、離網(wǎng)過渡過程的無縫切換。

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