储能型直驱风电系统低电压穿越能力研究

赵 辉，马玲玲，岳有军

(1. 天津理工大学 天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384;2. 天津农学院，天津 300384)

前言

随着风力发电规模和风电机组单机容量的不断增大，风电系统对电网的影响变得越来越重要。目前，新的电网规则均要求风电机组具有一定的低电压穿越能力，即在一定程度的电网故障下，风电机组能够继续并网运行，故障切除后发电机组能够迅速恢复正常，以提供无功功率支撑稳定电网。相对于双馈风力发电系统，采用风轮机直接驱动的永磁直驱风力发电系统省去了传动齿轮箱，系统中无电刷和滑环，其运行可靠性和发电效率得以提高[1，2]。关于研究永磁同步风电系统低电压穿越的文献较少，已有文献中，文献[3，4]说明通过控制网侧变换器，可以在一定程度上提高低电压穿越能力，但是提高的水平有限。文献[5]分析了在直流母线上并联卸荷电阻的方案，但没有考虑卸荷电阻的散热问题，且这种方案将功率损耗在卸荷电阻上，效率较低。文献[6-8]研究了在直流母线上并列储能系统的方案，并比较了各储能元件在低电压穿越应用的特点，但没有分析具体的储能方式、对应的能量储存以及回馈的控制策略。

性能优良的储能电池与大规模风力发电配套使用，是改善电力系统运行性能的重要手段。多硫化钠-溴储能电池（PSB）是一种新型电池，两种液体电解质分别贮存在两个贮罐内，电池容量可大可小，具有能量转化率高，使用寿命长，可大批量生产等优点。适合大规模电力储能，是一种潜力巨大的新型环保优秀储能电池[9]。

本文研究了双向Buck-boost DC/DC变换器的控制策略，构建了在直流侧增加多硫化钠-溴电池储能装置的直驱永磁风力发电系统，分析了储能系统对平衡直流母线两侧功率，平抑电机输出功率波动以及当电压跌落和恢复时提高机组低电压穿越能力的动态响应过程和运行特性，仿真实验验证了系统模型和控制策略的正确性和可行性。

1 储能型直驱永磁风电系统原理

具有储能环节的直驱永磁风力发电系统主要由风力机、PMSG、双PWM变换器、双向DC/DC变换器、储能装置和全桥逆变器等构成，如图1所示。发电机首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，通过整流后变为直流，然后再经过三相逆变器变换为三相电压和频率恒定的交流电传送至电网。在直流侧增加储能装置用以对电能进行储存或释放，平衡电网所需功率，抑制功率波动；当电网发生故障时，储能装置可以用来储存直流侧积累的多余能量，当电网故障切除时，储能装置可以释放能量，向电网回馈功率以支撑电网电压，提高风电机组的低电压穿越能力。

2 控制策略

2.1 发电机侧变换器控制策略

以发电机转子磁通为参考坐标系的永磁同步电机电压方程如下：

式中：usd、usq和isd、isq分别为发电机定子输出电压、电流的d轴和q轴分量；Ls和Rs分别为定子电感和电阻；ω为发电机转速；ψ为永磁磁通。发电机的电磁转矩方程为

式中：Pn为发电机的极对数。由式（2）可以看出，发电机电磁转矩可以通过定子电流的q轴分量进行控制。

图2为发电机侧变流器的控制原理图，可以实现电磁转矩和无功功率的解耦控制。内环为转子电流控制环，由ird和irq两个控制通道组成，均采用带积分和输出限幅的PI型电流调节器，电流误差经调节后输出电压控制量，再叠加上△urd、△urq前馈电压补偿量，即可得到同步旋转坐标系中的转子电压控制量，经SVPWM 调制后产生实际所需的励磁电压及电流。外环为转速控制环，根据当前风速计算出对应于风力机最佳叶尖速比的转速值作为转速环的给定值，和发电机转速反馈值比较后的差值送入带积分和输出限幅的PI型控制器，输出有功电流的给定i*rq，从减少转子励磁电源双 PWM 变流器损耗的角度考虑，将有功电流给定设为0。无功电流给定i*rd可根据电网对风力发电系统的无功功率要求计算得出。

图1 直流侧加储能装置的直驱永磁风电系统

2.2 网侧变换器控制策略

在两相同步旋转d、q坐标系中，使d轴定向于电网电压矢量，则网侧变换器的模型可表示为式（3）。

式中：id、iq分别为网侧变换器输出电流的d、q轴分量；Sd、Sq分别为开关函数Sk(k＝a，b，c)变换到d、q坐标系中d、q轴相应的开关函数；Udc为直流侧电压；L和R分别为输出交流感抗的电感和电阻分量；C为直流侧电容；iL为直流侧电流。

图3为网侧变换器的控制原理框图，可以实现输出有功和无功功率的解耦控制。通过直流侧电压控制器确定d轴参考电流，控制变换器输出的有功功率；通过调节无功功率设定值，调节输出功率因数，可向电网传送或吸收一定的无功功率。

图2 电机侧变换器控制框图

图3 网侧变换器控制框图

2.3 双向Buck-boost变换器和储能环节控制策略

双向变换器结构简单、开关器件数量少、损耗小。电池侧采用LCL滤波，能有效地减小电池端的纹波电压和纹波电流，其工作模式由功率不平衡状况决定。永磁同步发电机输出的有功功率Ps经发电机侧变换器后馈入中间直流环节，在忽略变换器损耗情况下，发电机侧变换器输出的功率与发电机输出功率相等，即

式中：usd、usq、isd、isq分别为d、q同步旋转坐标系下发电机定子电压、电流的d、q轴分量；udc为直流母线电压；is为发电机侧变换器输出直流母线电流。ig为网侧变换器输入直流母线的电流，网侧变换器从直流侧输入的功率为

图4 双向Buck-boost变换器控制框图

当变换器功率保持平衡时，即Ps＝Pg时，双向变换器处在待工作状态；当Pg＞Ps时，S1被触发，变换器以Buck模式工作，电池充电；Pg＜Ps时，S2被触发，变换器以Boost模式工作，且KM闭合，电池放电。图4为本文提出的双向DC/DC变换器控制器原理图。图中，fs为载波频率；△P为直流侧输入输出有功功率偏差，以此偏差作为主要判断条件，记△P＝Ps－Pg，则△P大于零时，脉冲信号触发S1，电池进行充电；△P小于零时，脉冲信号触发S2且KM闭合，电池放电；△P等于零时且Udc在允许范围之内波动时，不输出脉冲信号，储能电池不投入工作。通过PI调节器确定功率器件的导通占空比；采集直流侧电压作为辅助判断条件，当根据功率偏差对储能装置充放电控制不够快时，或者直流侧电压上升幅度较大，由直流侧电压作为辅助条件对储能装置进行控制。

3 仿真分析

使用 MATLAB/SIMULINK构建了直流侧加多硫化钠-溴电池的直驱永磁风电系统的仿真模型，为简化仿真模型，风速设为恒定值，且在此风速下发电机输出功率为1.5 MW。系统仿真参数如下：

永磁同步发电机：定子电阻 0.017Ω，定子电感3mH，极对数32；电网侧：电网线电压690V，滤波电感 3.7mH；直流侧：电容 6800μF，直流侧电压设定1100V，双向 DC/DC变换器控制系统载波频率fs为2140 Hz，电感0.6mH，滤波电容900μF。电网电压跌落55%，从0.15 s跌落开始，到0.2 s跌落结束，跌落持续时间为0.05 s，仿真波形如图5、图6所示，包括电机定子电流、输出有功功率、无功功率以及直流侧电压的仿真波形。

当电网电压跌落时，电机侧变流器不采取措施，正常运行。电网侧变流器由于采取限流措施，导致输出功率受到限制，将会造成直流侧功率不平衡，电容两侧输入功率大于输出功率，会导致直流侧电压上升[10]。图5在没采用储能装置调节情况下，致使直流母线电压升高至 1450V，远超出限定值，必对变换器和逆变器造成一定损坏。有功功率由于电网电压的跌落，迅速跌落至 0.2p.u.左右，随着电流增大，0.2s时迅速激增至1.3p.u.左右。图6在储能装置的有效调节下，直流侧多余的能量被电池吸收储存，直流母线电压上升值很小，基本稳定在1100V左右，保证了变换器及风电机组平稳运行。有功功率仅跌落至 0.65p.u.左右,经过短时的振荡后，恢复至额定值，由于直流侧溴电池能够快速进行充放电，较好地平抑发电机输出功率波动。

当电网电压恢复时，直流侧电压不足，储能设备中存贮的能量释放出来，为电容充电，经电压型全桥逆变器快速向电网提供无功功率支持，稳定电网电压，所以定子电流较不采用储能装置情况下波动大幅减小，由于电磁转矩主要由定子电流调控，从而避免了电磁转矩大幅震荡的现象。储能装置吸收的功率及时补偿电网侧所需功率，此时无功功率Q基本上为0。

4 小结

利用溴电池巨大的储能优点，结合直驱永磁同步风力发电特点，建立了储能型直驱风力发电控制系统。在电网电压跌落时，储能环节能平衡电网需求功率；对发电机输出功率波动实现平抑；在电网电压跌落及恢复时，基于网侧变换器输入电网无功功率有限，储能装置将所储能量由电压型全桥逆变电路直接回馈给电网以支撑电网电压，从而直驱风电系统仍保持并网帮助机组恢复至正常运行状态，使风电机组和机侧变换器不受电压跌落影响，有效地提高了低电压穿越能力。储能型直驱风力发电控制系统改善了直驱风力发电系统并网运行的电能质量和稳定性，且动态响应快。

图5 未采用储能装置仿真波形

图6 采用储能装置仿真波形

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