超导储能在并网直驱风电系统中的应用研究

党存禄，林国富

（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

随着风力发电装机容量及并网规模的不断增加，风能的不确定性导致风电机组输出波动的功率，并网后给局部薄弱电网带来不容忽视的负面影响；电网电压跌落时，给风电系统的运行带来一系列暂态过程，此时如果大量风电机组不具备低电压穿越 能力而脱网，会增加电网电压的恢复难度[1]。

对于直驱风电系统存在的输出功率波动问题，科研人员提出在全风速范围内，结合变桨距和变速控制来平滑发电机的输出功率[2]，但该方法的风能利用率不高；利用变换器直流环节电压的变化和浆距角协调控制来平滑风电系统的输出功率[3]，但该方法会导致直流电容频繁地充放电，降低了直流电容的使用寿命。对于直驱风电系统存在的低电压穿越问题可通过改进控制策略的方法解决[4]，这种方法没有额外成本，但从能量守恒角度来看，不可能从根本上解决电网故障期间由于暂态能量过剩而引起的过电压、过电流问题，只能在电压、电流之间达到一种较好的均衡状态，减小故障期间过电压、过电流对风电机组的影响；还可采用在变换器直流环节并联耗能电阻，使电网电压跌落期间直流环节积累的能量被电阻消耗掉的方法解决[5]，这也是目前实践中普遍应用的方法，但在电网电压跌落期间，直流环节积累的能量被白白浪费了。

超导储能系统（Superconducting Magnetic Energy Storage,SMES）具有响应速度快、能量转换效率高及循环使用寿命长等优点[6]。其毫秒级响应速度非常适合用于需要短时快速进行功率调节的场合。文献[7]中将SMES通过变压器连接于风电场的交流母线上，来平滑整个风电场的并网功率；文献[8]中采用与文献[7]中相同的结构，来提高风电场的暂态稳定性，但这样的连接方式所需SMES容量较大，考虑经济性，应用SMES以中小型为主[9]，同时采用这样的连接方式会使风电场对SMES的依赖性过强，一旦变压器或SMES遇到检修或故障情况，风电场的并网运行将再次出现输出功率波动和暂态稳定性问题。文献[10]中提出了将SMES连接于直驱风电系统变换器直流环节，来解决直驱风电系统的输出功率波动和低电压穿越问题，但文中并没有考虑在SMES实际运行过程中超导磁体线圈电流水平的监测问题。

因此，本文进一步研究将SMES并联在直驱风电系统变换器直流环节，一方面对SMES斩波器提出双闭环加脉冲判断的控制策略，确保超导磁体线圈电流水平在允许的范围内，使SMES快速、准确地充放电；另一方面在常规直驱风电系统网侧变换器控制策略中加入谐振控制器，实现对负序分量引起波动的有效控制，从而解决直驱风电系统并网运行过程中存在的输出功率波动和低电压穿越问题。

1 系统结构及工作原理

本文采用的系统结构如图1所示，风机直接驱动永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG），PMSG 发出的电能经变换器送至电网，SMES 接于变换器的直流环节。

电网电压正常时，当风速变化使得PMSG 输出功率大于系统并网功率参考值时，通过控制斩波器的S1管恒通，S2管斩波，将多余的能量存储在SMES中；当风速的变化使得PMSG 输出功率小于系统并网功率参考值时，通过控制斩波器的S1管恒断，S2管斩波，将SMES 中存储的能量释放出来，补充功率缺额。保证直驱风电系统最大限度地捕获风能的同时，向电网输送较为平滑的有功功率。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

电网电压不对称跌落时，机侧变换器保持其控制方式不变，通过对斩波器的控制，SMES 吸收直流环节所积累的能量，稳定直流环节电压；通过对网侧变换器的控制，维持并网电流平衡，抑制并网功率波动，保证直驱风电系统继续并网运行。

2 系统控制策略

2.1 机侧变换器控制策略

变换器控制框图如图2所示，机侧变换器转速参考值ω*由最大功率点跟踪控制算法给出[11-12]，无功电流分量isd的参考值isd*设定为零。

2.2 网侧变换器控制策略

电网电压不对称跌落，采用常规的控制方式时，由于负序分量的存在，网侧变换器输出电流在d-q坐标系中会出现2 倍于电网频率的波动，威胁变换器的稳定运行，向电网注入谐波。考虑到负序分量带来的不利影响，在网侧变换器常规控制策略中加入谐振控制器[13-15]，对负序分量引起的2 倍于电网频率的波动实现稳态无静差控制。

图2 中直流环节电压偏差经电压调节器调节后得到并网电流d 轴参考值，无功功率偏差（取）经功率调节器调节后得到并网电流q 轴参考值，即

并网电流d、q轴电流偏差经比例积分谐振控制器调节后，加上前馈解耦控制补偿量得到在d-q坐标系中调制电压参考值，即

其中，Gr(s)为谐振控制器的传递函数，表达式为

式中：ωg为电网角频率；Kr为谐振系数；ωc为截止频率。调制电压d、q轴参考值再经过坐标变换，采用空间矢量调制技术产生开关管的触发脉冲。

谐振控制器对频率为2ωg的信号增益大，而对其他频率的信号衰减作用强，当并网电流d、q轴分量不含2倍于电网频率的波动时，谐振控制器不起作用，网侧变换器控制变成常规的双闭环控制。

图 2 变换器控制框图Fig.2 Block diagram of converter control

2.3 SMES斩波器控制策略

变换器直流环节功率方程为（忽略损耗）

有功功率的偏差经过功率调节器调节后得到SMES输出电流参考值，即

式中：Ps为PMSG输出的有功功率；Pdc为直流环节吸收的有功功率；Pg为风电系统并网的有功功率。

电网电压正常时，在Ps变化的前提下，要使Pg保持不变，通过控制斩波器，使SMES实时吸收、释放能量来改变Pdc即可。有功功率平滑参考值由计算平均值的方法给出，即

is1*与SMES输出电流实际值is1比较后，经电流调节器调节后得到斩波器占空比d1，即

式中：np为PMSG极对数；Ψf为PMSG转子永磁体磁链；isq为PMSG定子q轴电流。

SMES双向DC/DC斩波器控制框图如图3所示。

图 3 SMES斩波器控制框图Fig.3 Block diagram of SMES chopper control

再结合脉宽调制技术产生斩波器的驱动信号，经脉冲判断后控制斩波器开关管的通断。

电网电压跌落时，要控制变换器直流环节电压在允许的范围内，仍采用上述双闭环的控制方式，只是将功率外环变成电压外环。

通过控制开关实现上述两种控制策略的切换，系统运行时，实时检测电网电压，电网电压正常时，控制开关接于端口1，SMES按照平滑功率波动的方式运行；电网电压跌落时，控制开关切换至端口2，SMES按照提高系统低电压穿越能力的方式运行。

由于SMES运行的过程中，必须监测超导磁体线圈的电流，使其运行在一定范围内才能保证SMES的正常工作[16-17]，因此在斩波器的控制过程中引入脉冲判断环节，当超导线圈的电流水平满足系统功率/电压指令需求时，根据功率/电压偏差的正负，确定触发脉冲的极性的同时，产生S1管通/断的驱动信号；当超导线圈的电流水平不满足系统功率/电压指令需求时，则根据超导线圈的电流水平对功率/电压指令进行适当修改，保证SMES的正常运行；当超导磁体的电流水平越限时，对系统的功率/电压需求不做出响应，根据功率偏差/电压偏差的正负，产生SMES工作于续流状态的驱动信号。

3 仿真研究

利用Matlab/Simulink软件，对图1所示系统进行仿真。仿真参数为：风电机组额定功率1.5 MW，直流环节电容68 mF，额定电压1 200 V，电网额定电压690 V，额定频率50 Hz，滤波电感2 mH，SMES容量2.577 MJ，超导磁体电感5.6 H，开关频率2 kHz。机侧变换器外环Kp=4.6、Ki=138，内环Kp=52、Ki=180，网侧变换器外环Kp=3.3、Ki=120，内环Kp=45、Ki=235、Kr=75、ωc=π/2、ωg=314，SMES斩波器外环Kp=0.3、Ki=25，内环Kp=5.8、Ki=30。风速信号由风速四分量模型获得，参照文献[18]的描述设定允许的输出功率波动水平为±15%。电网电压在1.84 s出现两相跌落，在2.84 s出现单相跌落，电压跌落至额定值的30%，跌落持续时间为0.12 s。

3.1 功率平滑控制仿真分析

图4 功率平滑控制仿真波形Fig.4 Simulation results of power smooth control

电网电压正常，SMES 平滑直驱风电系统输出有功功率时的仿真波形如图4所示，从图中可知，PMSG 输出功率波动较大，最大值达到1.5 MW 而 最小值不足0.5 MW，当PMSG输出的有功功率高于功率平滑的参考值时，SMES吸收了多余的能量；当PMSG输出的有功功率低于功率平滑的参考值时，SMES释放能量，补充了功率缺额。经过SMES调节后，风电系统实际注入电网的有功功率较为平滑，稳定在0.85 MW左右，最大波动约12%，被限定在允许的范围内。

3.2 低电压穿越性能仿真分析

常规直驱风电系统两相、单相电压跌落仿真波形如图5、图6所示，从图中可知，电网电压出现不对称跌落后，系统并网电流幅值增加，波形出现畸变，三相之间严重不平衡；系统并网有功功率和直流环节电压均出现了2 倍于电网频率的波动，电网电压恢复正常后，直流环节电压恢复较慢。

与图5、图6 中相同的电压跌落条件下，本文研究的直驱风电系统仿真波形如图7、图8所示，从图中知，电网电压发生不对称跌落后，在SMES和网侧变换器的协调控制下，系统并网电流中的负序分量得到有效的抑制，三相电流之间基本保持平衡，并网有功功率没有出现2 倍于电网频率的波动，直流环节电压波动维持在允许的范围内。

图5 常规直驱风电系统两相电压跌落仿真波形Fig.5 Simulation results of two phase voltage sags for conventional direct-driven wind power system

图6 常规直驱风电系统单相电压跌落仿真波形Fig.6 Simulation results of single phase voltage sag for conventional direct-driven wind power system

图7 本文研究的直驱风电系统两相电压跌落仿真波形Fig.7 Simulation results of two phase voltage sags for direct-driven wind power system in this paper

图8 本文研究的直驱风电系统单相电压跌落仿真波形Fig.8 Simulation results of single phase voltage sag for direct-driven wind power system in this paper

4 结论

本文研究了将SMES 应用到并网直驱风力发电系统中，通过SMES 调整变换器直流环节的功率，改进控制策略，使得电网电压正常时，直驱风电系统向电网输送较为平滑的有功功率，而电网电压跌落时，直驱风电系统低电压穿越能力得到提升。仿真结果很好地说明了方案的正确性和有效性。

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