基于储能的风力发电逆变器加权控制算法

赵兴勇，晋鹏娟，王灵梅

0 引言

用电需求量的增加和化石类不可再生能源的大量使用，导致能源短缺和环境污染的问题逐渐凸显;清洁能源和可再生能源的开发利用，成为大势所趋。

风能是一种无公害的能源，蕴藏丰富。风力发电运行灵活，技术成熟，成本低，对环境的破坏也低;因此，它是清洁能源和可再生能源中最具备开发条件的发电方式之一。

风力发电的技术已逐步成熟。将大量的风电输送到大电网，实现能源的最大化利用，已经成为人们研究的问题之一。风力发电的表现形式为非工频交流，必须经过整流、逆变和滤波，转换为工频交流形式，才能并入大电网。本文针对逆变控制器进行研究。当大电网故障时，风力发电系统退出并网转为孤岛运行，因为风力机为功率间歇性电源，在孤岛运行时无法维持系统的电压和频率在电力系统允许的范围之内，所以风力机在孤岛运行时，必须有一蓄电池来维持系统的电压和频率［1～3］。并网运行时，蓄电池和风力机的逆变器为PQ 控制;孤岛运行时，风力机逆变器仍为PQ 控制，蓄电池逆变器为V/f 控制［4～6］。同时，在并网运行和孤岛运行切换的过程中，加入一种加权控制，使得双模式过渡过程中电压和电流达到无缝切换。无缝切换［7］指的是在并网之前电源与大电网的电压、频率、相位保持一致;在并网的过程中无电压电流冲击;在离网之前电源发出的电能刚好满足当地负荷的需求，在离网的过程中负载电压无波动，并网电流迅速切断。

本文提出一种加权控制算法。利用电磁暂态分析软件PSCAD/EMTDC 搭建了风力发电机模型、蓄电池模型、逆变器及其控制器模型等，对并网运行、孤岛运行及其切换过程进行了仿真分析。

1 系统结构框图

系统结构框图如图1 所示。本文采用三相三线的逆变器电路。选用LCL 滤波器，能抑制电流的高频分量，保证高质量的并网电流，同时降低了开关频率谐波的输出阻抗。

图1 基于储能的风力发电系统并网结构框图

风力发电机发出高频交流电，经过不可控整流器整流后变为直流，风力机逆变器将直流电变为可控的工频交流电，LCL 滤波器改善逆变器输出的波形，最后变压器将电压变换为大电网电压的等级与大电网并联。蓄电池经过逆变器、滤波器和变压器后也并入大电网，负载接在并网的接口上。

2 风力发电原理及数学模型

2.1 风力发电的原理

风力发电的原理就是先利用风力机将风能转化为机械能，再通过发电机组将机械能转化为电能，送给用户或者并入大电网。典型的风力发电系统主要包括风、风力机、传动装置和发电机等部分，其中风力机是将风能转化为其他能量的机械装置，发电机是将其他形式的能量转化为电能的机械装置［8］。

2.2 风力机的数学模型

风速是决定风能的关键因素，风能表达式:

式中:W 为风能，W;vwind为风速，m/s;ρ 为空气密度，㎏/m3，一般取1.225 ㎏/m3;A 为空气流过的截面面积，m2。

风力机吸收的风能与风能利用系数有关。风力机的输出功率可表示如下:

式中:PW为风力机的输出功率，W;λ 为叶尖速度比，是指风力机叶片叶尖线速度和风速的比值;β 为桨距角;Cp(λ，β)为风能利用系数也称功率系数，是关于λ，β 的函数。

风力机的叶片转矩:

叶片转矩的标幺值:

式中:Tm为风力机的叶片转矩的有名值，N·m;Tm*为风力机的叶片转矩的标幺值;PN为风力机的额定功率，W;Ω，ΩN为叶片的机械角速度和额定机械角速度，rad/s。

在风力机的叶片转矩的仿真模型中，风力机吸收的叶片转矩乘以－1，使得输入的电磁转矩为负值，风力机做电动机用，将吸收的风能转化为机械能带动发电机转子转动［9～10］。

3 逆变控制器的控制策略

基于储能的风力发电系统有孤岛运行和并网运行两种模式。孤岛运行的时候，风力发电机的逆变控制器为PQ 控制，发出系统指定的有功功率和无功功率，储能蓄电池的逆变控制器为V/f控制，维持离网系统的电压和频率;并网运行的时候，风力发电机的逆变控制器的控制策略不改变，储能蓄电池的逆变控制器为PQ 控制，系统的电压和频率由大电网来维持。因此，风力机逆变器一直是PQ 控制，而储能蓄电池逆变器在双模式切换的过程中，其控制策略在PQ 和V/f 之间切换。

3.1 PQ 功率控制器

PQ 功率控制器使得分布式电源按照系统的设定要求发出有功功率和无功功率，如图2 所示。Pref和Qref为有功功率和无功功率的设定值，P 和Q为系统中逆变器发出的有功功率和无功功率的实际值，ud，uq，id，iq由负载电压和并网电流经过派克变换后得来的。

图2 PQ 功率控制器

3.2 V/f 电压控制器

V/f 电压控制器使得分布式电源在孤岛运行时，维持系统的电压和频率在设定值上，如图3所示。Vref和fref为电压和频率的设定值，V 和f 为系统中电压和频率的实际值，ω 为负载电压经过锁相环得到的角速度。

4 加权控制的算法

基于储能的风力发电系统无论是并网运行还是孤岛运行，风力机逆变器的控制模式都为PQ控制，在运行模式切换的时候控制模式不改变;但是蓄电池逆变器的控制模式在PQ 控制和V/f 控制之间转换，运行模式切换的时候控制模式也跟着转换。在实际工作中，系统运行模式的切换由硬件电路来完成，逆变器控制模式的转换完全由软件程序完成，软件控制的速度比硬件控制的速度快，导致运行模式和控制模式的切换不同步，因此加入加权控制［11］。

4.1 并网电压加权控制的算法

基于储能的风力发电系统在并网的时候，由于控制模式和运行模式的切换不同时完成，并网的过程中出现了新的控制模式:PQ 控制的系统独立运行过渡模式。在这个过渡过程中，负载电压不可控，电容电压和电感电流会超调，并网电流出现冲击。为了抑制该暂态过程，减小并网电流冲击，保证负载电压稳定，提出电压加权控制。并网过程中，在PQ 控制的系统独立运行过渡模式下，加入电容电压控制环节来保证电压的稳定，G1v(s)为PQ 控制独立运行时电压环调节器，控制环节加权值由电压加权因子K 决定。加权因子K 取值太小，效果不明显;取值太大，影响系统的稳定度。考虑到快速性和稳定性这两个因素，一般在设计中选取K =0.4。在控制软件切换同时，加入电压加权控制，使切换过渡过程中电压可控。在运行模式切换完成后，K 值置为零，电压加权控制退出。电压加权控制算法框图如图4。

图4 电压加权控制算法框图

4.2 离网电流加权控制的算法

基于储能的风力发电系统在离网的时候，分两种情况:主动计划性离网和强迫非计划性离网。主动离网是分布式发电系统根据自身特定情况，主动停止与电网进行能量交换。在分布式发电系统主动离网时，控制模式和运行模式的切换同时启动，但控制模式的切换较运行模式的切换优先完成。强迫离网是指电网侧停电等故障造成系统被动地处于独立运行状态。强迫离网是在检查出系统处于独立运行状态，确定分布式发电系统从并网运行模式到独立运行模式的切换后，然后再对逆变器的控制模式进行的切换。一般情况下，强迫离网发生的几率很小，本文主要讨论主动离网时逆变器的控制策略。

风力发电系统主动离网过程中会出现逆变器V/f 控制的系统并网运行的过渡模式。在主动离网的过渡过程中，并网电流不可控，电容电压和电感电流都出现波动，电网电流也会出现冲击。因此，在主动离网过程中加入电流加权控制，使得系统电流可控，电压稳定。G1i(s)为V/f 控制的并网运行过渡过程中的电网电流环调节器。控制环节加权值由参数K`决定，同上在设计中选取K=0.4。在控制软件切换同时，加入电流加权控制，使切换过渡过程中电流可控。在运行模式切换完成后K 值置为零，电流加权控制退出，控制算法如图5 所示。

5 仿真实例和分析

为了验证本文提出的基于储能的风力发电系统双运行模式的无缝切换，进行了仿真研究。主要实验参数如下:系统的额定功率为2 MW。大电网用理想的三相交流电压源代替，内阻为零，相电压的有效值取为10 kV，初相角为0，频率为50 Hz。风力机的风叶半径取为40 m，风速取4 ～4.5 m/s 之间的随机值，风能利用系数Cp取值为0.48，角速度给定值Wm取值为1.054 1。储能蓄电池用理想的直流电压源代替，内阻为零，电压值取为400 V。储能变压器的一、二次绕组之比为10 ∶0.4。风力机和蓄电池逆变器中的器件为全控器件，LCL 滤波器中的电感为10 H，电容为50 μF，线路为5 +j5 Ω;风力变压器的一、二次绕组之比为1∶1，负载为4 +j10 Ω。

图5 电流加权控制算法框图

5.1 并网电流仿真及分析

如图6 所示，系统的初始状态为离网运行，蓄电池逆变器初始状态为V/f 控制，风力发电机逆变器则一直为PQ 控制。考虑到在并网过程中蓄电池控制模式和系统运行模式切换的不同时性，仿真时在0.1 s 将蓄电池的控制方式由V/f 控制切换到PQ 控制，同时将K 值从0 变为0.4，电压加权控制开始启动。在0.2 s 系统从离网运行切换到并网运行，K 值置为0，电压加权控制退出。从图6 (a)、(b)上可以看出，在过渡过程中没加入电压加权控制，并网电流超调;加入电压加权控制后，并网电流在并网过程中做到无缝切换。

图6 并网电流仿真

大电网出现故障，要求分布式电源主动离网运行。在0.3 s 时将蓄电池的控制方式由PQ 控制切换到V/f 控制，同时K1值从0 变为0.4，离网电流加权控制启动;0.4 s 时分布式电源的运行方式由并网模式切换到离网模式，将K1值置为零，电流加权控制退出。图6 (a)中可以看出，在分布式电源离网时，电流关断时间拖得较长，不能迅速置零;在过渡过程中加入电流加权控制后，图6 (b)中的电流可以迅速关断，使得并网电流做到无缝切换。

5.2 负载电压仿真及分析

仿真方法同并网电流仿真一样，对负载电压的仿真结果进行分析。从图7 (a)、(b)可以看出，过渡过程中加入加权控制和未加加权控制，负载电压的波形几乎没什么大的变化，但仔细观察，仍然可以看出在加入加权控制后，负载电压的波形更加平缓。加入电压加权控制后，负载电压在并网和离网过程中均做到了无缝切换。

图7 负载电压仿真

6 结论

风力机逆变器的控制方式一直为PQ 控制，蓄电池逆变器的控制方式有PQ 控制和V/f 控制。本文针对蓄电池逆变器控制模式的切换同系统运行模式切换的不同时性，对非理想因素下的不同步切换进行深入的研究，提出了并网时的电压加权控制和离网时的电流加权控制。在切换过程中改善了负载电压和并网电流的波形，保证了电能质量的同时，也使得基于储能的风力发电系统双运行模式做到无缝切换。仿真实验说明了该方法的正确性，实现了基于储能的风力发电系统并网、离网过渡过程的无缝切换。

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