基于飞轮储能装置的风力发电系统输出功率柔性控制*

欧阳慧珉, 张广明， 顾 剑， 黄宇程

(南京工业大学 自动化与电气工程学院,江苏 南京 211816)

0 引 言

风能作为一种清洁高效的可再生能源，受到了世界范围的青睐[1]。随着总装机容量的不断增大，风力发电系统的输出电能对并网系统的影响越来越突出。风力发电机输出的功率存在大的波动，直接并网会威胁到电网的安全运行。因此，研究和解决风力发电系统并网问题具有实际意义。

目前，主要通过控制风力机的转速[2]和控制桨距角[3-4]来实现风力发电系统输出功率柔性控制。前者使风电场输出的有功功率能很好地跟踪所给定功率曲线，但该方法调节能力有限，当风力机输出的最大有功功率不足以满足要求时，就失去了作用。后者通过对桨距角的控制来改变风机的迎风面，尽可能地捕获到相对平稳的风速，从而使风电场输出波动相对较小的功率。该方法的缺点是在风速变化较快时，由于变桨距机构的惯性较大，机构无法很好地捕捉到平滑的风能。

飞轮储能系统具有以下优点： (1) 对环境没有污染，绿色环保；(2) 能量转换效率高；(3) 性能较稳定，受外界因素影响较小；(4) 无限次充放电，且充放电迅速，寿命长；(5) 系统维护简单，对地形没有特殊要求。飞轮储能已广泛用来实现风力发电系统的输出功率控制[5-10]。当储能系统连入并网型风力发电系统时，可通过对风力发电系统输出有功、无功功率的快速跟踪并根据需要对有功、无功功率进行吸收和补偿，使风电系统的输出满足并网要求。当风电系统输出的电能大于电网所需电能时，储能系统吸收多余的电能；当风电系统的输出电能不能满足电网的电能需求时，储能系统释放其存储的能量供给电网，从而达到柔性控制目的。

本文通过双脉冲宽度调制(Pulse Width Mod-ulation, PWM)变流器将风电系统与储能系统相连，控制系统间能量双向流动，从而调节风力发电系统的输出功率。在瞬时功率理论研究的基础上，对风力发电系统输出功率采用内、外环相结合的控制策略。网侧PWM变流器采用直流侧电压和无功功率的外环控制，储能侧PWM变流器则采用直接功率控制策略，双PWM变流器的内环控制均采用dq轴电流的解耦控制。仿真结果证明了该方法的有效性。

1 含有飞轮储能装置的风力发电系统结构和工作原理

图1 引入储能系统的风力发电系统结构图

引入储能系统的风力发电系统结构如图1所示。其中，风电机组主要由风轮机、感应发电机、并联电容器组等部分组成。并联电容器组为感应电机的起动和运行提供足够的无功补偿，维持输出端电压的恒定。飞轮储能单元通过双电压源PWM型变流器和连接电抗器接到感应发电机母线上。当风力发电系统的输出功率不能满足电网的需要时，以风力发电系统母线上的有功、无功功率作为双PWM变流器的控制信号来驱动储能系统向风力发电系统供电；反之，当风力发电系统输出的电能多于电网所需的电能时，储能系统吸收多余的电能，从而平抑系统的输出功率，保证输入电网的电能质量。

2 功率控制器设计

2.1 瞬时功率理论

在abc三相坐标系中，设ea，eb，ec为三相瞬时电压，ia，ib，ic为三相瞬时电流，则有功瞬时功率和无功瞬时功率分别为

(1)

abc三相坐标系中的瞬时电压、电流经Clarke变换和Park变换，得到dq坐标系中的瞬时电压ed、eq，瞬时电流id、iq。

有功瞬时功率和无功瞬时功率化为

(2)

2.2 储能侧变流器控制器设计

储能侧变流器采用有功和无功功率控制。通过储能侧变流器对有功和无功功率指令值的快速跟踪形成电压外环控制，电流内环控制则是对输入的d轴和q轴电流进行解耦控制。储能侧变流器控制器结构如图2所示。

图2 储能侧变流器控制器结构

在外环中，取电压矢量的方向为d轴方向，则电压矢量的模等于d轴的电压分量，根据瞬时功率理论和式(2)可得

(3)

有功功率和无功功率控制，即储能侧变流器外环控制如图3所示。图中Pref为风力发电系统需要输出的有功功率，P为风力发电系统实际输出的有功功率，通过两者相减可得到储能系统所需要吸收或释放的有功功率的指令值，再除以d轴的电压分量可得到储能侧有功电流的指令值idref。同理，得到储能侧无功电流的指令值iqref。

图3 储能侧变流器外环控制

在内环中，根据背靠背双PWM变流器在dq两相旋转坐标系下的数学模型，可得储能侧变流器的电压方程为

(4)

式中：ud1、uq1——储能侧变流器交流侧电压的d、q轴分量；

ed1、eq1——储能系统的d、q轴电压分量。

从式(4)可知，ud1、uq1分别受交叉耦合项ωLiq1和-ωLid1的影响，给控制器设计带来很大困难，故须对外环输出电流的dq轴分量进行解耦。针对这一情况，令

(5)

将式(4)代入式(5)整理得

(6)

式中，kp1、kp2、ki1、ki2分别为PI控制器的参数。

可知当参数使上式成立时，就能实现功能，同时也对电流实现了dq轴解耦控制。

储能侧变流器内环控制如图4所示。该内环实现了dq轴电流的解耦控制，得到了输出电压信号，然后根据PWM的空间矢量控制技术(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)产生脉冲信号，来控制变流器工作。

图4 储能侧变流器内环控制

另外,电网侧变流器采用的是定直流电压和无功功率控制。通过直流侧电压和无功功率来确定内环的参考电流值。内环则通过dq轴电流解耦控制得到输出电压信号。

电网侧的内环同样采用的是dq轴电流的解耦控制，通过对dq轴电流指令值的跟踪来得到电压。电网侧变流器的内环控制与储能侧变流器的内环控制类似，在此不再赘述。

3 参数的选择

3.1 电流内环的参数设计

由于电流内环中d轴和q轴的电流控制结构相同，这里以q轴电流为例设计控制器。电流内环控制器的传递函数框图如图5所示。

图5 电流内环控制器的传递函数框图

则闭环传递函数为

(7)

此时该系统为典型的二阶系统，有

(8)

由于采用SVPWM方式时，kPWM的值为1，则

(9)

(10)

整理得闭环传递函数

(11)

3.2 电压外环的参数设计

电压外环的传递函数框图如图6所示。

图6 电压外环的传递函数框图

整理得开环传递函数为

(12)

其中，C为直流侧的电容，Tc=τ1+3T，τ、τ1为延迟时间。

(13)

频宽h通常取值为5，得

τ=5(τ1+3T)

(14)

(15)

4 仿真研究

4.1 仿真模型

在MATLAB/Simulink环境中对系统进行仿真。采用给直流电源添加阶跃信号后经逆变器得到波动交流信号模拟风力发电系统输出功率，用三相电压源模拟吸收和释放能量的储能系统。主要仿真参数如表1所示。

表1 主要仿真参数

4.2 仿真结果分析

4.2.1 模拟风力发电系统输出

本文采用加入阶跃信号的直流源来模拟风力发电系统不稳定的输出，其输出电压、电流分别如图7、图8所示。

图7 风力发电系统输出电压

图8 风力发电系统输出电流

4.2.2 飞轮储能系统抑制风电输出功率波动

未经飞轮储能系统作用的风力发电系统输出功率波形如图9所示，可看出由于风能的波动，风力发电系统的初始输出功率存在明显的波动。

图9 未经飞轮储能系统作用的风力发电系统输出功率波形

经飞轮储能系统作用后的风力发电系统输出有功功率如图10所示。由图可知，有功功率经短暂调整后在0.1s前就稳定在约15kW，在 0.2s 和0.4s两个时刻，有功功率突然波动，但在短暂的调整后回到了原来的位置。有功功率的输出表明了该控制系统的有效性，对于风力发电系统波动输出，系统的控制策略起到了平滑输出功率的作用，使风力发电系统的功率输出在储能环节的作用下保持平滑。

图10 经飞轮储能系统作用后的风力发电系统输出有功功率

5 结 语

本文针对风电系统输出功率的波动问题提出了一种基于飞轮储能装置的功率柔性控制策略。采用外环控制确定电流参考值和通过内环解耦得到变流器工作的电压信号相结合的控制结构，从储能侧变流器控制器和电网侧变流器控制两个方面分别设计了控制器。仿真结果证明了该方法的有效性。

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