基于储能系统提升直驱风电低电压穿越能力

布 赫，任永峰，胡宏彬，尹柏清，陈明轩

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010051；2．内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020)

基于储能系统提升直驱风电低电压穿越能力

布 赫1，任永峰1，胡宏彬2，尹柏清2，陈明轩1

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010051；2．内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020)

风电作为环境友好型电源在电网中的渗透率不断增大，其弱的致稳性与弱抗扰性对电力系统电能质量及其运行稳定性将产生重大影响。风电场具备低电压穿越能力已成为其并网发电的必要条件，将高压大功率三电平变换器应用到直驱风电系统，提出采用超级电容(EDLC)储能系统提升机组低电压穿越能力。在研究基于超级电容储能的直驱风电系统数学模型、控制策略的基础上，对网侧变换器控制策略做了进一步改进。在Matlab/Simulink环境下搭建了完备的系统仿真模型。仿真结果很好地验证了所提方案的正确性和有效性。

直驱式风电；储能系统；低电压穿越；三电平变换器；控制策略

在多种可再生能源当中，风力发电已经成为发展速度最快的清洁能源之一。随着风电场的规模变得越来越大，风力发电与电网之间的相互影响也越来越大，风电场的并网条件就显得更为重要。近年来,一些国家已经发布了专用的风力发电并网导则[1-3]。同时,微型电网和智能电网方面也研究了高效的电源管理办法[4-5]。要求并网风电场必须具有一定的低电压穿越(LVRT)能力，即在一定程度的电网电压跌落下，风电机组能够不脱网连续运行，并且向电网提供一定的无功支撑，调节电网电压和稳定电网。图1所示为风电场低电压穿越要求。

图1 风电场低电压穿越要求

国内外已对直驱式风电系统LVRT做了大量研究[6-10]。其中文献[4]通过在直流侧接入制动电阻吸收电网电压跌落期间风机输出的多余能量，这是一种有效的方法，但多余的能量以热能的形式损耗掉，不仅浪费能量，对电路的散热要求也高；文献[5]通过对直驱风电系统控制方法的改进在一定程度上提高了其低电压穿越能力；文献[6]在风电场出口处并联STATCOM装置，提高系统的暂态稳定性，增强系统LVRT能力；文献[7-8]利用系统惯性将不平衡的能量储存起来，同时减小风能捕获，这种方法在一定程度上提高了系统的LVRT能力，但其水平有限。

本文采用双三电平背靠背变流器结构，即机侧和网侧变流器均采用二极管中点箝位(Neutral-point-clamped，NPC)型三电平拓扑结构。通过在网侧变换器直流侧并联超级电容储能系统来提升其故障穿越能力，通过控制双向DC/DC变换器及并网变流器，使直驱风电系统实现低电压穿越功能，同时改进了网侧变换器的控制策略，使得风电机组在电网电压故障时优先向电网注入无功电流，以帮助电网快速恢复正常运行。仿真验证了电网故障下，直驱风电系统的低电压穿越性能。

1 直驱式风力发电系统结构及分析

1.1 系统结构

图2所示即为二极管箝位三电平变流器结构。风力机与发电机转子直接相连，电能由发电机定子端经过双三电平全功率变流器馈入电网。

图2 背靠背双三电平二极管箝位型拓扑结构

1.2 风力机模型

风力机的基本原理是利用风轮接受风能，将其转换为机械能，并通过风轮轴输送出去。由空气动力学原理可知，风力机的输出功率满足：

由于风力机从风中捕获的功率满足：

风电机组轴系统模型为：

1.3 永磁同步发电机数学模型

定子电压方程为：

定子磁链方程为：

电磁转矩及运动方程为：

2 系统工作原理

电压跌落期间PMSG的主要问题在于能量不匹配导致直流侧电压的上升，可采取措施储存或消耗多余的能量以解决能量的匹配问题。图3所示为基于超级电容器储能的永磁直驱式风电系统拓扑结构。机侧和网侧变换器均采用二极管中点箝位型三电平变换器。机侧变流器控制目标为在保证发电机平稳高效运行的同时，能够快速的完成最大功率追踪。网侧变换器通过调节网侧的轴和轴电流，控制其直流侧电压稳定，并且实现有功和无功的解耦控制。直流侧并入超级电容储能系统，该系统由超级电容器组和双向DC/DC变换器组成。

图3 基于超级电容储能的并网永磁直驱风电系统

当电网电压出现故障时，通过控制双向DC/DC变换器实现储能系统的充放电来控制直流侧电压。当直流侧电压超过参考值时，变换器工作在Buck模式，对超级电容器进行充电，能量从直流侧流向超级电容储能系统，从而减小直流侧电压，反之，变换器工作在Boost模式，使直流侧电压升高[9]。同时，根据电网电压跌落的深度，控制网侧变换器向电网发出一定的无功功率，支撑电网电压，帮助电网快速恢复正常运行。

3 系统控制策略

3.1 EDLC储能系统的分析及其控制

本文设计了如图4所示储能系统的双向DC/DC变换器电路，超级电容通过DC/DC变换器与直流侧连接，双向DC/DC变换器控制超级电容器的充放电来实现对直流侧电压的控制。电网电压跌落时，发电机组输出的功率可能超出电网能够吸收的最大功率。因此，为了保持直流侧电压稳定，储能系统应快速吸收直流侧积累的多余能量[10]，如以下方程所示：

图4 双向DC/DC变换器电路

在控制方式上，双向DC/DC变流器采用双环串级控制，内环为电感电流环，外环为直流母线电压环。电流内环可以提高系统的响应速度，使系统能够获得很好的动态性能以及抑制干扰的能力；电压外环的作用是维持网侧变流器直流母线电压恒定。双向DC/DC变流器的控制框图如图5所示。

图5 DC/DC变换器控制框图

3.2 改进的网侧三电平变换器控制策略

网侧变换器通过双闭环控制，应该达到的控制目标是：直流母线电压稳定；逆变器工作在单位功率状态；输入电网的电流谐波含量低。

双闭环即电压外环和电流内环，电压外环的作用是使得有功功率跟踪上负载的变化，而直流母线的电压是否恒定取决于有功功率是否平衡，所以电压外环决定了直流母线的电压是否稳定。通过电流内环的控制，可以对交流侧的无功功率进行调节，也就实现了对逆变器工作在单位功率因数的控制目标。本文控制策略采用电网电压定向控制，将电网电压合成矢量定向于同步坐标系的轴，即=。网侧变换器在同步旋转坐标系下的数学模型如下：

网侧逆变器的控制框图如图6所示。当电网发生故障时，若风电机组仍然运行在单位功率因数状态，对电网的低电压运行及恢复会很不利。在本文的控制策略下，电网故障时，网侧变换器按照电网要求优先发出无功功率以支撑电网电压，同时有利于直驱风电机组实现低电压穿越功能。当电网电压正常时，电网电压外环输出为0，即网侧变换器运行在单位功率因数状态，只向电网输送有功功率。

图6 网侧控制原理图

国家标准要求总装机容量在百万千瓦级规模及以上的风电场群，每个风电场在低电压穿越过程中应具有以下动态无功支撑能力：

当电网电压发生跌落至额定值的90%以下时，根据公式(15)可得到网侧无功电流的参考值。因为当电压跌落时，网侧

4 仿真结果

为了验证本文提出的基于超级电容储能PMSG系统对于提高机组低电压穿越能力的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了2 MW永磁直驱风力发电系统仿真模型。具体仿真参数如下：网侧输出线电压额定值为690 V，频率为50 Hz；网侧变换器的直流侧电压额定值为1 100 V，机侧和网侧均采用NPC三电平变换器，功率器件均为IGBT，开关频率为2 kHz，直流侧电容为超级电容器组的额定电压为600 V，容量为1.2 MW/4 MJ，额定风速为13 m/s。

图7所示为电网电压对称跌落80%时带有超级电容储能的PMSG系统仿真结果。电网电压从1.2 s开始跌落至20%额定电压，持续625 ms。从图中可以看出，在电网电压跌落期间，注入电网的有功功率减小，无功功率增大，满足电网要求。在低电压穿越期间，通过控制网侧三电平变换器，优先向电网馈入一定的无功功率，以支撑电网电压，受变换器容量的限制，向电网发出的无功电流增大，而有功电流减小，如图7(c)所示。输出三相电流不会超过1.5 pu。当电网恢复正常时，网侧变换器又运行在单位功率因数状态，保证向电网注入最大有功功率。

电网正常运行时，EDLC系统不投入使用。检测到电压跌落后，立即控制双向DC/DC斩波器，使其运行于Buck模式，给EDLC系统充电，使直流侧多余的能量流入储能系统，以稳定直流侧电压，如图7(e)直流侧电压虽有上升，但幅度很小，故障恢复后，很快回到了参考值。

图7 带超级电容储能系统仿真结果

5 结论

本文采用在直流侧加入超级电容储能系统来提升基于三电平变换器的并网永磁直驱风力发电系统低电压穿越能力，并改进了网侧控制策略。通过储能系统的充放电特性，在电网电压跌落时，将直流侧积累的多余能量储存起来，结合网侧控制策略，优先发出无功功率以支撑电网电压，使系统正常运行基本不受电网故障的影响。仿真结果证明了在网侧变换器直流侧加入超级电容储能系统后，风电机组具有较强的低电压穿越能力。

致谢：本文的研究得到了“内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划”与“内蒙古人才开发基金”的资助，谨此致谢！

[1]SEMKEN R S,POLIKARPOVA M.Direct-drive permanent magnet generators for highpower wind turbines:benefits and limiting factors [J].IET Renewable Power Generation,2012,6(1):1-8.

[2]张丽英，叶廷路，辛耀中，等．大规模风电接入电网的相关问题及措施[J].中国电机工程学报，2010，30(25)：1-9.

[3]谭国俊，吴轩钦，李浩，等.Back-to-Back双三电平电励磁同步电机矢量控制系统[J].电工技术学报，2011，26(3):36-43.

[4]BANHAM-HALL D D,SMITH C A,TAYLOR G A.Meeting modern grid codes with large direct-drive permanent magnet generator-based wind turbines—low-voltage ride-through[J].Wind Energy,2012, 15:799-810.

[5]姚骏，廖勇，庄凯.电网故障时永磁直驱风电机组的低电压穿越控制策略[J].电力系统自动化，2009,33(12)：91-95.

[6]MOLINAS M,SUUL J A,UNDELAND T.Low voltage ride through of wind farms with cage generators:STATCOM Versus SVC[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(3):1104-1117.

[7]田野，王冕，张艺枥，等.基于机电储能的永磁同步发电机低电压穿越控制策略[J].电力系统自动化，2012,36(7):17-21.

[8]ALEPUZ S,CALLE A,BUSQUETS-MONGE S.Use of stored energy in PMSG rotor inertia for low-voltage ride-through in back-toback NPC converter-based wind power systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(5):1787-1796.

[9]张方华，朱成花，严仰光.双向DC-DC变换器的控制模型[J].中国电机工程学报，2005,25(11):46-49.

[10]RAHIM A H M A,NOWICKI E P.Supercapacitor energy storage system for fault ride-through of a DFIG wind generation system[J]. Energy Conversion and Management,2012,59:96-102.

Improve low-voltage ride-through capacity of directly driven wind turbine with energy storage syetem

directly driven wind power;energy storage system;LVRT;three-level converter;control strategy

TM 614

A

1002-087 X(2015)10-2267-03Abstract:As friendly environmentally power,wind power penetration rate in power grid was increased,but the power quality and operational stability of power grid were significantly impacted by it's weak anti-disturbance and weak stability performance.Wind farms which had low voltage Ride-Through(LVRT)ability had become the necessary conditions for grid-connected power generation.The ultracapacitor(EDLC)energy storage systems were used to improve LVRT ability of direct-drive wind power system based on three level converter.The mathematical model and control strategy of whole system was studied,and further improved the control strategy of grid-side converter.The complete system was developed based on simulink platform.The simulation results show the correctness and validity of the proposed scheme.

2015-03-20

国家自然科学基金项目(51367012)；教育部新世纪优秀人才支持计划 (NCET-11-1018)；内蒙古自然科学基金项目(2015MS0532,2011BS0903)；内蒙古自治区“草原英才”工程资助(CYYC2013031)；风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室开放基金资助项目(201403)；内蒙古电力集团(有限)责任公司科技项目(20130230)

布赫(1987—)，男，内蒙古自治区人，硕士生，主要研究方向为风力发电技术与电力系统电能质量控制。

任永峰(1971—)，男，山西省人，博士，教授，主要研究方向为风力发电技术与电力系统电能质量控制。