基于超级电容-蓄电池混合储能的小型直驱风机综合控制策略及运行特性研究

华 东,宋新甫,李 娟,张三春,陈伟伟,李云山

(国网新疆电力公司经济技术研究院,新疆乌鲁木齐830000)

0 引 言

风力发电作为当前最具发展潜力的可再生清洁能源发电方式,受到世界各国的广泛关注,然而在风力发电飞速发展的进程中,也不可避免的出现了一些瓶颈和问题。由于风速的天然随机性和波动性,使风力发电系统的输出功率存在着很大的波动性,这一问题严重制约着风力发电的发展[1]。

为解决该问题,本文利用超级电容-蓄电池混合储能系统的互补特性,提出了一种以直流母线为控制对象、以直流电压恒定为控制目标的混合储能系统的控制策略,来抑制风速变化对风机运行稳定性的影响,在一定程度上抑制风力发电系统输出功率的波动性,缓解风力发电系统的能量波动,减少其并网时对系统的冲击影响。本文将超级电容-蓄电池的混合储能系统应用到小型风力发电系统中组成微电网系统来提高系统运行的稳定性,该研究对风力发电系统的应用和改进有着极其重要的实践意义。

1 基于超级电容-蓄电池的混合储能系统的直驱机组建模

1.1 小型直驱风机建模

采用简化的风力机模型进行建模描述[2],风力机从风中吸收的功率Pm为

(1)

式中,ρ为空气密度,kg/m3；R为风轮半径,m；v表示风速,m/s；β是桨距角；λ是叶尖速比；Cp为风能利用系数；ωm为风轮角速度,rad/s。

直驱永磁风力发电机的整流器采用PWM整流器,数学模型为

(2)

式中,ua、ub、uc,ia、ib、ic分别是三相交流相电压和相电流；Udc为直流电压；R为串联电阻；L为回路电感；iL为负载等效电阻；Sx(a,b,c)为三相桥臂开关函数；Sx=0表示上关下通；Sx=1表示上通下关。

1.2 超级电容-蓄电池混合储能系统建模

1.2.1 铅酸蓄电池的等效模型

考虑到蓄电池的三阶模型参数又太复杂,为此采用忽略寄生电阻的一阶等效蓄电池电路模型。

铅酸蓄电池的电压方程为

Vb=VOC-Vd+Vg

(3)

式中,Vb蓄电池端电压；Voc是蓄电池电动势；Vd为充放电压降；Vg为充电的电压上升[3]。

在蓄电池充放电过程中,蓄电池电压由充放电电流、荷电状态(State of Charging,SOC)及温度3个参数共同决定。

对于放电状态(ib<0),Rd、Va、Vg的计算方法如下

(4)

(5)

(6)

Vg=0

(7)

对于充电状态(ib>0),Rc、Va、Vg的计算公式如下

(8)

(9)

(10)

1.2.2 超级电容器的等效模型

超级电容功率为

P=U0I=(U-IR)I

(11)

超级电容能量输出为

(12)

超级电容充电效率ηc为

(13)

式中,Ucmax为超级电容充电起始电压；Ucmin为超级电容充电截止电压[4]。

超级电容放电效率ηd为

(14)

式中,Udmax为超级电容放电时起始电压；Udmin为超级电容放电时截止电压。

1.3 网侧逆变器建模

三相并网逆变器结构如图1所示。

图1 三相并网逆变器的结构

网侧逆变器采用能量可双向流动、电流谐波小,功率因数可控的三相电压型逆变器,其数学模型方程为[5]

(15)

2 系统控制策略

2.1 机侧整流器控制策略

直驱风机机侧变流器采用电压电流双闭环控制策略,控制策略如图2所示。

图2 机侧整流器控制示意

2.2 混合储能系统的控制策略

考虑到各个因素的影响,可以确定的是储能系统的控制关键点在于控制直流母线电压的稳定。直流母线电压的稳定既能保证直流负载的可靠运行,也为后续逆变器的控制提供方便。当直流母线电压升高时,风机的输出功率大于负载消耗的功率,储能系统负责吸收多余的能量,储能系统处于充电状态；而当公共节点电压降低时,风机的输出功率小于负载需求的功率,储能系统负责提供不足的能量,储能装置处于放电状态。

根据对蓄电池双向DC/DC控制器的分析,可以得到如图3所示的蓄电池储能系统的控制示意。

图3 蓄电池充放电的控制示意

混合储能系统采用以稳定直流母线电压为目的的控制策略。结合两种储能方式的特点,将储能系统需要平衡的功率差值通过低通滤波器分为低频部分和高频部分；由超级电容负责吸收和释放高频功率,利用铅酸蓄电池能量密度大的特点,将其作为长期储能装置,吸收和释放低频功率。该直流母线的电压外环控制如图4所示[6]。

为保证蓄电池吸收能量中的低频部分和超级电容吸收能量中的高频部分,引入低通滤波器和比例系数K,则超级电容-蓄电池混合储能系统的控制框图如图5所示。

图4 直流母线的电压外环控制示意

图5 混合储能系统总体控制示意

2.3 并网状态下网侧逆变器的控制策略

逆变器采用恒功率控制方法(PQ控制)，其控制框图如图6所示。

图6 逆变器PQ控制示意

3 系统仿真分析

基于以稳定风机直流母线电压为出发点确定的直驱风机、混合储能系统及逆变器的综合控制策略,在MATLAB软件中搭建整体并网仿真模型。系统仿真时长设定为1 s,在此过程中,风速波形如图7所示,在t=0.3 s时,Pref由1 000 W跳变降至600 W；在t=0.4 s时,Pref由600 W跳变增至800 W；在t=0.6 s时,在直流母线侧增加 的负载；在t=0.7 s时,在直流母线侧将50 Ω的负载卸去。

图7 输入风速波形

通过仿真得到系统的直流母线电压波形、逆变器实际输出有功无功功率波形、逆变器输出侧电压电流波形、超级电容器充放电电流波形以及铅酸蓄电池充放电电流波形分别如图8～12所示。

图8 风机输出有功功率波形

图9 直流母线电压波形

图10 逆变器输出侧电压电流波形

图11 超级电容器充放电电流波形

图12 铅酸蓄电池充放电电流波形

由图8、9可以看出,基于超级电容-蓄电池的混合储能系统的直驱风机输出功率和逆变器给定功率波动,或是增减负载,直流母线电压总能维持在相对稳定的水平,最大波动只有5 V左右,仿真说明了本文提出的控制策略的有效性和正确性,可以实现直流母线电压的相对平衡。

由图10可以看出,无论是风机输出功率发生变化还是负载发生变化,逆变器输出侧电流始终与电网电压保持同相位,仅幅值大小发生些许变化,保证了系统始终保持单位功率因数状态。说明了综合控制策略的有效性和正确性。

由图11和图12可以看出,对于系统在并网状态下产生的各种变化,超级电容器都能快速反应,其充放电电流波形呈阶跃状态变化,而蓄电池的充放电电流对于各种变化的反应均表现为较为缓慢的升或降,且从图中波形的坐标可以看出,超级电容器仅在系统发生变化时有较大的快速响应,而稳定运行状态时充放电电流基本为零,蓄电池负责在稳定运行状态下长时稳定的吸收和释放功率差,这一仿真结果也验证了超级电容器能量密度高,功率密度低,适合快速调节而不适合长时储能,而蓄电池的功率密度高,能量密度较低,反应较慢但适合长时储能的物理特性。

根据以上的仿真结果分析可知,在并网状态下,各部分控制策略在组建的整体系统中可以起到协调控制的作用,稳定了直流母线电压,根据储能装置的特点合理分配了混合储能系统的储能任务,同时,实现了直驱机组平滑出力,保证了稳定的有功输出,验证了本文提出的以直流母线为控制对象、以直流电压恒定为控制目标的混合储能系统的控制策略的正确性和有效性。

4 结 语

本文针对直驱机组功率波动和对运行工况变化的适应性,利用超级电容-蓄电池混合储能系统的互补性,提出了一种以直流母线为控制对象、以直流电压恒定为控制目标的基于超级电容-蓄电池混合储能系统的直驱风机控制策略,并对带混合储能的小型直驱风机的并网运行控制策略和运行特性进行了研究分析。通过控制储能系统合理的充放电以及逆变器的正确动作,达到系统功率合理分配及母线电压稳定的控制目标。在Matlab中搭建模型,验证了各控制功能模块的有效性,及各部分控制策略应用到整体系统中时的协调控制性,有效抑制了风机输出功率的波动性,提高了其运行稳定性,该研究对风力发电系统的应用和改进有着极其重要的实践意义。为储能型小型风机的研究起到了一定的理论指导作用。

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