基于模糊控制的非并网风力发电机组直流母线电压飞轮储能控制策略

卢欣，张剑，王靖，刘铁，宋飞

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院；2.国网天津节能服务有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力公司，天津 300010；4.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏 南京 210000）

基于模糊控制的非并网风力发电机组直流母线电压飞轮储能控制策略

卢欣1,2，张剑3，王靖3，刘铁3，宋飞4

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院；2.国网天津节能服务有限公司，天津 300010；3.国网天津市电力公司，天津 300010；4.南京南瑞太阳能科技有限公司，江苏 南京 210000）

风力资源大规模的开发是实现减少温室气体排放，缓解环境污染以及提高可再生能源利用率的重要手段，同时，大规模非并网风力发电理论避开了风电并网的技术难题。但是，由于风能的随机性和不可控性，会导致风力发电系统输出功率也会随之波动，因此，在非并网风力发电系统中配置相应的储能装置，以确保向负荷供电的电能质量，已成为可再生能源充分利用的关键。在风速波动的情况下，利用本文提出的风力发电机组直流母线控制策略，可减少对机组变流器以及用电负荷的冲击，这对于非并网风力发电机组保证负荷的安全稳定运行，具有重要的积极意义。

非并网风力发电；直流母线电压；控制策略

风电得到世界公认，也最接近商业化，作为市场竞争力强的可再生能源技术，其占用土地少，社会争议少，环境友好，能较快实现规模化和产业化。非并网风电是指大规模风电直接应用于一系列通过技术创新、能较好应用风电特性的产业。大规模风电的终端负荷不再是电网，其与蓄电池配套的小型独立运行供电系统也不同，而是将风电直接输送到一些高载能的企业，即实现100%能量转换，解决无法上网的风电的利用问题。因为，非并网风力发电机组的终端负荷，对电能质量有一定的要求，所以，本文提出一种基于模糊控制的飞轮储能系统控制方案，该方案能稳定非并网风力发电机组直流母线电压，改善机组后级变流器的工作条件，提高了向终端负荷的供电质量。

1 系统构成与配置

图1为飞轮储能系统辅助的非并网风力发电机组系统结构图，该系统由飞轮储能系统、变桨距直驱风力发电机组、变换器、负载等组成，其中飞轮储能系统并联于直流母线。

图1 风力发电机组系统结构图

2 系统控制策略

系统控制策略如图2所示。

图2 飞轮储能系统控制策略示意图

3 飞轮储能系统转速限制策略

飞轮储能系统储存/释放能量为：

式中J为飞轮储能系统飞轮转子转动惯量，ω为飞轮旋转角速度初值，为飞轮旋转角速度的变化量。在本文的控制策略中，设飞轮储能系统最大储能为其额定值的120%，则飞轮转速最大最小值的限制需满足：

表1 飞轮储能系统转速限制规则表

4 基于转子磁链定向永磁同步电机矢量控制

基于dq旋转坐标系下，永磁同步电机定子电压方程与磁链方程为：

三相永磁同步电机输出转矩为：

式中，pm为电机极对数，ψd、ψq为分别为d轴和q轴上等效磁链。

设三相永磁同步电机气隙磁导分布均匀，有Ld=Lq=L ，则式（5）即可简化为：

由式（6）可以看出，对永磁同步电机采用基于转子磁链定向矢量控制，定子电流矢量位于q轴，无d轴分量，此时电磁转矩完全由定子电流控制。本文采用电流滞环控制，进而跟踪模糊控制器给出的飞轮电机转速参考值，对电机的转速进行调节。

5 系统建模

5.1 飞轮储能系统模型

飞轮储能系统包括飞轮电机、电力电子变换器等，与风力发电机相同，飞轮电机亦采用由MATLAB Simulink中提供的永磁同步电机模型，电力电子变换器采用Universal Bridge模块。按照图2所示的控制策略，通过转速环和电流滞环控制器对飞轮电机进行转速控制以实现飞轮储能系统的充、放电，图3为仿真模型结构图。

图3 飞轮储能系统仿真模型结构示意图

5.2 仿真模型

结合风力发电机组模型和飞轮储能系统模型，以及所提出的模糊控制器和稳定风力发电系统直流母线电压的飞轮储能系统控制策略，可以得到完整的系统仿真模型结构示意图，如图4所示。

图4 飞轮储能系统稳定非并网风力发电机组直流母线电压仿真模型结构示意图

6 仿真验证

6.1 系统参数

风力发电机组的参数为：风力机扫风半径为5m，永磁同步风力发电机定子电阻为0.175Ω，d轴电感为3.6mH，q轴的电感为3.6mH，永磁体励磁磁通为3.332Wb，电机转动惯量为0.028kg.m2，电机的极对数为4。钢制低速飞轮及飞轮电机参数为：永磁同步飞轮发电/电动机定子电阻为0.175Ω，d轴电感为3.6mH，q轴电感为3.6mH，永磁体励磁磁通0.3332Wb，电机及飞轮的转动惯量为0.328kg.m2，电机的极对数为4。

6.2 仿真结果及分析

根据给定的模拟风速阶跃曲线，运行基于模糊控制的飞轮储能系统稳定，非并网风力发电机组直流母线电压仿真模型，即可得仿真结果。如图5为给定的模拟风速阶跃曲线，在0.2s时，风速由10m/s阶跃至8m/s并在0.23s时回至10m/s；在0.5s时，风速由10m/s阶跃至12m/s并在0.53s时回至10m/s。图6为未引入飞轮储能系统时，非并网风力发电机组的直流母线电压波形。可看出未引入飞轮储能系统时，随着风速的跳变，风力发电机组直流母线电压上下波动，严重影响了向终端负荷的供电质量。图7为引入飞轮储能系统后的直流母线电压波形。可看出直流母线电压随着风速跳变而波动的情况，得到了有效抑制，改善了风电机组后级变流器的工作条件。

图5 风速阶跃模拟曲线

图6 未引入飞轮储能系统时直流母线电压波形

图7 引入了飞轮储能系统时直流母线电压波形

图8 给出飞轮转速变化曲线，可看出飞轮实际转速较好的跟踪了由模糊控制器给出的飞轮转速参考值。由于飞轮本身较大的转动惯量，在很短的时间内，飞轮实际转速无法做出较大的变化，所以，飞轮实际转速要比模糊控制器给出的转速参考值平稳。

图8 飞轮转速变化曲线

7 结语

本文提出的一种基于模糊控制的飞轮储能系统控制方案，能稳定非并网风力发电机组直流母线电压，改善机组后级变流器的工作条件，提高了向终端负荷的供电质量。

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TM614，TM76

：A

：1671-0711（2017）09（下）-0213-03

（国家电网公司科技项目资助（合同号：SGTJDK00KJJS1600036）光伏微电网关键技术研究和核心设备研制）。