基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流電壓控制策略

李咸善， 葉 浪， 程 杉

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 宜昌 443002； 2.梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 宜昌 443002)

近年來(lái)，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大，故障時(shí)風(fēng)電系統(tǒng)能否保持并網(wǎng)運(yùn)行成為學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)。由于對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator，DFIG)的高電壓穿越技術(shù)不夠重視，中國(guó)研究仍處于初步階段，且由于尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)風(fēng)電機(jī)組都不具備高電壓穿越能力。在工程實(shí)際中，故障引起部分機(jī)組低電壓脫網(wǎng)后，風(fēng)電場(chǎng)外送有功功率減小，因無(wú)功補(bǔ)償裝置或?yàn)V波器不能及時(shí)退出運(yùn)行或吸收過(guò)剩的無(wú)功功率，在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)刻電網(wǎng)局部無(wú)功過(guò)剩會(huì)引起電壓驟升故障[1-2]，對(duì)機(jī)組造成二次危害，引起更大規(guī)模的脫網(wǎng)事故[3]。

目前，前人多只針對(duì)低電壓故障[4]或者高電壓故障[5]一個(gè)方面研究，對(duì)實(shí)際工程中出現(xiàn)的低電壓過(guò)后高電壓的連鎖故障問(wèn)題缺乏系統(tǒng)研究。高電壓故障的研究多集中于對(duì)磁鏈暫態(tài)特性的分析[6-7]，限于理論分析的復(fù)雜性，其在工程應(yīng)用較為困難，需要研發(fā)易于工程實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)。傳統(tǒng)低電壓故障研究多采用Chopper電阻[8]、Crowbar電阻[9]、電抗[10]串接抑制轉(zhuǎn)子電流或定子串接阻抗[11]提高定子電壓等耗能方法，由此造成的機(jī)艙溫升問(wèn)題，對(duì)材料以及機(jī)組冷卻系統(tǒng)的要求更高。文獻(xiàn)[12]采用超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)改善電壓穿越能力，但超導(dǎo)技術(shù)尚不完全成熟，短期內(nèi)能否實(shí)際應(yīng)用仍有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]提出將飛輪儲(chǔ)能用于低電壓穿越技術(shù)，但飛輪儲(chǔ)能需要突破技術(shù)瓶頸如軸承溫度以及材料等。

綜上可知，研究易于實(shí)際工程應(yīng)用的電壓穿越裝備尤為重要。為此，提出在直流側(cè)并聯(lián)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電來(lái)平抑不平衡有功功率功率的波動(dòng)，從而達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，提高故障穿越能力的目的。

1 基于混合儲(chǔ)能的DFIG系統(tǒng)建模

采用基于超級(jí)電容和蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙饋電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。將超級(jí)電容器組和蓄電池組分別通過(guò)雙向DC/DC變換器與雙變流器中直流母線電容并聯(lián)接入雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，與系統(tǒng)交換有功功率。

圖1 基于混合儲(chǔ)能的雙饋電機(jī)拓?fù)銯ig.1 Topology of DFIG based on hybrid energy storage

1.1 考慮混合儲(chǔ)能的網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型

考慮混合儲(chǔ)能裝置的網(wǎng)側(cè)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，在d-q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其數(shù)學(xué)模型為

圖2 考慮混合儲(chǔ)能的網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)銯ig.2 Topology of GSC considered hybrid energy storage

(1)

式(1)中：R、L分別表示進(jìn)線電阻和電感；三相相等；ihes為混合儲(chǔ)能裝置輸出電流；S為開(kāi)關(guān)函數(shù)；ω1為電網(wǎng)基波角頻率；Vdc表示直流側(cè)電壓；u、v分別表示變換器交流側(cè)電壓、電網(wǎng)電壓；i表示電網(wǎng)電流；下標(biāo)g、r分別表示網(wǎng)側(cè)量、轉(zhuǎn)子側(cè)量；下標(biāo)d、q分別表示d軸量、q軸量。

1.2 考慮混合儲(chǔ)能的直流側(cè)電容模型

雙脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變換器中間的直流電容存儲(chǔ)的能量(Wdc)表達(dá)式為

(2)

式(2)中：直流電容(C)是由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的有功功率PS和網(wǎng)側(cè)變流器的有功功率PG交換流通的中介，其關(guān)系為

(3)

混合儲(chǔ)能裝置作為能量的緩沖環(huán)節(jié)，則式(3)可以轉(zhuǎn)化為式(4)：

(4)

式(4)中：Phes為混合儲(chǔ)能裝置輸出功率。

2 基于混合儲(chǔ)能的DFIG直流側(cè)電壓控制策略

2.1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

DFIG系統(tǒng)故障導(dǎo)致其直流側(cè)功率波動(dòng)，可通過(guò)直流側(cè)并聯(lián)的混合儲(chǔ)能裝置的充放電得到平抑，從而穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓，提高DFIG故障穿越能力。由于不平衡功率存在多種成分，為了提高不平衡功率平抑效果，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法[14]將不平衡有功功率(ΔP)分解為快速變換量和慢速變化量，利用超級(jí)電容器功率密度高、充放電速度快的特點(diǎn)，響應(yīng)ΔP的快速變化量；利用蓄電池能量密度大、充放電速度慢的特點(diǎn)，響應(yīng)ΔP的慢速變化量。通過(guò)控制DC/DC變換器控制混合儲(chǔ)能裝置吞吐有功功率，當(dāng)直流母線電壓超過(guò)額定電壓，即ΔP>0，網(wǎng)側(cè)變流器有功共功率(PG)大于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的有功功率(PS)時(shí)，混合儲(chǔ)能裝置補(bǔ)償不足的有功功率；當(dāng)直流母線電壓低于額定電壓，即ΔP<0，網(wǎng)側(cè)變流器有功共功率(PG)小于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的有功功率(PS)時(shí)，混合儲(chǔ)能裝置吸收過(guò)剩的有功功率。

2.2 不平衡有功功率分解方法

風(fēng)電系統(tǒng)直流側(cè)不平衡有功功率信號(hào)具有顯著的非線性、非平穩(wěn)性，傳統(tǒng)傅里葉變換只能分析含有特定頻率的正弦、余弦的混合信號(hào)，分析較困難。采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法[14]，將復(fù)雜的原始信號(hào)分解成多個(gè)頻率成分構(gòu)成單一的簡(jiǎn)單信號(hào)分量，即固有模態(tài)函數(shù)(intrinsic mode function，IMF)，經(jīng)過(guò)希爾伯特變換后，分析原始信號(hào)的瞬時(shí)幅值和頻率，其分解流程如圖3所示。

emax(t)、emin(t)分別為3次樣條插值的上下包絡(luò)線函數(shù)；m0(t)=x(t)為輸入信號(hào)；SD為固有模態(tài)函數(shù)的判別條件圖3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解流程圖Fig.3 Empirical mode decomposition flow chart

圖4 變換器控制框圖Fig.4 Converter control block diagram

圖3中，在周期T內(nèi)，固有模態(tài)函數(shù)判別條件(SD)表示為

(5)

2.3 DC/DC變換器控制方法

超級(jí)電容器采用功率跟蹤性能好的功率電流雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)采用功率控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制?？刂破鬟壿嬋鐖D4所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

聯(lián)立式(9)和式(10)，可以得到超級(jí)電容器側(cè)雙向DC/DC變換器的占空比d1：

蓄電池采用電壓跟隨性能好的電壓電流雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)采用直接電壓控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制。同理可得蓄電池側(cè)占空比(d2)：

(12)

2.4 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量約束

為了使混合儲(chǔ)能裝置在滿足有功功率輸出能力的基礎(chǔ)上，提高裝置整體經(jīng)濟(jì)性和有功吞吐效率，需要對(duì)混合儲(chǔ)能裝置進(jìn)行容量約束。超級(jí)電容器組存儲(chǔ)的總能量(ESC_unit)表示為

(13)

式(13)中：NSC為單體超級(jí)電容器的個(gè)數(shù)；CSC為單體電容量；Vmax為最大耐受電壓；Vmin為最低允許放電電壓；E為NSC個(gè)超級(jí)電容器單體的儲(chǔ)能總量。

考慮放電對(duì)等效電阻Resr的影響，根據(jù)最大功率傳輸定理，可得超級(jí)電容器組最大放電功率為

(14)

式(14)中：Punit表示超級(jí)電容器組功率。為使超級(jí)電容器的端電壓達(dá)到最低值Vmin時(shí)仍具備額定輸出功率的能力，將式(14)中電壓(V)設(shè)為超級(jí)電容器的最低工作電壓，則Vmin應(yīng)該滿足功率要求：

(15)

令式(14)取等號(hào)，聯(lián)立式(14)、式(15)，可解得超級(jí)電容器的約束條件：

(16)

Nb個(gè)級(jí)聯(lián)的蓄電池組理論儲(chǔ)存的總?cè)萘?Eb)為

Eb=0.001λNbCbUb≥Eb_unit

(17)

式(17)中：λ為蓄電池的放電深度；Cb為單體蓄電池等效電容；Ub為單體蓄電池開(kāi)路電壓；Eb_unit為蓄電池的設(shè)計(jì)容量。計(jì)算蓄電池容量約束：

(18)

式(18)中：K為安全系數(shù)；I為負(fù)荷電流；T為放電小時(shí)數(shù)；α為溫度系數(shù)；t為溫度；η為放電深度。聯(lián)立式(17)、式(18)，可解得蓄電池的約束條件為

(19)

式(19)中：Cb為單體蓄電池等效電容；Ub為單體蓄電池開(kāi)路電壓。

3 算例仿真

為驗(yàn)證本文所提控制策略，搭建6×1.5 MW DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)Simulink模型，風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.5 Topology of wind farm collection system

單臺(tái)雙饋電機(jī)參數(shù)如下：額定功率1.5 MW，極對(duì)數(shù)為3，定子額定電壓575 V，定子額定電壓1 975 V，額定頻率60 Hz，定子電阻0.023 p.u.(p.u.表示標(biāo)幺值)，定子自感0.18 p.u.，轉(zhuǎn)子電阻0.016 p.u.，轉(zhuǎn)子自感0.16 p.u.，互感2.9 p.u.，額定直流母線電壓1 150 V，額定風(fēng)速11 m/s。其中，p.u.為標(biāo)幺值單位。

3.1 電壓驟升幅值為1.3 p.u.

當(dāng)25 kV母線電壓升高至1.3 p.u.時(shí)，有無(wú)混合儲(chǔ)能仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，并網(wǎng)點(diǎn)電壓棸升至1.3 p.u.，含有混合儲(chǔ)能和不含混合儲(chǔ)能的系統(tǒng)各方面性能如有功功率、無(wú)功功率等方面基本一致。含有混合儲(chǔ)能的系統(tǒng)最顯著的優(yōu)勢(shì)在于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)能量緩沖能力，能夠有效減小轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器間不平衡的有功功率，抑制直流電壓峰值，有效保護(hù)雙變流器系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 1.3 p.u.電壓時(shí)2種仿真結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of two simulation results at 1.3 p.u. Vpcc

3.2 低、高電壓連鎖故障

當(dāng)25 kV母線電壓先跌落至0.5 p.u.，再驟升至1.2 p.u.時(shí)，有無(wú)混合儲(chǔ)能仿真對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 1.2 p.u.電壓時(shí)2種仿真結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of two simulation results at 1.2 p.u. Vpcc

由圖7可知，當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生連鎖故障時(shí)，不含有混合儲(chǔ)能的系統(tǒng)故障期間ΔP的峰值接近1 000 kW，累積在電容上的能量極易導(dǎo)致電容擊穿，影響轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間有功功率交換，造成發(fā)電系統(tǒng)不正常運(yùn)行；相較之下，含有混合儲(chǔ)能的系統(tǒng)在故障期間ΔP峰值約為200 kW，顯著減少了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器之間不平衡的有功功率。直流側(cè)電壓在故障期間穩(wěn)定在1 100～1 200 V，保證了雙變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真模擬風(fēng)電場(chǎng)25 kV并網(wǎng)點(diǎn)電壓發(fā)生不同幅值的電壓變化，通過(guò)分析仿真結(jié)果得出如下結(jié)論。

(1)驗(yàn)證了混合儲(chǔ)能裝置具有能量緩沖功能，在低電壓故障、高電壓故障及低、高電壓連鎖故障時(shí)均能減小網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器間不平衡的有功功率。

(2)所提直流電壓控制策略能夠使系統(tǒng)發(fā)生故障期間直流電壓保持穩(wěn)定，一定程度上提高了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高低電壓故障穿越能力。

(3)提出的混合儲(chǔ)能更容量約束配置方法簡(jiǎn)單實(shí)用，易于工程實(shí)現(xiàn)，可為風(fēng)電機(jī)組配備故障全程穿越控制設(shè)備提供參考。