风_蓄混合孤立发电系统的运行控制

基金项目 ：国家自然科学基金项目 （50907040）；博士点基 金 （20100073110019）；上海市科学基金 （08dz1200504，09d- z1201303，10dz1203902）；海洋国家重点实验室课题 （GKZ- D010053-20） 定稿日期： 2011-06-16 作者简介 ：曹云峰 （1977-），男 ，安徽淮北人 ，博士后 ，助理 研究员，研究方向为风力发电技术、储能技术。 1 引 言 随着对经济和环境问题的日益关注， 风能作 为一种替代能源将逐渐发挥重要作用。 当风电系 统运行于孤网模式时，形成分布式孤立发电系统。 在此情况下， 诸如风速波动和负荷扰动等都会对 具有高风能穿透比的孤立发电系统的电压和频率 产生不利影响。 在风电孤立系统中接入储能设备， 对改善其电能质量、 可靠性和稳定性起着重要作 用 [1-3]。 电池储能系统可在高穿透比风能区间储存 能量，在低穿透比风能区间释放能量，以提高风能 利用率，起到平定负荷的作用。同时风电-蓄电池混 合发电系统相比其他发电系统而言， 能进一步节 约燃料，减少二氧化碳排放。 在此深入研究了风-蓄混合孤立发电系统的 控制方法， 包括双馈风力发电机组最大功率跟踪 控制方法、双馈风机的定子磁链定向有功、无功功 率解耦矢量控制方法以及用于支撑独立系统电压 和频率的功率调节器 （PCS）有功 、无功功率双向 调节控制方法，搭建了整个风-蓄混合孤立发电系 统的物理动模，用于研究该系统运行控制。实验结 果，该风-蓄混合孤立电力系统能保证整个系 统电压和频率的稳定性，满足供电标准。 风-蓄混合孤立发电系统的运行控制 曹云峰 1， 施 刚 1， 彭思敏 1， 蔡 旭 1，2 （1.上海交通大学，电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，风力发电研究中心， 上海 200240； 2.上海交通大学，海洋工程国家重点实验室， 上海 200240） 摘要：在风电孤立发电系统中接入储能设备，可抑制风能波动和负荷扰动对系统稳定性的影响。 在此深入研究 了风 -蓄混合孤立发电系统的运行控制 ，包括双馈风力发电机组的最大功率跟踪控制 、双馈风机的定子磁链定 向有功、无功功率解耦矢量控制及功率调节器有功、无功功率控制。 搭建了风 -蓄混合孤立发电实验系统 ，实验 结果证明，将了储能设备接入风电孤立发电系统，可有效提高系统稳定性。 关键词：风力发电； 孤立系统； 功率调节器； 电池储能系统 中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1000-100X（2011）08-0075-03 Operation Control of an Islanded Power System Based on Wind-battery Hybrid Generation CAO Yun-feng1， SHI Gang1， PENG Si-min1， CAI Xu1,2 （1.Shanghai Jiao Tong University，Key Laboratory of Control of Power Transmission and Transformation， Wind Power Research Center，Shanghai 200240， China） Abastract：The influence of the wind fluctuations and load disturbance on the wind turbine generator system stability can be suppressed by insert storage device into wind power isolated generation system.The control method of islanded power system based on wind-battery hybrid generation is researched deeply.The maximum power tracking control strat- egy and the power decoupling control strategy based on static flux orientation of DFIG are studied.The control method for the power converter to maintain the isolated system voltage and frequency stability is also studied.An islanded power down-scale system based on wind-battery hybrid generation is built to prove the theory，the experimental results prove that the wind power isolated generation system with energy storage system can improve the voltage and frequen- cy stability of isolated power system. Keywords：wind power generation； isolated system； power conditioner； battery energy storage system Foundation Project：Supported by Natural Science Foundation of China （No.50907040）；Specialized Research Fund for Doctoral Program of Higher Education of China （No.20100073110019）；Shanghai Fund of Science and Technology（No. 08dz1200504，09dz1201303，10dz1203902）；State Key Laboratory Project of Ocean Engineering of SJTU（No.GKZD010053-20） 第 45 卷第 8 期 2011 年 8 月 电力电子技术 Power Electronics Vol.45， No.8 August 2011 75 第 45 卷第 8 期 2011 年 8 月 Vol.45， No.8 August 2011 电力电子技术 Power Electronics 2 系统建模与控制策略研究 2.1 系统结构和运行特性 图 1 为风-蓄混合独立发电系统结构图。 双馈 风力发电机组采用最大功率跟踪控制策略， 以最 大效率吸收风能。 双馈电机控制采用定子磁链定 向有功、无功功率解耦矢量控制，电池能量存储系 统中的 PCS 采用电压和频率控制策略， 对电池进 行充放电管理，保证独立系统的电压和频率稳定。 当风机达到切入风速时， 首先通过 PCS 在公共连 接点 （PCC）建立独立系统的电压 ，为风机启动提 供无功功率，然后风机启动为负载供电，PCS 和双 馈风机联合运行，PCS 维持 PCC 的电压和频率在 允许的范围内， 电池能量存储系统根据风机输出 的功率和负荷要求进行充电和放电。 2.2 双馈风机的模型和控制策略 双馈电机 d，q 坐标系下的数学模型如下： uds uqs udr uqr r r r rr r r r r rr r = -Rs-Ls p ω1Ls Lmp -ω1Lm -ω1Ls -Rs-Ls p ω1Lm Lmp -Lmp ωsLm Rr+Lr p -ωsLr ωsLm -Lmpn ωsLr Rr+Lr r r r rr r r r r rr rp ids iqs idr iqr r r r rr r r r r rr r （1） 电磁转矩方程为： Tem=3[npLm（idsiqr-iqsidr）]/2 （2） 图 2 为不同风速 v 下风力机轴上输出的机械 功率 Pm与转速 ω 的关系。 总有一个固定的最佳转速 ωopt，当风力机运行 在此转速下时，会达到最佳叶尖速比 λopt，从而捕 捉最大风能 Pmax，输出最大功率。 图 2 中 Popt 曲线 为最大功率跟踪曲线， 双馈机组控制系统实时检 测风机转速， 根据风机的转速和最大功率跟踪曲 线得到最大输出功率， 通过机侧变换器调节双馈 机组的输出功率跟踪最大输出功率， 从而最大效 率地吸收风能 [4]。 双馈风机的输出功率调节包括有功功率 Ps 调节和无功功率 Qs 调节 ， 即给出有功功率指令 Ps*、无功功率指令 Qs*，并使交流励磁电机定子侧 输出的 Ps，Qs 达到给定指令值。 双馈风机定子磁 链定向有功功率、 无功功率调节矢量控制系统结 构图如图 3 所示 [5]。 2.3 PCS 的模型与控制策略 PCS 结构和控制原理如图 4 所示 ，PCS 的主 电路是以 IGBT 为主要开关元件的传统三相桥式 电压源变换器（VSC）。 VSC 采用 PWM，直流侧连 接蓄电池，交流侧连接电抗器 Xs。 PCS 与 PCC 间交换的功率可示为： P= uPCCuPWMsinδXs ， Q= uPCC（uPCC-uPWMcosδ）Xs （3） 式中：uPWM为变换器交流侧基波电压；uPCC为 PCC 电压。 根据 PWM 调制原理：uPWM=mUdc，m 为调制比， 则式（1）可改写为： P= uPCCUdcmsinδXs ， Q= uPCC（uPCC-mUdccosδ）Xs （4） 可见 ，PCS 通过改变变换器的 m 和 uPWM 与 uPCC 的相角差 δ， 使 VSC 可以 4 象限运行， 因此， PCS 可提供双向可控有功、无功功率。 在风速发生 图 1 风-蓄混合孤立发电系统结构图 图 2 风力机输出功率和转速关系曲线图 图 3 双馈风机控制策略框图 图 4 PCS 结构和控制原理图 76 变化或负荷扰动时 ，PCS 可平衡 PCC 的潮流 ，使 uPCC 和频率的波动限制在可接受范围内。 PCS 通过电压闭环的 PI 调节器得到 m 值，以 调节 uPCC， 设定单位幅值正弦波的频率为 PCC 参 考频率 ωref，乘以 m 后得到调制波，输入 SPWM 脉 冲发生器得到 IGBT 的驱动信号。 PI 控制器的输 入是给定电压幅值 U* 和测量电压幅值 Um，假定三 相 PCS 电压波形是正弦 ， 每相电压峰值 Um= 2（uab2+ubc2+uac2）/9姨 ， 第 n 次采样周期电压误差 ue（n）=u（n）*-um（n），第 n 次采样周期 PI 控制器 输出值 m（n）=m（n-1）+kiue（n）+kp[ue（n）-ue（n-1）]， 其中 kp，ki 为 PI 调节器比例和积分常数。 3 系统实验及结果 为进一步研究风-蓄混合孤立发电系统运行 控制， 设计并搭建了实验平台， 其配置如图 5 所 示。 其中包括 11 kW 双馈感应风电机组；75 kVA， 50 kW 电池能量存储系统； 单台电动机最大负载 为 5.5 kW 鼠笼异步电动机；另外还配有一定容量 的阻感负载和卸荷电阻， 储能电池采用阀控式密 封铅酸蓄电池组。 风-蓄混合孤立发电实验系统带 5.5 kW 鼠笼 异步电动机 （负载 2.1 kW），随着风速的增大 ，风 电机组输出功率逐渐增大。 通过 PCS 的动态双向 功率调节， 电池能量存储系统实现从放电到充电 状态的自动切换，平衡 PCC 的潮流，将 uPCC 和频率 的波动限制在可接受范围内。 图 6a 表明，初始风速下 ，风机输出功率小于 负载 ，PCS 网侧电流 iPCS 与风机输出电流 iDFIG 相 位相同，蓄电池通过 PCS 放电，补偿风能缺额，电 池储能系统和风机联合输出功率对负载进行供 电。 图 6b 中，随着风机输出电流的增大 ，PCS 自 动调节其潮流输出， 使系统有功和无功平衡，以 保证 uPCC 和频率稳定。 当风机输出电流 iDFIG 增大 到一定值后 ，iPCS 反向 ，相位与 iDFIG 相反 ，如图 6c 所示，表明此时蓄电池已处于充电状态，通过 PCS 吸收多余风能，由风机输出功率对负载进行供电， PCS 负责系统电压和频率稳定。 4 结 论 分析了风-蓄混合孤立发电系统的运行特性， 研究了双馈感应风电机组和功率调节器的控制策 略， 搭建了风-蓄混合小型孤立发电实验系统进行 实验研究。 实验结果表明，在孤立系统电源侧发生 扰动的情况下， 功率调节器通过电压直接控制和 频率间接控制，可自动调节独立发电系统潮流，平 衡独立发电系统有功和无功功率， 使公共连接点 电压和频率保持稳定，从而提高系统稳定性。 参考文献 [1] A Yazdani.Islanded Operation of a Doubly-fed Induction Generator （DFIG） Wind-power System with Integrated Energy Storage [A].IEEE Canada Electrical Power Con - ference[C].2007：1-7. 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