張振華，馮 濤

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州 310027;2.成都電業(yè)局，四川成都 610021)

0 引言

隨著風(fēng)電的大規(guī)模發(fā)展，其在電網(wǎng)中所占比重越來越大。由于風(fēng)具有間歇性，風(fēng)電機(jī)組輸出穩(wěn)定性差，影響電網(wǎng)電能質(zhì)量，甚至可能危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需研究風(fēng)電運(yùn)行特點(diǎn)并提高并網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。常見的解決方法是利用儲(chǔ)能裝置來抑制功率的波動(dòng)［1－5］。超級(jí)電容由于具有大功率密度、材料無污染和循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，成為了一種較理想的儲(chǔ)能載體，得到廣泛研究［6－8］。選擇超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，將其和模塊化多電平變流器相結(jié)合，作為功率調(diào)節(jié)單元，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行功率補(bǔ)償。選擇模塊化多電平變流器(modular multilevel converter，MMC)，是由于它模塊化的設(shè)計(jì)能靈活地適應(yīng)各種電壓等級(jí)和容量要求，同時(shí)輸出多電平能有效改善電壓波形，降低諧波污染［9］。

在給出儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)和風(fēng)機(jī)模型后，在對(duì)變流器進(jìn)行功率解耦的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)抑制風(fēng)電輸出功率波動(dòng)和連接點(diǎn)電壓波動(dòng)的控制策略，仿真結(jié)果證明了該策略的有效性。

1 基于MMC儲(chǔ)能單元的并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)

儲(chǔ)能單元與風(fēng)電結(jié)合的系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能單元連接風(fēng)電系統(tǒng)

圖2 子模塊

圖1中風(fēng)電機(jī)組采用異步發(fā)電機(jī)組，并聯(lián)電容器組是為異步電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行提供一定的無功支撐?；贛MC和超級(jí)電容的儲(chǔ)能單元并聯(lián)接入低壓母線側(cè)。Pwind為風(fēng)電系統(tǒng)輸出功率，Pmmc為儲(chǔ)能單元輸出功率，Pgrid為電網(wǎng)吸收的功率。

對(duì)于風(fēng)機(jī)，當(dāng)設(shè)定V為風(fēng)速，R為風(fēng)輪半徑，ρ為空氣密度，β為槳距角，ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速時(shí)，其模型按照式(1)建立［7］。

其中，葉尖速比λ=ωR/V;功率系數(shù)Cp是反映風(fēng)力機(jī)效率的重要參數(shù)，它是葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，擬合函數(shù)為式(2)、(3)所示，這里采用定槳距角風(fēng)力機(jī)(β一定)。

MMC每相有上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由多子模塊級(jí)聯(lián)而成。每個(gè)子模塊由兩個(gè)開關(guān)器件和一個(gè)電容組成，如圖2所示，由于需要儲(chǔ)能，子模塊中的電容選擇為超級(jí)電容。MMC每時(shí)刻每相上下同時(shí)投入模塊數(shù)目之和相同，電抗 Ls是為了抑制相間環(huán)流。MMC儲(chǔ)能單元的功率調(diào)節(jié)作用是通過對(duì)每個(gè)子模塊中超級(jí)電容的充放電來完成的。當(dāng)風(fēng)速高的時(shí)候，對(duì)超級(jí)電容充電，將一部分能量?jī)?chǔ)存在MMC儲(chǔ)能單元中;當(dāng)風(fēng)速低的時(shí)候，MMC儲(chǔ)能單元通過電容放電，釋放能量，從而保證風(fēng)電送入電網(wǎng)的功率平滑。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，超級(jí)電容是在滿足耐壓時(shí)在一定范圍進(jìn)行充放電，既保證有功功率吞吐的能力，又能保證超級(jí)電容的安全長(zhǎng)期運(yùn)行。

2 儲(chǔ)能單元的控制策略

儲(chǔ)能單元能量存儲(chǔ)在級(jí)聯(lián)子模塊的超級(jí)電容中，需要通過MMC變流器來進(jìn)行吸收和釋放這種轉(zhuǎn)換，故需研究MMC變流器的模型。當(dāng)取母線電壓矢量為參考矢量，且d軸與它始終重合時(shí)，在圖1所示參考方向時(shí)，得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型。

式中，ud、uq為 MMC 逆變電壓的 dq分量;ed、eq為電網(wǎng)電壓的dq分量;id，iq為儲(chǔ)能單元注入并聯(lián)節(jié)點(diǎn)電流的dq分量;p為微分算子。

電抗L是MMC儲(chǔ)能單元和電網(wǎng)交換能量的紐帶，也起到濾波的作用，但同時(shí)造成了功率的耦合。為保證儲(chǔ)能單元能夠快速調(diào)節(jié)功率，利用逆系統(tǒng)方法，對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行解耦［10，11］。為便于描述，將上式寫成狀態(tài)變量表達(dá)式。

其中，?。踴1，x2］=［id，iq］，［u1，u2］=［ud，uq］，［y1，y2］=［id，iq］。

式(5)表征的是一個(gè)非線性的受控對(duì)象，可以構(gòu)造該對(duì)象的逆系統(tǒng)，通過與原系統(tǒng)串聯(lián)將其改造為具有線性傳遞關(guān)系的偽線性系統(tǒng)，從而利用線性系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)控制器。先對(duì)輸出變量求取一階導(dǎo)數(shù)得

式(6)中已經(jīng)顯含輸入變量，故不需要進(jìn)一步對(duì)輸出變量求導(dǎo)，可解得逆系統(tǒng)模型。

對(duì)于式(7)逆系統(tǒng)，設(shè)定其輸入變量［v1，v2］=［py1，py2］，輸出變量為［u1，u2］。這樣將式(7)逆系統(tǒng)和式(5)原系統(tǒng)串聯(lián)，兩者構(gòu)成如圖3所示的偽線性復(fù)合系統(tǒng)，使得原來耦合的系統(tǒng)等價(jià)為兩個(gè)一階積分的線性子系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 逆系統(tǒng)與原系統(tǒng)串聯(lián)

圖4 解耦系統(tǒng)

為對(duì)圖4偽線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器，先對(duì)儲(chǔ)能單元的控制目標(biāo)進(jìn)行研究。對(duì)于異步電機(jī)而言，其輸出有功和吸收的無功隨風(fēng)速的大小波動(dòng)，而無功的波動(dòng)又會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)電壓的波動(dòng)，為保證風(fēng)電系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定性，儲(chǔ)能單元需同時(shí)具有有功和無功功率的補(bǔ)償能力。考慮到實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的分散性，為便于集中控制，儲(chǔ)能單元并聯(lián)于風(fēng)電場(chǎng)出口側(cè)低壓母線，故設(shè)定儲(chǔ)能單元的調(diào)節(jié)目標(biāo)是平滑電網(wǎng)吸收的有功功率和穩(wěn)定風(fēng)電低壓母線的節(jié)點(diǎn)電壓。圖5所示為系統(tǒng)的控制框圖。外環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中Vmref為電網(wǎng)額定相電壓的幅值，它與節(jié)點(diǎn)電壓的實(shí)際幅值作差，通過PI控制器得到內(nèi)環(huán)無功電流的指令值iqref;Pref為電網(wǎng)吸收有功的指令值，一般選取為一定時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)風(fēng)速的平均值對(duì)應(yīng)的風(fēng)電有功出力，它與Pgrid作差并通過PI控制器得到內(nèi)環(huán)有功電流指令值Idref，而為提高有功控制的響應(yīng)速度，在其中疊加了前饋控制環(huán)節(jié)得到的有功電流預(yù)估值。在得到idref、iqref后，對(duì)于MMC變流器而言，其控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)上述補(bǔ)償電流指令值的快速跟蹤，以完成有功和無功功率的補(bǔ)償，故逆系統(tǒng)的輸入變量v1、v2應(yīng)為指令值和實(shí)際值的誤差，即idref－id、iqref－iq，同時(shí)為確保消除誤差，引入PI控制器，故最終控制結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 整體控制框圖

對(duì)于MMC變流器，要求正常工作時(shí)各子模塊電容電壓能均衡，這里利用文獻(xiàn)［12］的調(diào)制策略和文獻(xiàn)［9］的均壓策略。

3 算例仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組，采用電容器組對(duì)其按有功功率的15%進(jìn)行無功補(bǔ)償。風(fēng)電場(chǎng)采用定槳距恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組等值為一臺(tái)額定輸出功率10 MW的風(fēng)電機(jī)組，輸出電壓為3.3 kV/50 Hz。然后通過升壓變壓器，經(jīng)線路接入35 kV電網(wǎng)。對(duì)于MMC儲(chǔ)能單元，設(shè)定每相有40個(gè)子模塊，即每個(gè)橋臂有20個(gè)，每個(gè)子模塊中電容可由超級(jí)電容組構(gòu)成，等效電容值為2 F，耐壓為500 V，設(shè)定其初始電壓為350 V，工作電壓范圍為300～450 V。限流電抗Ls=4 mH，連接電抗Ls=5.5 mH，等效電阻 R=0.25 Ω。

仿真中取一定時(shí)間內(nèi)風(fēng)速信號(hào)的平均值作為風(fēng)速預(yù)測(cè)值來確定儲(chǔ)能單元有功功率的指令值，圖6為5 s內(nèi)風(fēng)速變化情況，圖7為風(fēng)電場(chǎng)輸出有功功率和電網(wǎng)吸收有功功率的對(duì)比，圖8為加入儲(chǔ)能單元后風(fēng)電并網(wǎng)接入點(diǎn)電壓波形的標(biāo)幺值，圖9為MMC儲(chǔ)能單元子模塊電容電壓。

圖6 短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速變化情況

圖7 儲(chǔ)能單元對(duì)風(fēng)電出力的平滑效果對(duì)比

圖8 公共連接點(diǎn)的電壓標(biāo)幺值

圖9 儲(chǔ)能單元子模塊的電容電壓

從儲(chǔ)能單元并接入風(fēng)電后仿真波形看出，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率也會(huì)跟隨風(fēng)速波動(dòng)，但由于系統(tǒng)慣性的影響，有功功率的變化稍滯后于風(fēng)速的變化;同時(shí)由風(fēng)機(jī)模型知有功功率與風(fēng)速的三次方成正比，當(dāng)風(fēng)速在不大的范圍變化時(shí)，有功功率的波動(dòng)會(huì)較大，圖示在6 MW到10 MW之間，而這時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)風(fēng)速平均值設(shè)定的有功功率指令值為7 MW，故要求儲(chǔ)能單元具有足夠的功率吞吐容量;而風(fēng)速波動(dòng)的隨機(jī)性要求儲(chǔ)能單元能夠快速地進(jìn)行有功調(diào)節(jié)。圖示電網(wǎng)吸收有功功率能穩(wěn)定在設(shè)定值7 MW，表明儲(chǔ)能單元具有快速平滑風(fēng)電輸出的能力。在儲(chǔ)能單元調(diào)節(jié)有功功率時(shí)，各子模塊超級(jí)電容電壓在充放電過程中也能保持均衡。圖示風(fēng)電接入點(diǎn)電壓標(biāo)幺值能穩(wěn)定在1附近，說明儲(chǔ)能單元也具有快速的無功補(bǔ)償能力，能滿足有功功率波動(dòng)時(shí)對(duì)無功功率的需求。儲(chǔ)能單元可以實(shí)現(xiàn)有功和無功的快速綜合補(bǔ)償，從而大大降低風(fēng)速波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的沖擊，也有利于風(fēng)電機(jī)組自身的平穩(wěn)運(yùn)行。

4 結(jié)論

對(duì)于采用異步電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)，在風(fēng)速變化時(shí)，其輸出有功功率會(huì)波動(dòng)，導(dǎo)致吸收的無功功率發(fā)生變化，連接點(diǎn)的電壓也隨之改變，故儲(chǔ)能單元需要具有有功和無功的綜合補(bǔ)償能力。超級(jí)電容具有大功率密度，能夠循環(huán)使用，故成為一種合適的儲(chǔ)能載體，而MMC作為一種模塊化級(jí)聯(lián)拓?fù)?，其多電平電壓輸出不?huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響，將兩者結(jié)合作為儲(chǔ)能單元，仿真表明，其對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)具有靈活快速的功率調(diào)節(jié)能力，能平滑風(fēng)電機(jī)組有功輸出，穩(wěn)定接入點(diǎn)交流電壓，較大幅度提高了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

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