賀　軍，　張俊洪

(海軍工程大學(xué)，電氣工程學(xué)院，湖北 武漢　430033)

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風(fēng)儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行控制研究

賀軍，張俊洪

(海軍工程大學(xué)，電氣工程學(xué)院，湖北 武漢430033)

摘要：隨著能源與環(huán)境問題日益凸顯，可再生能源受到關(guān)注。在MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)上建立了風(fēng)儲(chǔ)微電網(wǎng)三相交流系統(tǒng)模型，重點(diǎn)分析永磁直驅(qū)風(fēng)電控制策略、微電網(wǎng)控制策略以及在可再生微電源實(shí)行最大能量捕捉情況下微電網(wǎng)如何維持穩(wěn)定運(yùn)行。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)控制聯(lián)絡(luò)線功率，大電網(wǎng)為微電網(wǎng)提供頻壓支撐；孤島運(yùn)行時(shí)微電網(wǎng)以主從控制模式運(yùn)行，采用恒頻恒壓控制。在考慮風(fēng)速、負(fù)載變化情況下，仿真表明微電網(wǎng)模型滿足功率平衡和電壓、頻率的運(yùn)行要求。仿真結(jié)果驗(yàn)證了模型和控制策略的可行性與正確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電； 永磁同步發(fā)電機(jī)組； 儲(chǔ)能電池； 微電網(wǎng)； 最大功率跟蹤； 動(dòng)態(tài)仿真

0引言

分布式電源發(fā)電靈活，與環(huán)境友好，其主要包括風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池、小型水利電力等。為了提高分布式能源的不足，發(fā)揮分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而形成了微電網(wǎng)概念。微電網(wǎng)將分布式發(fā)電、負(fù)載、儲(chǔ)能裝置，連在一起形成一個(gè)可控電源供應(yīng)系統(tǒng)，既可以并網(wǎng)運(yùn)行亦可獨(dú)立運(yùn)行。文獻(xiàn)[1]介紹了微電網(wǎng)研究的最新進(jìn)展并結(jié)合中國未來智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)未來微電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)行展望。文獻(xiàn)[2]運(yùn)用MATLAB/Simulink建立了D-PMSG仿真模型,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制策略中采用dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的矢量控制方法,用d軸電流控制無功功率,用q軸電流控制轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的解耦控制,對(duì)風(fēng)速階躍變化時(shí)機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[3]通過MATLAB/Simulink建立各種微電源模型，對(duì)嚴(yán)重故障情況下微電網(wǎng)自愈和維持電能質(zhì)量能力進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。文獻(xiàn)[4]重點(diǎn)考慮到風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)與大電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]通過算例仿真對(duì)不同分布式電源在低電壓微電網(wǎng)中，從聯(lián)網(wǎng)模式到孤立運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]以直驅(qū)型同步風(fēng)電機(jī)組為研究對(duì)象，建立了機(jī)組各個(gè)組成部分的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上利用MATLAB/Simulink搭建了基于全功率變流器的并網(wǎng)直驅(qū)型同步風(fēng)電機(jī)組的仿真模型，研究了使機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)功率狀態(tài)下的綜合控制策略。本文將建立完整的風(fēng)儲(chǔ)混合微電源系統(tǒng)模型，包括風(fēng)力機(jī)模型、發(fā)電機(jī)模型、最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制策略、儲(chǔ)能控制策略、微電網(wǎng)控制策略、系統(tǒng)考慮儲(chǔ)能電池的充放電過程、捕捉最大新能源功率的過程、反映微電網(wǎng)不同條件下的真實(shí)運(yùn)行狀況。

1永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制

由風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性知道風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸出功率為

(1)

式中：ρ——空氣密度；

r——風(fēng)輪半徑；

V——風(fēng)速；

Cp——λ和θ的函數(shù)；

λ——葉尖速比，λ=ωrR/V；

θ——槳距角。

貝茨理論證明風(fēng)能利用系數(shù)上限為0.593。在槳距角不變的情況下，只要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證最優(yōu)葉尖速比保持不變。本文取λopt=8.1，可維持Cp=CPmax，在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足最佳葉尖速比情況下獲得最大風(fēng)能。

1.1永磁同步發(fā)電機(jī)及變流器控制模型

本文中永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnetic Synchronous Generator, PMSG)的模型在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的電壓方程為

(2)

磁鏈方程為

(3)

轉(zhuǎn)矩方程為

Te=1.5np[ψfisq+(Ld-Lq)isqisd]

(4)

式中： usd、usq——電機(jī)d、q軸輸出電壓；

isd、isq——d、q軸電樞電流；

Ld、Lq——定子繞組d、q軸電感；

ψsd、ψsq——d、q軸磁鏈；

ωe——電角頻率；

ψf——永磁體磁鏈。

1.2電機(jī)側(cè)整流器矢量控制

電機(jī)側(cè)整流器的目標(biāo)主要是實(shí)現(xiàn)追蹤最大功率以及控制d軸電流為零。在本文中以控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率的追蹤，控制回路由雙閉環(huán)回路構(gòu)成，外環(huán)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，內(nèi)環(huán)為電流控制，如圖1所示。因d軸電流分量與無功功率相關(guān)，設(shè)d軸電流參考值Idref為零；q軸電流分量與轉(zhuǎn)矩相關(guān)，可通過控制q軸的速度獲得q軸電流參考值Iqref。發(fā)電機(jī)側(cè)三相電流在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下進(jìn)行變換得到dq軸的電流分量，電流分量分別與Idref及Iqref作比較，然后通過PI控制器調(diào)節(jié)和坐標(biāo)逆變換得到調(diào)制信號(hào)輸入值。由式(2)可知，dq軸之間存在耦合項(xiàng)，通過前饋補(bǔ)償?shù)姆椒上咧g的耦合，前饋電壓交叉項(xiàng)為ωeψsq和ωeψsd，即可實(shí)現(xiàn)電流的解耦，最終實(shí)現(xiàn)整流器的控制，得出輸出信號(hào)usdusq，經(jīng)過坐標(biāo)反變換和PWM環(huán)節(jié)，使整流器按功率給定值輸出功率。

圖1　電機(jī)側(cè)整流器控制框圖

1.3網(wǎng)側(cè)逆變器矢量控制

網(wǎng)側(cè)逆變器的首要任務(wù)是維持直流母線電壓恒定，控制直流側(cè)的有功功率Pe與網(wǎng)側(cè)PWM逆變器并入電網(wǎng)的有功功率Pg平衡。當(dāng)Pg

圖2　網(wǎng)側(cè)逆變器控制框圖

2儲(chǔ)能電源控制原理

本文儲(chǔ)能系統(tǒng)利用的是Simulink已有鉛酸儲(chǔ)能電池，經(jīng)DC/DC,DC/AC功率變換器模塊接入微電網(wǎng)構(gòu)成風(fēng)/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)逆變使用U/f控制，通過母線電壓和頻率的反饋，調(diào)整有功和無功補(bǔ)償。并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)逆變單元采用P/Q控制，根據(jù)調(diào)度指令補(bǔ)償聯(lián)絡(luò)線功率。如圖3所示，雙向DC/DC變換器的控制目標(biāo)是始終保持直流側(cè)電容電壓恒定和蓄電池充放電控制。在蓄電池充電或放電過程中，直流側(cè)電容電壓保持在設(shè)定值處，減小輸出電壓頻率和幅值波動(dòng)。當(dāng)直流側(cè)電容電壓升高至Udcref時(shí)，PWM輸出開關(guān)脈沖控制開關(guān)管S1通斷，使DC/DC變換器工作于Buck模式，蓄電池轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)以吸收電能；當(dāng)并網(wǎng)變流器工作于逆變狀態(tài)時(shí)，即儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率，直流側(cè)電容電壓Udc降低，PWM輸出的開關(guān)脈沖控制開關(guān)管S2通斷，DC/DC變換器工作于boost模式，蓄電池放電。

圖3　儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖

2.1獨(dú)立運(yùn)行儲(chǔ)能逆變器U/f控制策略

如圖4所示，U/f采用電容電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制方案，電容電流內(nèi)環(huán)與電感電流內(nèi)環(huán)相比，外特性更強(qiáng)，本文采用電容電流內(nèi)環(huán)。基于電壓和電流雙環(huán)控制策略，電壓外環(huán)需要采集負(fù)載側(cè)電壓，經(jīng)過坐標(biāo)變換得到Ud、Uq，與給定標(biāo)準(zhǔn)電壓分別作差，經(jīng)PI補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)給定值。采集濾波電容電流，經(jīng)坐標(biāo)變換與電流給定值作差，再經(jīng)過補(bǔ)償環(huán)節(jié)得到電壓參考值。其解耦原理與前面所述原理相似，此處不再贅述。經(jīng)過坐標(biāo)反變換與調(diào)制環(huán)節(jié)輸出指定電壓幅值與頻率。

圖4　U/f控制框圖

2.2并網(wǎng)運(yùn)行儲(chǔ)能逆變器P/Q控制策略

如圖5所示，控制策略采用功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略，需要采集電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電流，經(jīng)過P/Q計(jì)算模塊得到功率實(shí)測(cè)值，與給定值分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)給定值，再分別與采集電流值作差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)和前饋解耦環(huán)節(jié)，得到電壓參考值。

圖5　P/Q控制框圖

3風(fēng)/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)的仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink仿真軟件，建立了直驅(qū)型永磁同步發(fā)電機(jī)組的仿真模型，具體參數(shù)如下： 額定風(fēng)速11m/s，風(fēng)輪半徑11m，額定功率150kW，定子電阻0.01Ω，電感0.395mH，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量350kg/m2,極對(duì)數(shù)32，永磁體磁鏈1.67Wb。儲(chǔ)能電池電壓100V,容量1000Ah。并網(wǎng)逆變器及DC/AC、DC/DC模塊參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1　并網(wǎng)逆變器參數(shù)

表2　AC/DC與DC/DC模塊參數(shù)

3.1風(fēng)/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)并網(wǎng)仿真分析

仿真2.5s時(shí)風(fēng)速由11m/s變?yōu)闉?0m/s，3.5s時(shí)風(fēng)速由10m/s變?yōu)?m/s，電機(jī)側(cè)變流器根據(jù)風(fēng)速變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩也跟隨變化，風(fēng)能利用系數(shù)曲線保持在最大值上，實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)的跟蹤，由圖6可知發(fā)電機(jī)功率輸出與轉(zhuǎn)速具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組功率運(yùn)行在最大值。

圖6　永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)管理器發(fā)出調(diào)度指令，微電網(wǎng)向配電網(wǎng)提供53kW功率。由圖7可知2s 時(shí)負(fù)載由80kW增加20kW，儲(chǔ)能電池實(shí)行P/Q控制，根據(jù)聯(lián)絡(luò)線功率缺額向微電網(wǎng)持續(xù)輸出恒定功率。整個(gè)仿真時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率隨著風(fēng)力輸出功率變化和負(fù)荷投切而波動(dòng)，補(bǔ)償了微電網(wǎng)內(nèi)的功率差額，使得PCC處的交換功率能基本維持在設(shè)定值處，減小對(duì)電網(wǎng)的影響。微電源輸出大于負(fù)荷需求，微電網(wǎng)向配電網(wǎng)送出電能。

圖7　微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行情況

3.2風(fēng)/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行仿真分析

微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)微電源給負(fù)載供電，為了維持系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，微電網(wǎng)采取U/f控制模式。如圖8所示，在微電源和負(fù)荷功率發(fā)生變化時(shí)，主電源相應(yīng)變化確保負(fù)荷的電能質(zhì)量。風(fēng)速3s時(shí)由9m/s降為8m/s,功率輸出變化明顯，由100kW降為80kW，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)追蹤風(fēng)速變化。當(dāng)風(fēng)速、負(fù)載變化時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主控單元通過平衡功率輸出保持電壓和頻率在正常范圍內(nèi)波動(dòng)，系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行階段維持電壓和頻率穩(wěn)定，即使風(fēng)電和負(fù)載的功率波動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以快速消除微電網(wǎng)內(nèi)部功率失衡，避免電壓和頻率的大幅波動(dòng)。

圖8　微電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行情況

4結(jié)語

本文根據(jù)風(fēng)/儲(chǔ)混合微電網(wǎng)特性構(gòu)建了風(fēng)/儲(chǔ)微電網(wǎng)三相交流系統(tǒng)模型。該模型中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了MPPT控制策略，能追蹤風(fēng)速實(shí)時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。重點(diǎn)分析了風(fēng)/儲(chǔ)微電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下的控制策略，以及實(shí)行最大能量捕捉情況下如何維持穩(wěn)定運(yùn)行。微電網(wǎng)采取恒功率控制與恒頻恒壓控制，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)有效與大電網(wǎng)交換功率，孤島運(yùn)行時(shí)滿足功率平衡和電壓、頻率的運(yùn)行要求。結(jié)果顯示微電網(wǎng)運(yùn)行過程中控制有效，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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Operation Control Study of Wind-Battery Micro-Grid

HEJun,ZHANGJunhong

(College Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：As the energy and environmental problems become serious renewable energy has received much attention. In this thesis a AC wind/storage hybrid micro-grid model was simulated, to analyzed control strategy of a direct driven permanent magnet synchronous generators and micro-grid and how micro-grid operated stably when taking obtain maximum utilization of renewable energy into consideration. In the process of grid-connected operation, the grid controlled the power of tie line and provide reference voltage and frequency. Under islanding mode micro-grid took master slave control mode, where the battery was the main control unit using U/f control mode. Taking the variable wind speed into consideration, simulation showed that the micro-grid operation in islanded mode and the switching progress met the power balance and standard of voltage and frequency. the results of simulation verified the feasibility of this proposed model and control strategy.

Key words：wind power system；permanent megnetic synchronous generator (PMSG)； storage battery； AC micro-grid； maximum power point tracking； dynamic simulation

收稿日期：2015-07-02

中圖分類號(hào)：TM 301.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2015)12- 0050- 05

通訊作者：賀軍