薛 易， 陳 元， 郭明良， 張 帥

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

不可再生能源占比日益降低，為保證生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，對風能、水力、生物能、太陽能等可再生能源的利用率日漸增高，衍生出一系列可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，其接入電網(wǎng)時會產生電壓和頻率波動等問題，尤其在電網(wǎng)發(fā)生故障時，會影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，甚至會使電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生大規(guī)模的解列。因此，在電網(wǎng)發(fā)生故障時，如何保證系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行，并可靠避免故障，為系統(tǒng)補償所缺失的功率成為研究熱點[1]。黃可等[2]研究了模糊控制原理下低電壓穿越控制模型，在電網(wǎng)不對稱故障下，充分利用發(fā)電機轉子儲能，提高不對稱故障穿越能力，抑制功率波動對系統(tǒng)產生的安全性和穩(wěn)定性威脅。戴朋岑等[3]將Crowbar保護電路處理不對稱故障期間有功差額存在瞬態(tài)波動分量的情況，消除不對稱故障下的并網(wǎng)負序電流，減小直流側二倍工頻紋波。

筆者將超級電容和鋰電池組成的混合儲能系統(tǒng)應用于直驅風電機組，其中，混合儲能系統(tǒng)的充放電控制電路采用CUK式電路，減小直流側電壓二倍工頻波動，消除不對稱故障下網(wǎng)側電流中負序分量，以提高風電機組不對稱故障穿越能力。

1 混合儲能模型的建立

超級電容對高頻段功率波動反應迅速、能量密度大，用于抑制并網(wǎng)側輸出功率高頻段的波動。鋰電池對低頻段功率波動有較好地反饋及其能量密度低的特點，抑制并網(wǎng)側輸出功率低頻段波動。若采用單一的儲能單元模塊，無法應對電力系統(tǒng)中所有類型的突變情況。

1.1 混合儲能系統(tǒng)結構設計

混合儲能系統(tǒng)拓撲結構如圖 1所示。該連接方式可充分利用鋰電池與超級電容的功率密度不同的特性，比單一儲能系統(tǒng)有更高的穩(wěn)定性和安全性。

圖1 混合儲能系統(tǒng)拓撲Fig. 1 Hybrid energy storage system topology

1.2 充放電控制電路

含超級電容的CUK式雙向直流變換器的拓撲結構如圖 2所示。

圖2 CUK式雙向DC-DC變換器Fig. 2 CUK type bidirectional DC-DC converters

采用CUK式電路控制混合儲能系統(tǒng)充放電，鋰電池與其類似，僅將超級電容更換為鋰電池即可，二者工作原理類似，此處，僅分析超級電容的工作原理。充電時開關S2導通，直流側電容Cdc向電感L2充電，電容C經(jīng)超級電容Csc和電感L1放電。VD2導通時，直流側電容Cdc和電感L2向電容C充電，電感L1向超級電容Csc充電。放電時工作過程與充電時相反。

綜上所述，通過PWM控制雙向DC變換器不同開關器件的導通與關斷，使CUK電路在不同模式下工作，即可實現(xiàn)超級電容和鋰電池的充放電功能[4-5]，補償系統(tǒng)所缺失的功率，減小直流側電壓波動幅度。

1.3 混合儲能系統(tǒng)控制策略

混合儲能系統(tǒng)控制框圖如圖 3所示。文中設計了帶有低通濾波器的電壓電流雙環(huán)控制器模型，電壓環(huán)給定直流側參考電壓值Ubr與直流側實際測量值Ub作差后的值經(jīng)PI控制后得到電流環(huán)參考值Ibr[6]。利用鋰電池功率密度低，對功率變化響應速度較慢的特點，鋰電池參考電流值從直流側參考電流值Ibr經(jīng)低通濾波器后分離出的低頻分量與實際鋰電池電流Ibat作差后的值經(jīng)PI控制后，得到電壓信號后進入脈沖調制環(huán)節(jié)。利用超級電容的功率密度高，對功率變化響應速度快的特點，其內環(huán)參考電流值來源于直流側參考電流值Ibr與鋰電池電流參考值作差所得的偏差值，即相當于直流側參考電流值Ibr中的高頻信號，將此高頻信號與實際測量的超級電容電流值Isc作差后的值經(jīng)PI控制后，得到電壓信號，然后進入脈沖調制環(huán)節(jié)。

圖3 混合儲能系統(tǒng)控制Fig. 3 Control for hybrid energy storage systems

1.4 混合儲能系統(tǒng)仿真驗證

不對稱故障期間，鋰電池和超級電容的各項指標的變化情況，見圖4和5。

圖4 鋰電池波形Fig. 4 Battery waveforms

根據(jù)CUK變換器的工作過程，當流經(jīng)超級電容和鋰電池的電流反向時，雙向直流變換器工作在充電狀態(tài)[6]。由超級電容和鋰電池共同作用吸收直流側多余能量，超級電容和鋰電池的端電壓及荷電量均增加。由圖 4a、5a的鋰電池和超級電容電流波形，以及圖 4b、5b的鋰電池和超級電容電壓波形可知，超級電容對系統(tǒng)突發(fā)故障變化的反應比鋰電池快，因此，在系統(tǒng)故障初期主要由超級電容作用，而鋰電池的充放電過程較慢，平穩(wěn)狀態(tài)下主要實現(xiàn)功率交換[7]。由圖 4c、5 c的鋰電池和超級電容的充電波形可見，故障初期，超級電容對充電反應迅速，吸收直流側多余的能量，鋰電池進行平穩(wěn)狀態(tài)下的功率交換，緩沖了負載突變對系統(tǒng)的不利影響。

采用文中控制策略，分析鋰電池和超級電容對不同頻段能量波動的響應速度不同，通過低通濾波器分離二者參考值，并進行不同的比較得各自的偏差值，最終輸出不同頻段的電壓信號，進入脈沖調制環(huán)節(jié)。該方式減少了高頻段能量波動對鋰電池的沖擊影響，為鋰電池提供保護，進一步延長鋰電池的壽命，提高混合儲能的可靠性和安全性，延長了鋰電池的壽命，提高了混合儲能系統(tǒng)的可靠性和安全性。

圖5 超級電容波形Fig. 5 Supercapacitor waveforms

2 不對稱故障下功率

直驅式風電機拓撲如圖 6所示。圖中：Pm為原動機輸出的機械功率；Pe為機側輸出的有功功率；Pg為網(wǎng)側輸出的有功功率；Pdc為直流側功率；Udc為直流側電壓。正常運行下的電網(wǎng)，功率關系為

Pm=Pe=Pg。

(1)

電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，原動機機械功率Pm可視為定值。直驅式風電機系統(tǒng)中一般采用中性點不接地運行方式，不對稱故障下不存在零序分量通路，不考慮零序分量，由對稱分量法可知，不對稱故障時網(wǎng)側三相電壓中僅含有正序和負序分量[8]。此時，網(wǎng)側輸出有功功率為

(2)

式中：Pg0——網(wǎng)側輸出平均有功功率；

Qg0——網(wǎng)側輸出平均無功功率；

Pgs2——2次有功功率正弦峰值；

Pgc2——2次有功功率余弦峰值；

edp、eqp、edn、eqn——正負序電壓dq軸分量；

idp、iqp、idn、iqn——正負序電流dq軸分量。

由式(2)可知，網(wǎng)側輸出有功功率Pg為

Pg=Pg0+Pgs2sin 2ωt+Pgc2cos 2ωt。

(3)

由上述分析可知，網(wǎng)側輸出有功功率會產生二倍頻正弦波動,從而引起直流側電壓產生二倍頻波動。

圖6 直驅式風電機拓撲Fig. 6 Topology for direct-drive wind turbines

3 二階廣義積分鎖相環(huán)SOGI

鎖相環(huán)(Phase-locked loop，PLL)可以令逆變器和電網(wǎng)之間在受到擾動后保持同步運行，電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定性及暫態(tài)穩(wěn)定性均得到大幅度提升[9]。出現(xiàn)上述各自不對稱故障時，根據(jù)對稱分量法，構建復合序網(wǎng)分析可得，并網(wǎng)側電流中負序分量不為0，若此時網(wǎng)側變流器依然釆用傳統(tǒng)控制方式，輸出有功功率中會產生二倍頻分量，引起直流側電壓倍頻波動，使電容使用壽命周期降低，影響網(wǎng)側變流器的安全性。因此，文中采用二階廣義積分鎖相環(huán)進行正負序分量的分離，在網(wǎng)側變流器中采取相應的控制策略使負序分量為0，保證網(wǎng)側變流器及直流側電容的安全。

二階廣義積分器控制模型如圖 7所示。由鎖相二階廣義積分器，派克變換器、PI控制器和積分器構成。三相電壓信號Ua、Ub、Uc經(jīng)過SOGI后，產生兩個相互正交的信號Uα和Uβ，通過Park變換器，變?yōu)閐q軸直流信號Ud和Uq，進而得到dq軸分量下的電壓正負序分量。同理，采用此方法也可得到電流正負序分量。其中，PI控制器和積分器的作用分別是使輸入輸出間0誤差，以及將旋轉的角速度轉換為一定角度。

圖7 二階廣義積分器控制模型Fig. 7 Second order generalised integrator control model

4 網(wǎng)側變流器控制策略

基于上節(jié)分析，需要在發(fā)生不對稱故障時，使電壓電流中的負序分量為0，來保證網(wǎng)側變流器和直流側電容的安全性[10-13]。文中采用雙矢量電流控制器實現(xiàn)對正、負序電流的無靜差跟蹤控制，在要求負序分量為0的情況下，由式(2)令Pgs2=Pgc2=0，通過矩陣運算可得

(4)

(5)

圖8 網(wǎng)側變流器控制原理Fig. 8 Network-side converter control principle

5 仿真與結果分析

采用Matlab實驗平臺建立了混合儲能系統(tǒng)的直驅永磁風電機仿真模型。故障時間持續(xù)0.5 s。仿真參數(shù)直驅永磁風電機額定功率2 MW，定子側額定電壓690 V，定子側電阻0.006 ，額定頻率50 Hz，直流側額定電壓1 200 V，直軸電感0.3 mH，交軸電感0.3 mH。

傳統(tǒng)控制下直流側電壓波形如圖 9所示。傳統(tǒng)控制下未考慮直流側電壓倍頻波動分量，不對稱故障時電網(wǎng)電壓降低，直流側電壓升高，波動幅度較大，電壓偏移量約為33.3%。

圖9 傳統(tǒng)控制下直流側電壓波形Fig. 9 DC-side voltage waveform under conventional control

混合儲能系統(tǒng)直流側電壓波形如圖 10所示。采用混合儲能系統(tǒng)的方法降低直流側電壓倍頻波動幅值后，電壓偏移量降至約14%。故障期間，直流側電壓經(jīng)過短時波動可在混合儲能穩(wěn)壓單元的作用下很快恢復到1 200 V的額定值。

圖10 混合儲能系統(tǒng)直流側電壓波形Fig. 10 DC-side voltage waveforms for hybrid energy storage systems

網(wǎng)側電流波形如圖 11所示。消除了負序分量，網(wǎng)側電流對稱，故障消除后，混合儲能系統(tǒng)的釋放多余能量，導致故障期間網(wǎng)側電流比額定值高。網(wǎng)側電壓波形如圖 12所示。故障類型設定為相間故障，網(wǎng)側電壓波形出現(xiàn)了不同程度的跌落。

圖11 網(wǎng)側電流波形Fig. 11 Network-side current waveform

圖12 網(wǎng)側電壓波形Fig. 12 Network-side voltage waveforms

網(wǎng)側變流器有功和無功功率變化波形如圖 13所示。由圖13可見，在故障期間，機器側的有功功率輸入不需要改變，而網(wǎng)絡側的有功功率和無功功率均有不同程度的波動，混合儲能系統(tǒng)需要向電網(wǎng)補償約1.7 MW的有功功率，以消除二倍的直流側電壓波動，還需要向電網(wǎng)補償約0.3 MVar無功功率來保障故障期間的電壓恢復。

圖13 網(wǎng)側變流器功率變化波形Fig. 13 Network-side converter power variation waveforms

電流電壓序分量波形如圖 14、15所示。由圖14、15可見，采用文中的網(wǎng)側變流器控制策略后，實現(xiàn)了正負序分量的分離，由波形可知，已消除負序分量，保證了直流側電容和網(wǎng)側變流器的安全。

圖14 電流序分量變化波形Fig. 14 Current sequence component change waveform

圖15 電壓序分量變化波形Fig. 15 Voltage sequence component change waveform

6 結 論

(1)提出一種含混合儲能系統(tǒng)的直驅式風電機組不對稱故障穿越控制策略，根據(jù)故障時的復合序網(wǎng)不對稱故障時有負序分量，引起直流側電壓二倍頻波動，影響系統(tǒng)安全。

(2)提出的混合儲能系統(tǒng)的控制策略，利用超級電容和鋰電池吸收直流側多余能量，并向電網(wǎng)提供一定的無功支撐，直流側電壓波動值相比傳統(tǒng)控制策略下降低了19.3%，消除負序分量，降低直流側電壓倍頻波動程度，提升了系統(tǒng)不對稱故障穿越能力。