用于直驱式风力发电的复合储能系统＊

张坤，毛承雄，陆继明，王丹

(华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074)

与双馈型风力发电系统相比，直驱式风力发电系统因具有机械损耗小、运行可靠性和发电效率高、便于维护等特点，近年来在风电场中逐步得到广泛应用。

风电系统由于风速、风向等自然条件的变化而不能持续地、稳定地输出电能，这会对电网的电能质量及其稳定性产生较大的影响［1～3］。因而，在系统中配置一定容量的储能装置将起到平抑功率波动、维持发电/负荷动态平衡、保持电压/频率稳定的作用，从而实现风力发电系统安全、经济、高效、优质运行。鉴于超级电容器和蓄电池在技术性能上具有较强的互补性，本文将基于蓄电池与超级电容器的复合储能系统应用到风力发电中，并对其提出了一种可行的控制策略，搭建了基于复合储能的直驱式风力发电系统的仿真平台，其仿真结果很好地证明了控制策略的正确性和有效性。

1 系统的工作原理

图1是本文采用的基于超级电容器和蓄电池复合储能的直驱式风力发电系统的拓扑结构。电机侧变换器由三相不可控整流桥、滤波电容和Boost变换器构成，用于控制风力发电机的有功输出;电于系统输出功率参考值时，即PG＞Pref，把多余的能量存储在储能设备中;当发电机输出功率低于系统输出功率参考值时，即PG＜Pref，可把储能设备中存贮的能量释放出来为电网提供功率支撑。通过这种方式将能够有效地平抑风电机组输出功率的波动，使风电系统输出较为平滑的有功功率。网侧变换器通过调节网侧的d轴和q轴电流，控制网侧变换器直流侧电压和流向电网的无功功率，实现有功和无功的解耦控制，通常运行在单位功率因数状态。电机侧变换器直流侧并入复合储能系统，该系统由超级电容器组、蓄电池组以及双向DC/DC变换器等构成。当风力发电机输出功率高

图1 基于复合储能的直驱式风力发电系统Fig.1 Directly-d riven w ind generation system based on the hybrid system

2 复合储能系统的分析及其控制

2.1 复合储能系统的分析

本文之所以采用超级电容器和蓄电池复合储能系统，是基于超级电容器和蓄电池在技术性能上具有较强的互补性［7，8］。蓄电池的能量密度大，但功率密度小，充放电效率低，循环寿命短，对充放电过程敏感，大功率充放电和频繁充放电的适应性不强。而超级电容器则相反，其功率密度大，充放电效率高，循环寿命长，非常适合大功率充放电和循环充放电的场合。将超级电容器和蓄电池复合使用，是蓄电池能量密度大和超级电容器功率密度大、循环寿命长等特点相结合，可以大幅度提高系统的经济性能和技术性能。

2.2 复合储能系统的数学模型

图2 复合储能系统的等效电路模型Fig.2 Equivalent circuitm odel of the hybrid system

本文采用的基于超级电容器和蓄电池的复合储能系统结构见图2。图中:uC为超级电容器组的等效电容电压;uSC为超级电容器组的端电压;uB为蓄电池组的等效电压;uSB为蓄电池组的端电压;uDC为直流母线电压;iSC为超级电容器组的充电电流;iSB为蓄电池组的充电电流;i1、i2为非隔离型Buck-Boost双向DC/DC变换器的调制电流;d1、d2为非隔离型Buck-Boost双向DC/DC变换器的占空比;为iOUT为电机侧Boost变换器输出电流;iIN为电网侧变换器输入电流。电路中包含超级电容器组等效电容CSC、升压电感LDC、LDB、直流母线电容CDC1、CDC2等储能元件。复合储能系统的充放电数学模型为

2.3 基于复合储能的直驱式风力发电系统中变换器的控制策略

电机侧Boost变换器的控制原理如图3所示。图中:通过调节Boost变换器的电流指令i*0以实现风能的最大功率跟踪［10］，i*0与反馈值进行比较再通过电流调节器得到占空比d0的反馈控制量d^0，以达到电流对指令的快速跟踪作为占空比d0的前馈控制量，可以抑制电压波动给电流控制带来的干扰。连接超级电容器组的双向DC/DC变换器的控制原理如图3所示。图中:风力发电机发出的有功功率PG经一阶低通滤波器得到超级电容器组调节后输出的有功功率参考值Pref1，Pref1与超级电容器组调节后输出的有功功率PZ的偏差通过功率调节器得到双向DC/DC变换器的调制电流指令值;与反馈值进行比较再通过电流调节器得到占空比d1的反馈控制量d^1，以达到电流对指令的快速跟踪;d1作为占空比d1的前馈控制量，可以抑制电压波动给电流控制带来的干扰。连接蓄电池组的双向DC/DC变换器的控制原理如图3所示。图中:经超级电容器组调节后输出的有功功率PZ经一阶低通滤波器得到并网功率参考值Pref2，Pref2与并网功率PT的偏差通过功率调节器得到双向DC/DC变换器的调制电流指令值与反馈值进行比较再通过电流调节器得到占空比d2的反馈控制量，以达到电流对指令的快速跟踪作为占空比d2的前馈控制量，可以抑制电压波动给电流控制带来的干扰。电网侧变换器的控制原理如图3所示。网侧变换器通常采用电压外环、电流内环的双闭环控制结构。通过电压环调节直流侧电压，直流电压调节器的输出作为d轴(有功)电流的参考值，使直流侧电压保持稳定;q轴(无功)电流参考值通常设为0，使系统运行在单位功率因数状态。

图3 基于复合储能的直驱式风力发电系统中变换器的控制框图Fig.3 Block diagram of converters in directly-driven w ind generation system based on the hybrid system

3 系统仿真

利用Matlab/Simulink对图1所示的基于超级电容器和蓄电池复合储能的直驱式风力发电系统进行仿真。具体仿真参数如下:风力发电机额定功率为2 MW，输出线电压有效值为690 V，频率为50 Hz;超级电容器组的额定电压为600 V，容量为300 kVA/3MJ;蓄电池组额定电压为600 V，容量为500 kVA/5MJ;电网侧变换器的直流侧电压额定值为2200 V，功率器件为IGBT，开关频率均为2 kHz;连接超级电容器组的双向DC/DC变换器的升压电感为0.004 mH，功率调节器PI参数为kp=0.03，ki=25，电流调节器PI参数为kp=5.865，ki=0.125，一阶低通滤波器时间常数T1=5;连接蓄电池组的双向DC/DC变换器升压电感为0.005 mH，电压调节器PI参数为kp=0.04，ki=20，电流调节器PI参数为kp=5.865，ki=0.125，一阶低通滤波器的时间常数T2=50;电网侧变换器直流侧电容为CDC1=40000μF，CDC2=20000μF，输出滤波电感为1.3 mH，直流母线电压调节器PI参数为kp=0.002，ki=0.08，电流调节器PI参数为kp=2.02，ki=0.001。

风电机组以风能作为原动力，风速直接决定了机组的动态特性。风速模型一般包含三类即阵风、渐变风和随机风，如图4所示。通过这三类风速可形成仿真的风速信号，如图5所示。

当风机的桨距角为0°，且保持最优尖速比运行时，功率系数Cp达到最大值Cpmax，风机能捕获最大风能为Pamax=ρACpmaxv3/2，式中:ρ为空气密度;A为桨叶扇扫面积;υ为风速。假设ρ、A恒定，则采用传统最大风能跟踪控制策略的发电机输出功率与实际风速υ的三次方成正比。由图5所示的仿真风速信号可相应得到发电机输出的有功功率PG，见图6。不加储能系统和加入储能系统，风电系统输入电网的有功功率见图7。复合储能系统输出总的有功功率PF见图8。超级电容器组输出的有功功率PF1见图9。蓄电池组输出的有功功率PF2见图10。由图可见:风力发电机输出的有功功率PG波动较大;基于超级电容器和蓄电池的复合储能系统有效地调节了系统的输出功率，使注入电网的有功功率PT较为平滑。同时，超级电容器组能够快速地吞吐高频脉动功率;蓄电池组则较为平缓地持续发出/吸收功率，充分发挥了蓄电池和超级电容器在技术性能上所具有的互补优势。

4 结语

仿真结果表明:基于超级电容器和蓄电池储能的直驱式风力发电系统，可以有效抑制由于风速波动及其他不确定因素引起的风力发电机输出有功功率的波动，使系统输出的有功功率较为平滑。同时，体现了超级电容器和蓄电池在技术性能上所具有较强的互补性，也很好地验证了基于复合储能的直驱式风力发电系统中变换器的控制策略的正确性和有效性。

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