利用BESS提高双馈风电机组低电压穿越能力

潘 晟

(东华工程科技股份有限公司，合肥230024)

0 引言

随着能源危机和环境污染等问题日益突出，大规模风力发电近些年来得到了快速发展。据统计，截止2009年底中国大陆地区新增风电装机容量约1.38万兆瓦，总装机容量已经跃居世界第二，仅次于美国。然而由于风能具有随机性、间歇性和不可调度性等缺点，风电机组输出功率具有很大波动性，同时发电机组大多采用感应电机导致其并网发电时需从系统中吸收大量无功功率，此外大型风电场一般远离负荷中心，风电渗透功率的波动将对电网的稳定性带来不利影响［1］。这些风电并网技术难题直接导致相当数量的风机不能并网发电，2009年中国不能并网发电的风电装机容量占总装机的38%且难以并网的风机仍在逐年增加，因此必须采取必要措施来提高风电机组的并网适应能力。

目前双馈感应风电机组以其兼具功率控制灵活、成本较低等优点在新装风机中占很大比例，但是由于背靠背变流器承受暂态过电流的能力过低，当电网故障时通常会采取保护措施(如Crowbar电路)来增强其故障穿越能力［2-5］，在此期间双馈风电机组运行于异步发电机模式需从并网系统中吸收大量无功，将加剧电网电压失稳的可能。随着大规模风电接入电网，许多国家和地区都对风电接入做了严格规定，图1为中国国家电网公司关于风电场低电压穿越的技术要求，要求只有当电网电压低于规定曲线之后才允许风机脱网。如果在变速恒频风电机组的直流侧增设储能装置［6-8］，既能结合风轮机和发电机转子控制在系统正常运行时平滑风电输出功率，改善系统频率波动，又能在电网故障时增强风电机组对并网系统的有功支撑能力，同时迅速平抑直流侧母线电压使机组尽快恢复控制能力，从而提高其低电压穿越能力。

图1 国家电网公司关于风电场低电压穿越要求的规定

本文详细阐述了双馈风力发电系统的控制与保护策略，包括基于电流解耦的转子侧和网侧变流器矢量控制、以及应对电网故障的转子侧变流器Crowbar保护方案;建立了电池储能系统(BESS)的数学模型及其控制策略，然后通过算例仿真研究BESS装置对双馈风电机组的低电压穿越能力的影响。

1 双馈风力发电系统控制与保护策略

双馈风力发电系统的基本原理是在感应发电机的转子回路中加入一个可控电压源，亦即将转子绕组通过背靠背变流器接入电网，而定子直接与电网连接，通过不断调节转子电压的幅值和相角从而实现对风机转速和功率因数的控制。图2为转子侧和直流侧分别装设了主动式Crowbar保护电路和BESS装置的典型双馈风力发电系统原理图。

图2 装设Crowbar和BESS的典型双馈型风电并网原理图

1.1 转子侧变流器控制及保护

在同步旋转坐标系(q轴超前d轴90°)下，忽略定子侧的电磁暂态过程和定子电阻并将定子磁链矢量定义在d轴上，按照电动机惯例可分别列出双馈风电机组定子侧输出的有功和无功功率、转子电压与转子电流之间的关系表达式：

式中，Xss=xs+xm，Xrr=xr+xm，其中rs和xs是定子电阻和电抗;rr和xr是转子电阻和电抗;xm是励磁电抗;s是转子滑差(下标s表示定子侧、r表示转子侧);Usr和Uqr分别是转子回路中可控电源的电压值的dq分量;Ids、Iqs和Idr、Iqr分别是定子和转子回路中电流值dq分量。

图3 转子侧变流器矢量控制框图

由式(1)可知在基于定子磁链定向的dq同步旋转坐标系下通过分别调节转子电流的q轴分量Iqr和d轴分量Idr就可以实现双馈风电机组定子侧输出有功功率Ps和无功功率Qs之间的解耦控制。而由式(2)可知转子侧的矢量控制电压未完全解耦，故若用转子电压的d轴分量Udr和q轴分量Uqr分别来控制转子电流的无功分量Idr和有功分量Iqr，还需要增加相应的电压补偿环节，分别增加前馈输入sX0Iqr和sX0Idr+sxm|U·s|/Xss，典型的转子侧变流器矢量控制如图3所示。

当电网发生电压跌落时转子绕组中出现的暂态过电流会损坏电力电子开关器件，常见的保护措施是在转子侧装设Crowbar保护电路如图4所示。当转子三相电流的最大值超过预先设定的阀值iH时Crowbar投入运行，双馈风电机组作为异步感应电机运行，从电网中吸收无功功率;而当其衰减至低于安全值iL切除保护装置，双馈风电机组恢复控制能力。

图4 典型的Crowbar滞环控制

1.2 网侧变流器控制

网侧变流器的控制应该能解决风电机组正常运行时的功率双向流动问题，假定其与电网之间的联络变压器电阻和电抗分别为R和L，则在基于电网电压定向的dq同步旋转坐标性中

其中，vd、ed和eq分别为前置电压(vq=0)、定子侧电压源变换器的d轴和q分量，id和iq分别为变压器二次侧电流的d轴和q轴分量。图5为典型的网侧变流器双闭环解耦控制系统，网侧电压和电流经过坐标变换，可使两个轴上的电流分量id、iq分别控制网侧的有功功率和无功功率，亦即控制id的正负实现有功功率的双向流动，控制iq来控制无功功率。

图5 网侧变流器解耦控制框图

2 BESS装置模型及其控制策略

2.1 BESS 装置建模

电池以电化学形式存储能量，是应用最广泛的一种能量储能装置，其特性可以表达为［9］：

式中rb是电池的内部电阻;V0、K和A分别为开路电势、极化电压和指数电压，单位V;Q和B分别指电池容量和指数容量，单位Ah。当ib值为正数时电池放电，而当ib为负值时电池处于充电状态。充电状态值SOC为100%时表示电池完全充满电，而对于空电池而言该值为0%。

2.2 BESS 装置控制

在双馈风电机组的直流侧增设BESS装置的主要目的是维持直流母线电压稳定，假设忽略变流器的功率损耗和谐波，可得到直流侧电压和电池电流成一阶线性关系，即

图6为一种应用于BESS装置侧变流器的串级控制策略，外环是直流电压控制，用来维持直流侧母线电压在系统故障时保持不变，其输出作为内环电流控制的参考电流irefb，从而使电池电流实时跟踪外环电压控制所产生的参考值。

图6 BESS装置侧变流器控制

3 仿真研究

本文运用Matlab/Simulink仿真工具进行研究，验证当电网故障时采用串级控制策略的BESS装置是否能够有效结合滞环控制的主动式Crowbar保护电路，从而提高双馈风电机组的低电压穿越能力，算例系统如图7所示，其中风电场采用6台额定容量为1.5MW的双馈风电机组，经过两条架空线路和一台升压变压器接入电网，风电机组运行在恒功率因数控制方式，功率因数设定为1。

图7 系统仿真接线图

假定在0.5s时刻风电并网公共节点处发生了持续时间为500ms的三相接地短路故障，电网电压跌落至正常值的20%以下，图8显示了装设Crowbar保护和BESS装置后的双馈风电机组在电网故障情况下的动态响应情况。

图8 电网故障情况下双馈风电机组的动态响应情况

仿真结果表明当电网电压严重跌落(如图8(a)所示)时，由于双馈风电机组转子中出现暂态过电流Crowbar保护电路投入运行，大量的转子电流注入直流侧电容，无论其直流侧是否附加BESS装置直流侧母线电压都会迅速上升，如图8(d)所示，但是直流侧装设BESS装置后直流侧电容电压恢复至正常值的速度明显要快于仅装设主动式Crowbar保护装置。这是因为当电网出现故障时BESS装置可以吸收直流侧电容中多余的能量，从而使直流侧母线电压波动迅速衰减，由图8(b)和图8(c)可知在0.5s至0.53s时间段内电池电流为负值电池处于充电状态，有效地控制电容电压低于安全阀值1400V，从而配合主动式Crowbar保护电路使双馈风电机组在电网故障清除之后迅速恢复控制能力，改善其低电压穿越能力。

4 结论

随着风电并网导则日益严格，风电场必须具备一定的无功电压调节能力、有功控制能力和低电压穿越能力等，这也就使得储能装置在风电并网系统中具有广阔的应用前景。

本文详细介绍了双馈风电机组的控制与保护策略，包括转子侧变流器基于定子磁链定向的矢量控制方法及其Crowbar滞环保护策略和基于电网电压定向的网侧变流器双闭环解耦控制方案;在分析了电池的特性的基础上建立的BESS的数学模型和串级控制策略，最后通过仿真研究表明当电网发生故障时若在双馈风电机组的直流侧加装BESS装置，可以有效地控制直流侧母线电压在安全范围内，从而配合Crowbar保护提高风电机组的低电压穿越能力。

［1］雷亚洲.与风电并网相关的研究课题［J］.电力系统自动化，2003，27(8)：84-89.

［2］I.Erlich，H.Wrede，C.Feltes.Dynamic Behavior of DFIGBased Wind Turbines during Grid Faults//Proceeding of Conference on Power Conversion，PCC 07，April 2-5，2007，Nagoya：1195-1200.

［3］Sarah Foster，Lie Xu，Brendan Fox.Behaviour and Protection of Doubly-fed Induction Generators during Network Faults//Proceeding of Power＆ Energy Society General Meeting，PES 09：5275555，July 26-30，2009，Naples，Italy：1-8.

［4］姚骏，廖勇.基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析［J］.电力系统自动化，2007，31(23)：79-83.

［5］蒋雪冬，赵舫.应对电网电压骤降的双馈感应风力发电机Crowbar控制策略［J］.电网技术，2008，32(12)：84-89.

［6］贾俊川，刘晋，等.集成嵌入式储能的双馈风力发电系统功率控制［J］.电力系统自动化，2010，34(15)：80-84.

［7］侯世英，房勇，等.应用超级电容提高风电系统低电压穿越能力［J］.电机与控制学报，2010，14(5)：26-31.

［8］李强，袁越，等.储能技术在风电并网中的应用研究进展［J］.河海大学学报(自然科学版)，2010，38(1)：115-122.

［9］J.Zhenhua，Y.Xunwei.Modeling and Control of an Integrated Wind Power Generation and Energy Storage System［C］.IEEE Power Energy Society General Meeting，2009.