风/柴/储能风力发电系统储能装置控制与仿真

姚鑫,栗文义，赵振兴，赵鹏

（1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080;2.神华神东电力有限公司，内蒙古准格尔旗017100）

风/柴/储能孤立风力发电系统比并网风力发电系统更容易受到风速变化的影响[1-4]。当风速低于额定风速时会造成风机出力不足；当风速高于切出风速时，会导致风力发电机紧急停机；风速变化时会导致风机输出功率的波动，这些因素都会影响风力发电系统供电稳定性[5-7]。

在风速波动导致风力发电机组无法向负荷输出稳定功率时，安装储能装置是确保向用户输送稳定电能的有效手段之一[8-10]。对于小型孤立风力发电系统，一般采用蓄电池作为储能装置。

目前，对蓄电池控制器的研究主要集中在蓄电池充放电方式的方案选择、与交流系统进行能量交换的逆变器及其控制策略等方面[11-14]。逆变器的实现方案有低频环节逆变技术和高频环节逆变技术，其控制方法主要基于正弦波脉宽调制技术或空间矢量脉宽调制技术，实现蓄电池向交流系统提供稳定合格的电能[15-18]。

上述研究方法主要是将蓄电池同交流系统直接连接，缺点是控制方法较为复杂，在交直交风电系统中，则缺乏对直流母线的充分利用[19-23]。本文设计了适用于连接在直流母线上的蓄电池控制器模型，该控制器能够控制蓄电池与系统直流母线进行能量交换。

1 系统结构

目前已经投入使用的孤立风力发电系统发电机多采用小型永磁同步发电机或小型异步发电机。本文采用永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchr-onousGenerators，简称PMSG），它发出的电能经过整流-逆变环节，输送给用户使用。柴油发电机作为备用发电机组[24-27]。系统结构如图1所示。

图1 小型孤立风力发电系统结构

图1 中VB表示储能装置，连接于系统直流母线上。这种交直交系统的优点在于风力发电机组与储能装置共用一套整流-逆变装置，节约成本，负荷不受发电机频率变化的影响[28]。储能装置在风能充足时吸收电能，在风能不足时向系统放电以维持直流母线电压的稳定，从而通过逆变器向用户提供合格的交流电能。

储能装置与系统的功率交换情况如下[29]：

设发电机输出功率为Pg，在充电时，储能装置吸收的电能为Pb，输送给负荷的电能为Pd。忽略系统损耗，功率交换表达式为

从式（1）可以看出，当用户负荷容量固定时，储能装置吸收能量Pb随发电机输出功率Pg变化而变化。当Pb为正时，储能装置从系统吸收电能，此时为充电状态。当Pb为负时，储能装置向系统释放电能，以补充由于风力不足所造成的风力发电机组的出力不足。

2 储能装置充电与放电的数学模型

将储能装置分为充电和放电2个状态进行分析，以便更容易了解控制器的设计思路。由于储能装置的工作电压低于整流器输出的直流电压，所以必须使用Buck-boost电路，即通过斩波器实现调压[30]。

2.1 充电状态模型

当风力充足时，储能装置运行于降压斩波（Buck）模式，从系统吸收电能进行储能[31]。储能装置充电状态见图2。

图2 储能装置充电状态

在图2Buck-boost电路中，Ta1和Ta2为上下两个桥臂。当系统运行于降压斩波模式时，上桥臂Ta1运行，下桥臂Ta2截止，C为系统消除谐波的电容，其端电压为直流侧母线电压Vdc。在放电时，储能装置由电容C、上桥臂Ta1、电感La和VB形成通路。蓄电池端电压为VB。当直流侧电压高于储能装置端电压VB时，电感La吸收直流侧电容能量，并向蓄电池放电。当Ta1关断的时候，La保存的能量可以继续向蓄电池放电，进行续流。

斩波器输出电压的平均值与直流电压的关系为

式（2）中，da为Ta1的占空比，值为ton/TS，ton为开关导通时间，TS为Ta1的切换周期。

电压和电流的关系为

式（3）中，ra为电感La的内电阻；ia为储能装置的充电电流。由于上桥臂Ta1的状态是断续的，故电感La的电流ia是变化的。为了便于计算，在Ta1的一个关断周期内，采用平均值的方法得到电感的平均电流值，故式（4）可以改写成

在高频切换时，Ta1的实际电流与参考电流之间的偏差较小，在每一个导通周期内，实际电流能够跟随参考电流的幅值而变化，通过设定合适的参考电流，就可实现对储能装置充电模式的控制。

2.2 放电状态模型

当风资源不足导致风机出力减少或停机时，储能装置必须放电，向用户稳定供电。储能装置放电状态见图3。

图3 储能装置放电状态

图3 中，储能装置处于升压斩波状态，即Boost状态，上桥臂Ta1截止，下桥臂Ta2运行。与充电状态相比较，电感的电流方向相反，幅值为ia1。当Ta2导通时，电感与储能装置形成回路，电感暂时存储蓄电池所释放的电能，当Ta2关断时，由Ta1的并联二极管，将电感所存储的能量输送至直流电容C，直流侧母线因为吸收蓄电池电能而升高，从而实现向系统补充电能的作用。

斩波器输出电压的平均值Va与直流电压Vdc之间的关系为

放电状况下的控制思路与充电方式相同，即控制式（11）中的参考电流值实现储能装置放电控制。

2.3 控制器设计方案

控制器原理如图4所示。

图4 充放电控制器原理

采用电压外环、电流内环的控制思路[32]。外部电压回路为定电压控制，根据参考电压的幅值，对检测到的直流母线电压Vdc进行调节，进而控制储能装置的充放电电流。控制系统对输出的载波与三角波信号进行调制，产生脉冲触发信号，从而调节斩波器电压，实现充放电控制。具体的控制器仿真框图如图5所示。

图5 控制器结构

本文设计的充放电控制系统主要针对蓄电池储能，也适用于对超导磁储能[33]和超级电容器储能[34]，这两种储能方式在仿真中可以采用电感或电容器件作为储能元件，对这些元件进行斩波调压控制可以实现与系统的能量交换。此外，本控制电路对飞轮储能、燃料电池储、抽水蓄能、压缩空气储能等方式不适用，因此只适用控制蓄电池、超导磁储能和超级电容器储能这类储能设备。

3 仿真与分析

3.1 仿真模型与参数

采用一台额定功率6 kW永磁同步发电机作为风力发电机组，额定风速12 m/s，输出电压690 V，频率可变。由于系统采用整流-逆变方式向用户供电，故发电机频率的变化不会对负荷产生影响。使用同等容量和电压等级的柴油发电机组作为系统的备用机组，当风力发电机组出力不满足负荷需求时，柴油机启动运行。

根据上述储能装置充放电控制原理和数学模型建立孤立风/柴/储能发电系统的仿真模型。为了简化分析，系统采用不可控整流器。仿真中，直流负载的大小为500Ω，直流稳压电容为0.001 F；整流器缓冲电阻为1×105Ω，缓冲电容为1×1012F，二极管内阻和内部电感分别为1×10-3Ω和0H，正向压降为0V。可以根据改变储能装置中电容值的大小来模拟不同容量的蓄电池，大容量电容所存储的电量需要满足系统短时（小于1 min）供电需求，本仿真中储能电容设定为1.5 F。仿真采用ode23 tb算法，离散仿真类型，采样时间为1×10-4s，仿真时长为30 s。

3.2 无储能设备仿真结果

对于孤立风/柴互补发电系统，在风力充足时使用风力发电机组向用户提供电能，当风力不足时，启动柴油发电机组发电。模拟这种切换过程的直流侧母线电压如图6所示。

图6 风/柴互补时系统运行状况

在0.1 s时，风速达到切入风速，风力发电机组开始向负荷供电。直流侧电压稳定在0.926 kV左右，此时系统通过逆变器，向负荷提供稳定的交流电。在5 s时，由于风速持续下降，导致风机出力减少，此时备用机组投入。小型应急柴油发电机的启动时间为15~60 s，这里设定为20 s。在第20 s时，柴油发电机组启动成功，开始向用户供电。

由于风力发电机组在刚投切时会产生过电压，故直流母线电压的峰值会接近于1.2 kV。在实际的系统中，需要采取发电机软启动等方法来消除这种过电压。由图6可知，在风机出力不足被切除到柴油发电机组投入使用期间，直流电压跌落到0，显然造成该孤立风电系统无法向负荷供电。因此，必须采取储能设备，维持这一切换时间内直流电压的稳定。

3.3 有储能设备仿真结果

风能不足时储能设备放电，仿真结果如图7所示。风能充足时储能装置处于满充状态，储存的电量完全满足负荷短时需求。

图7 储能设备放电对直流电压的影响

在5 s～25 s时，由于储能设备放电，系统直流电压维持稳定在0.926 kV，此时用户不受风电机组切出的影响，保证了供电的稳定性。

当风速恢复到能够使风电机组保持额定出力，或者使用柴油发电机组持续向负荷供电时，应同时向储能设备充电，以保证在系统发生短时的电压跌落时，维持电压稳定。储能装置充电过程如图8所示。

图8 储能设备充放电仿真结果

柴油发电机投行后，在26~29 s期间，储能设备从系统吸收电能。在整个充电过程中，系统直流电压略有下降，这是由于在充电时储能设备相当于一个新增负荷的缘故。

在仿真中，需要考虑直流电压控制与斩波器、逆变器之间的相互联系以及蓄电池输入和输出特性对控制器的影响。此系统最重要的目标是实现逆变器输出电压波形完整，在直流电压稳定时，采用空间矢量脉宽调制技术作为逆变器的控制电路，逆变器输出电压波形如图9所示。

图9 逆变器输出交流电压

由于逆变器输出含有高频谐波等分量，因此三相交流电压波形并不完全平滑，但对用户正常用电不构成较大影响,在实际的系统中可以采取相应的滤波措施消除谐波。

在运行中，应当根据风电机组和柴油发电机组的容量合理选择储能设备的容量以节约蓄电池购置成本和缩短充电时间，降低因充电而对系统电压造成的影响。

3.4 风机功率波动时的无储能设备仿真结果

当风速波动时，直流电压和逆变器输出三相交流电压的仿真结果如图10和图11所示。

仿真结果表明，在风速波动导致风机输出功率波动时，如果不采取任何控制措施，则会导致直流侧电压波动和逆变器输出电压的波动，不能满足供电要求。

图10 风机输出功率波动时直流侧电压

图11 风机输出功率波动时逆变器输出交流电压

3.5 风机功率波动时使用储能设备仿真结果

采用蓄电池可以在风机功率输出低于额定值时释放电能，保持直流母线电压稳定，在风机输出功率高于额定值时，通过蓄电池充电或启用卸载负荷吸收多余的电能，使直流母线的电压升幅降低。仿真结果如图12所示。

图12 风速波动时的电压和功率变化

在5~15 s时，风机输出功率持续减小，此时蓄电池向直流母线释放电能维持电压和功率稳定。在15~20 s时，风机输出功率出现剧烈变动，风机输出功率由5.5 kW增加到15 kW。

针对这种情况可以快速启用蓄电池吸或卸载负荷吸收风机发出的多余电能，无论采取何种方式，都相当于增加了系统负载，故导致直流母线电压跌落到430 V，系统向用户输出的功率减小，在增加蓄电池进行充电后，系统输出功率在极短的时间内出现大幅度波动，在15.6 s时电压波动幅度显著降低，电压幅值开始上升。

在20 s时，直流电压和输出功率恢复到正常水平。在20~30 s时，风机切出，由蓄电池维持释放电能，直流电压和功率保持稳定。

仿真结果表明，该蓄电池控制器可以在一定范围内控制蓄电池维持系统电压和功率稳定。由于小型孤立风力发电系统中蓄电池容量有限，故遇到风机输出功率因风速变化导致频繁剧烈变动时，必须切除风机，避免保蓄电池因为频繁充放电导致的使用寿命缩短。

4 结论

本文采用电压外环和电流内环的思路设计控制器，该控制器可以有效控制连接在系统直流母线上的蓄电池等储能装置，实现储能装置稳定、快速补偿孤立风/柴/储能发电系统由于风力不足而引起的电压跌落或电压波动。仿真结果表明，所设计的储能装置控制器可以满足功率为几个到几十个千瓦的小型孤立发电系统的需求。因此，基于对斩波器控制的储能装置在实际应用中具有实用性。

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