模块化多电平储能单元改善并网风电场稳定性研究

张振华，冯 涛

(1.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027;2.成都电业局，四川成都 610021)

0 引言

随着风电的大规模发展，其在电网中所占比重越来越大。由于风具有间歇性，风电机组输出稳定性差，影响电网电能质量，甚至可能危及电网的稳定运行，因此需研究风电运行特点并提高并网运行的稳定性。常见的解决方法是利用储能装置来抑制功率的波动［1－5］。超级电容由于具有大功率密度、材料无污染和循环使用等优点，成为了一种较理想的储能载体，得到广泛研究［6－8］。选择超级电容作为储能元件，将其和模块化多电平变流器相结合，作为功率调节单元，对风电机组进行功率补偿。选择模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)，是由于它模块化的设计能灵活地适应各种电压等级和容量要求，同时输出多电平能有效改善电压波形，降低谐波污染［9］。

在给出储能单元结构和风机模型后，在对变流器进行功率解耦的基础上，设计抑制风电输出功率波动和连接点电压波动的控制策略，仿真结果证明了该策略的有效性。

1 基于MMC储能单元的并网风电系统

储能单元与风电结合的系统如图1所示。

图1 储能单元连接风电系统

图2 子模块

图1中风电机组采用异步发电机组，并联电容器组是为异步电机的启动和运行提供一定的无功支撑。基于MMC和超级电容的储能单元并联接入低压母线侧。Pwind为风电系统输出功率，Pmmc为储能单元输出功率，Pgrid为电网吸收的功率。

对于风机，当设定V为风速，R为风轮半径，ρ为空气密度，β为桨距角，ω为风轮转速时，其模型按照式(1)建立［7］。

其中，叶尖速比λ=ωR/V;功率系数Cp是反映风力机效率的重要参数，它是叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数，拟合函数为式(2)、(3)所示，这里采用定桨距角风力机(β一定)。

MMC每相有上下两个桥臂，每个桥臂由多子模块级联而成。每个子模块由两个开关器件和一个电容组成，如图2所示，由于需要储能，子模块中的电容选择为超级电容。MMC每时刻每相上下同时投入模块数目之和相同，电抗 Ls是为了抑制相间环流。MMC储能单元的功率调节作用是通过对每个子模块中超级电容的充放电来完成的。当风速高的时候，对超级电容充电，将一部分能量储存在MMC储能单元中;当风速低的时候，MMC储能单元通过电容放电，释放能量，从而保证风电送入电网的功率平滑。在实际运行时，超级电容是在满足耐压时在一定范围进行充放电，既保证有功功率吞吐的能力，又能保证超级电容的安全长期运行。

2 储能单元的控制策略

储能单元能量存储在级联子模块的超级电容中，需要通过MMC变流器来进行吸收和释放这种转换，故需研究MMC变流器的模型。当取母线电压矢量为参考矢量，且d轴与它始终重合时，在图1所示参考方向时，得到dq旋转坐标系下数学模型。

式中，ud、uq为 MMC 逆变电压的 dq分量;ed、eq为电网电压的dq分量;id，iq为储能单元注入并联节点电流的dq分量;p为微分算子。

电抗L是MMC储能单元和电网交换能量的纽带，也起到滤波的作用，但同时造成了功率的耦合。为保证储能单元能够快速调节功率，利用逆系统方法，对上述系统进行解耦［10，11］。为便于描述，将上式写成状态变量表达式。

其中，取［x1，x2］=［id，iq］，［u1，u2］=［ud，uq］，［y1，y2］=［id，iq］。

式(5)表征的是一个非线性的受控对象，可以构造该对象的逆系统，通过与原系统串联将其改造为具有线性传递关系的伪线性系统，从而利用线性系统原理设计控制器。先对输出变量求取一阶导数得

式(6)中已经显含输入变量，故不需要进一步对输出变量求导，可解得逆系统模型。

对于式(7)逆系统，设定其输入变量［v1，v2］=［py1，py2］，输出变量为［u1，u2］。这样将式(7)逆系统和式(5)原系统串联，两者构成如图3所示的伪线性复合系统，使得原来耦合的系统等价为两个一阶积分的线性子系统，如图4所示。

图3 逆系统与原系统串联

图4 解耦系统

为对图4伪线性系统设计控制器，先对储能单元的控制目标进行研究。对于异步电机而言，其输出有功和吸收的无功随风速的大小波动，而无功的波动又会导致节点电压的波动，为保证风电系统输出的稳定性，储能单元需同时具有有功和无功功率的补偿能力。考虑到实际风电场风机的分散性，为便于集中控制，储能单元并联于风电场出口侧低压母线，故设定储能单元的调节目标是平滑电网吸收的有功功率和稳定风电低压母线的节点电压。图5所示为系统的控制框图。外环控制结构如图5所示，其中Vmref为电网额定相电压的幅值，它与节点电压的实际幅值作差，通过PI控制器得到内环无功电流的指令值iqref;Pref为电网吸收有功的指令值，一般选取为一定时间内预测风速的平均值对应的风电有功出力，它与Pgrid作差并通过PI控制器得到内环有功电流指令值Idref，而为提高有功控制的响应速度，在其中叠加了前馈控制环节得到的有功电流预估值。在得到idref、iqref后，对于MMC变流器而言，其控制目标是要实现上述补偿电流指令值的快速跟踪，以完成有功和无功功率的补偿，故逆系统的输入变量v1、v2应为指令值和实际值的误差，即idref－id、iqref－iq，同时为确保消除误差，引入PI控制器，故最终控制结构如图5。

图5 整体控制框图

对于MMC变流器，要求正常工作时各子模块电容电压能均衡，这里利用文献［12］的调制策略和文献［9］的均压策略。

3 算例仿真

在Matlab/Simulink中搭建仿真模型。对于风电机组，采用电容器组对其按有功功率的15%进行无功补偿。风电场采用定桨距恒速风力发电机组，将风电场内机组等值为一台额定输出功率10 MW的风电机组，输出电压为3.3 kV/50 Hz。然后通过升压变压器，经线路接入35 kV电网。对于MMC储能单元，设定每相有40个子模块，即每个桥臂有20个，每个子模块中电容可由超级电容组构成，等效电容值为2 F，耐压为500 V，设定其初始电压为350 V，工作电压范围为300～450 V。限流电抗Ls=4 mH，连接电抗Ls=5.5 mH，等效电阻 R=0.25 Ω。

仿真中取一定时间内风速信号的平均值作为风速预测值来确定储能单元有功功率的指令值，图6为5 s内风速变化情况，图7为风电场输出有功功率和电网吸收有功功率的对比，图8为加入储能单元后风电并网接入点电压波形的标幺值，图9为MMC储能单元子模块电容电压。

图6 短时间内风速变化情况

图7 储能单元对风电出力的平滑效果对比

图8 公共连接点的电压标幺值

图9 储能单元子模块的电容电压

从储能单元并接入风电后仿真波形看出，当风速变化时，风电机组输出的有功功率也会跟随风速波动，但由于系统惯性的影响，有功功率的变化稍滞后于风速的变化;同时由风机模型知有功功率与风速的三次方成正比，当风速在不大的范围变化时，有功功率的波动会较大，图示在6 MW到10 MW之间，而这时根据预测风速平均值设定的有功功率指令值为7 MW，故要求储能单元具有足够的功率吞吐容量;而风速波动的随机性要求储能单元能够快速地进行有功调节。图示电网吸收有功功率能稳定在设定值7 MW，表明储能单元具有快速平滑风电输出的能力。在储能单元调节有功功率时，各子模块超级电容电压在充放电过程中也能保持均衡。图示风电接入点电压标幺值能稳定在1附近，说明储能单元也具有快速的无功补偿能力，能满足有功功率波动时对无功功率的需求。储能单元可以实现有功和无功的快速综合补偿，从而大大降低风速波动对电网稳定性的冲击，也有利于风电机组自身的平稳运行。

4 结论

对于采用异步电机的风电系统，在风速变化时，其输出有功功率会波动，导致吸收的无功功率发生变化，连接点的电压也随之改变，故储能单元需要具有有功和无功的综合补偿能力。超级电容具有大功率密度，能够循环使用，故成为一种合适的储能载体，而MMC作为一种模块化级联拓扑，其多电平电压输出不会对电网电能质量造成影响，将两者结合作为储能单元，仿真表明，其对风电系统具有灵活快速的功率调节能力，能平滑风电机组有功输出，稳定接入点交流电压，较大幅度提高了风电场并网运行稳定性。

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