含蓄电池储能的永磁直驱风力发电系统并网研究

徐小三，张明

(上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240)

0 引言

随着常规能源短缺以及生态环境污染的日益严重，风能作为一种清洁可再生能源，越来越受到各国的青睐。但是风速具有波动性、随机性及不确定性等特点，而发电机输出功率和风速密切相关，将会导致发电机输出功率的波动比较大，给大规模的风电并网带来诸多挑战。为了改善风电并网中电能的质量，希望风电机组在风速波动的情况下也能产生比较平滑的有功功率输出［1］。利用蓄电池储能系统功率双向流动的特点，通过储能系统的控制对风电输出功率进行部分“削峰填谷”，将极大地改善风电的并网特性，提高风电供电的可靠性［2］。

目前国内外已有不少文献针对风电储能并网的研究。文献［3］采用飞轮储能系统控制风功率波动，飞轮储能具有充放电速度快、使用寿命长、无污染等特点，但是它的难点主要在于转子强度的设计、安全保护等方面。文献［4］提出利用超导储能单元使风力发电机输出的电压和频率稳定，但是目前超导储能系统的投资运营成本太高。文献［5］采用超级电容器的储能方式，提出新的控制策略，通过仿真验证其正确性。

蓄电池因具有寿命长、材料低廉、快速响应、更换和维护费用低、额定功率和额定容量独立、在室温下运行等优良特性，适合大规模电力储能，是当前市场上应用最为广泛的储能系统。因此研究含蓄电池储能的风电系统具有现实的意义［6-8］。

本文在直驱永磁风力发电系统的基础上针对直流侧增加蓄电池储能装置，设计了电池侧双向DC/DC变换器的控制策略，详细分析了当风速变化，输出功率指令恒定时，储能系统平抑风功率波动和风速不变，电网侧需求功率变化时系统的动态响应过程，并通过仿真验证系统模型以及控制策略的正确性。

1 含蓄电池储能的永磁直驱风电系统的模型

含蓄电池储能的永磁直驱风力发电系统是在双PWM变换器的直流侧引入蓄电池储能装置，蓄电池通过双向DC/DC变换器与电网相连，如图1所示。通过协调控制三个PWM，可以有效地提高电能质量。

1.1 风机模型

风力机从风中所捕获的功率Pw可表示为:

其中ρ为空气密度，A为风轮扫过的面积，V代表风速，Cp表示风轮利用系数，它是桨距角β和叶尖速比λ的函数，其中λ=ωR/V，ω为机械角速度，R为风轮半径。

图1 含蓄电池储能的同步永磁直驱风力发电系统

1.2 永磁同步发电机模型

在转子磁场定向方式下，永磁同步电机在dq同步旋转轴下的数学模型可表示为:

其中Rs表示定子电阻;Ld、Lq分别表示定子dq轴电感，且Ld=Lq;isd、isq、usd、usq分别表示定子 dq轴电流和电压;ps表示电机极对数;ωs表示电机机械转速;ψs表示转子永磁体磁链。

1.3 电网侧模型

选取两相同步旋转dq坐标系中的d轴作为电网侧电压空间矢量方向，q轴超前d轴90度，网测变换器的数学模型为:

式中Rg、Lg分别表示进线电抗器电阻和电感;ωg表示电网同步电角速度;igd、igq、ud、uq分别表示网侧dq轴电流和控制电压分量;ugd为电网电压d轴分量。

2 含蓄电池储能的风电系统的有功功率平滑的控制策略

2.1 电机侧控制策略

对发电机侧变换器控制的主要目标是在整个系统安全运行的情况下，最大可能地吸收风能。当风速小于额定风速时，发电机的转子转速在额定转速以下，风机的桨距角保持为0°，此时保持最佳叶尖速比运行，风能利用率达到最大。当风速大于额定风速时，此时发电机的转速将超过额定转速，采用变桨距控制，减少风能的吸收，使发电机在额定功率运行。

发电机侧采取的控制策略如图2所示。首先通过光电编码器得到风电机的转速，根据风机的最优功率曲线得到相对应的发电机输出参考功率Popt与电网侧有功功率Pg构成外环，经过PI调节器得到q轴分量给定值，通过功率、电流双闭环来调节发电机输出功率。

2.2 电网侧控制策略

电网侧控制策略的主要目标是维持直流母线电压恒定和电网无功功率可调。

网测变换器的有功功率和无功功率分别为:

图2 机侧变流器控制策略

由式(6)、(7)知，在电网电压定向情况下，通过控制网测电流dq轴分量，就可以独立控制P和Q。采用电压外环和电流内环双闭环控制，来达到维持直流侧电压恒定，从而使风机发出的有功功率全部流入电网;通过控制q轴分量igq可以控制输送到电网无功的大小。网测变流器控制框图如图3所示。

图3 网侧变流器控制策略

2.3 储能侧控制策略

图4 为直流侧双向DC/DC变换器控制框图。图中Pagc是电网需求的AGC指令功率，Pg是实际输入到电网中的功率，Pref为蓄电池充电功率参考值，Pbat为蓄电池实际功率，I*b为蓄电池充电电流参考值，Ib为蓄电池实际充电电流，当Ib＞0表示电池充电，反之表示电池放电。

图4 直流侧双向DC/DC变换器控制框图

蓄电池采用双向DC/DC充放电控制，控制策略采用功率外环和电流内环双闭环，当输入到电网的实际功率Pg和电网需求指令Pagc存在偏差时，经过滞环模块进行偏差判断，并由PI调节得到蓄电池充电时充电功率给定值Pref(功率外环)，当蓄电池可用容量在15%-90%之间时，电池容量充足，允许蓄电池工作，令=Pref，反之不允许其工作令=0。当满足工作条件后，计算Pref与蓄电池实际功率Pbat的差值，通过PI调节形成蓄电池充电电流的参考值(电流内环)，再通过PI调节器产生导通占空比D，触发双向DC/DC变换器的开关器件，对电池进行充放电。

3 含蓄电池储能的直驱永磁风电系统仿真

为了验证所提控制策略的正确性，在MATLAB/Simulink中搭建系统模型并进行仿真。

仿真参数如下:(1)模拟风力机:空气密度1.225 kg/m3;风轮半径40 m，桨距角0°;(2)永磁同步发电机:定子电感 0.47 mH，定子电阻0.019 Ω，极对数1;(3)网测:电网线电压 575 V，滤波电感2.6 mH;(4)直流侧:电容 9 000 μF，直流侧设定电压1 100 V，双向 DC/DC 换流器电感0.5 mH，滤波电容760 μF。(5)蓄电池参数:额定电压800 V，额定容量2 MAh，初始容量50%。

本文将功率值标幺化(pu)，标幺化的功率基值取发电机额定功率。

当风速按阶跃变化时(0.1 s由 10 m/s降到5 m/s，在 0.4 s 由 5 m/s上升到15 m/s)，电网的需求功率恒定不变时，对系统进行仿真。系统仿真波形图如图5所示，包括风速变化波形、发电机输出功率Ps、电网需求功率指令Pagc、电网侧实际输出功率Pg及电池充放电功率Pb波形。

从图5可以看出，当风速在不断变化时，风电机输出功率会相应地波动，当风电机输出功率小于电网需求指令功率时，蓄电池能够快速放电;当风电机输出功率大于电网需求指令功率时，蓄电池能够快速充电，使电网侧实际输出功率很好地跟踪功率指令，达到较好的平抑效果。

当风速恒定为15 m/s，电网需求功率为阶跃波形时(在t=0.16 s从0.6 变为0.4，0.6 s时从 0.4 变为 0.5)，对系统进行了仿真。系统仿真波形图如图6所示，包括风速波形、发电机输出功率Ps、输出功率指令Pagc、电网实际输出功率Pg及蓄电池充放电功率Pb波形。

图5 风速变化时系统仿真波形图

从图6可以看出，当风速保持恒定，网测需求功率变化时，由于输出功率指令始终小于发电机发出功率，电池一直在充电。当指令功率下降时，电池吸收的功率增加;当指令功率上升时，指令吸收的功率减少。由于蓄电池良好的响应特性，能够很好的跟踪功率指令，可以对电网实现削峰填谷。

图6 电网侧需求功率变化时系统仿真波形图

4 结束语

本文在分析传统直驱永磁风力发电系统的基础上，在直流侧加入蓄电池储能系统，通过对储能系统的控制来调节发电机输送到电网的功率。当风速变化时，蓄电池储能环节能够平滑风电机输出功率波动;当风速不变时，蓄电池储能环节能够平衡电网需求功率。仿真证明，加入储能系统之后可以有效地改善永磁直驱风力发电系统并网特性。

［1］熊倩，廖勇，姚骏.含飞轮储能单元的直驱永磁风力发电系统有功功率平滑控制［J］.电力自动化设备，2013，33(5):97-105.

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