风储微电网运行控制研究

贺　军，　张俊洪

(海军工程大学，电气工程学院，湖北 武汉　430033)



风储微电网运行控制研究

贺军，张俊洪

(海军工程大学，电气工程学院，湖北 武汉430033)

摘要：随着能源与环境问题日益凸显，可再生能源受到关注。在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了风储微电网三相交流系统模型，重点分析永磁直驱风电控制策略、微电网控制策略以及在可再生微电源实行最大能量捕捉情况下微电网如何维持稳定运行。并网运行时微电网控制联络线功率，大电网为微电网提供频压支撑；孤岛运行时微电网以主从控制模式运行，采用恒频恒压控制。在考虑风速、负载变化情况下，仿真表明微电网模型满足功率平衡和电压、频率的运行要求。仿真结果验证了模型和控制策略的可行性与正确性。

关键词：风力发电； 永磁同步发电机组； 储能电池； 微电网； 最大功率跟踪； 动态仿真

0引言

分布式电源发电灵活，与环境友好，其主要包括风力发电、太阳能发电、燃料电池、小型水利电力等。为了提高分布式能源的不足，发挥分布式发电的优势，进而形成了微电网概念。微电网将分布式发电、负载、储能装置，连在一起形成一个可控电源供应系统，既可以并网运行亦可独立运行。文献[1]介绍了微电网研究的最新进展并结合中国未来智能电网建设对未来微电网发展进行展望。文献[2]运用MATLAB/Simulink建立了D-PMSG仿真模型,发电机转速控制策略中采用dq同步旋转坐标下的矢量控制方法,用d轴电流控制无功功率,用q轴电流控制转速,实现了机组的解耦控制,对风速阶跃变化时机组运行情况进行了仿真。文献[3]通过MATLAB/Simulink建立各种微电源模型，对严重故障情况下微电网自愈和维持电能质量能力进行了模拟试验。文献[4]重点考虑到风光互补系统与大电网互联运行。文献[6]通过算例仿真对不同分布式电源在低电压微电网中，从联网模式到孤立运行的动态特性进行了研究。文献[9]以直驱型同步风电机组为研究对象，建立了机组各个组成部分的数学模型。在此基础上利用MATLAB/Simulink搭建了基于全功率变流器的并网直驱型同步风电机组的仿真模型，研究了使机组运行在最优功率状态下的综合控制策略。本文将建立完整的风储混合微电源系统模型，包括风力机模型、发电机模型、最大功率跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)控制策略、储能控制策略、微电网控制策略、系统考虑储能电池的充放电过程、捕捉最大新能源功率的过程、反映微电网不同条件下的真实运行状况。

1永磁直驱风力发电机结构及控制

由风力机的空气动力学特性知道风力机的机械输出功率为

(1)

式中：ρ——空气密度；

r——风轮半径；

V——风速；

Cp——λ和θ的函数；

λ——叶尖速比，λ=ωrR/V；

θ——桨距角。

贝茨理论证明风能利用系数上限为0.593。在桨距角不变的情况下，只要根据电机转速，保证最优叶尖速比保持不变。本文取λopt=8.1，可维持Cp=CPmax，在风机转速满足最佳叶尖速比情况下获得最大风能。

1.1永磁同步发电机及变流器控制模型

本文中永磁同步发电机(Permanent Magnetic Synchronous Generator, PMSG)的模型在同步旋转坐标下的电压方程为

(2)

磁链方程为

(3)

转矩方程为

Te=1.5np[ψfisq+(Ld-Lq)isqisd]

(4)

式中： usd、usq——电机d、q轴输出电压；

isd、isq——d、q轴电枢电流；

Ld、Lq——定子绕组d、q轴电感；

ψsd、ψsq——d、q轴磁链；

ωe——电角频率；

ψf——永磁体磁链。

1.2电机侧整流器矢量控制

电机侧整流器的目标主要是实现追踪最大功率以及控制d轴电流为零。在本文中以控制发电机转速实现对最大功率的追踪，控制回路由双闭环回路构成，外环为发电机转速控制，内环为电流控制，如图1所示。因d轴电流分量与无功功率相关，设d轴电流参考值Idref为零；q轴电流分量与转矩相关，可通过控制q轴的速度获得q轴电流参考值Iqref。发电机侧三相电流在dq轴同步旋转坐标下进行变换得到dq轴的电流分量，电流分量分别与Idref及Iqref作比较，然后通过PI控制器调节和坐标逆变换得到调制信号输入值。由式(2)可知，dq轴之间存在耦合项，通过前馈补偿的方法可消除二者之间的耦合，前馈电压交叉项为ωeψsq和ωeψsd，即可实现电流的解耦，最终实现整流器的控制，得出输出信号usdusq，经过坐标反变换和PWM环节，使整流器按功率给定值输出功率。

图1　电机侧整流器控制框图

1.3网侧逆变器矢量控制

网侧逆变器的首要任务是维持直流母线电压恒定，控制直流侧的有功功率Pe与网侧PWM逆变器并入电网的有功功率Pg平衡。当Pg

图2　网侧逆变器控制框图

2储能电源控制原理

本文储能系统利用的是Simulink已有铅酸储能电池，经DC/DC,DC/AC功率变换器模块接入微电网构成风/储混合微电网的储能系统。微电网独立运行时逆变使用U/f控制，通过母线电压和频率的反馈，调整有功和无功补偿。并网运行时逆变单元采用P/Q控制，根据调度指令补偿联络线功率。如图3所示，双向DC/DC变换器的控制目标是始终保持直流侧电容电压恒定和蓄电池充放电控制。在蓄电池充电或放电过程中，直流侧电容电压保持在设定值处，减小输出电压频率和幅值波动。当直流侧电容电压升高至Udcref时，PWM输出开关脉冲控制开关管S1通断，使DC/DC变换器工作于Buck模式，蓄电池转入充电状态以吸收电能；当并网变流器工作于逆变状态时，即储能系统输出功率，直流侧电容电压Udc降低，PWM输出的开关脉冲控制开关管S2通断，DC/DC变换器工作于boost模式，蓄电池放电。

图3　储能系统控制框图

2.1独立运行储能逆变器U/f控制策略

如图4所示，U/f采用电容电流内环、电压外环控制方案，电容电流内环与电感电流内环相比，外特性更强，本文采用电容电流内环。基于电压和电流双环控制策略，电压外环需要采集负载侧电压，经过坐标变换得到Ud、Uq，与给定标准电压分别作差，经PI补偿环节得到电流内环给定值。采集滤波电容电流，经坐标变换与电流给定值作差，再经过补偿环节得到电压参考值。其解耦原理与前面所述原理相似，此处不再赘述。经过坐标反变换与调制环节输出指定电压幅值与频率。

图4　U/f控制框图

2.2并网运行储能逆变器P/Q控制策略

如图5所示，控制策略采用功率外环与电流内环双环控制策略，需要采集电网电压与电网电流，经过P/Q计算模块得到功率实测值，与给定值分别经PI调节得到电流内环给定值，再分别与采集电流值作差经过PI调节和前馈解耦环节，得到电压参考值。

图5　P/Q控制框图

3风/储混合微电网的仿真分析

本文利用MATLAB/Simulink仿真软件，建立了直驱型永磁同步发电机组的仿真模型，具体参数如下： 额定风速11m/s，风轮半径11m，额定功率150kW，定子电阻0.01Ω，电感0.395mH，机组转动惯量350kg/m2,极对数32，永磁体磁链1.67Wb。储能电池电压100V,容量1000Ah。并网逆变器及DC/AC、DC/DC模块参数分别如表1、表2所示。

表1　并网逆变器参数

表2　AC/DC与DC/DC模块参数

3.1风/储混合微电网并网仿真分析

仿真2.5s时风速由11m/s变为为10m/s，3.5s时风速由10m/s变为9m/s，电机侧变流器根据风速变化调节发电机转速，发电机电磁转矩也跟随变化，风能利用系数曲线保持在最大值上，实现了最大功率点的跟踪，由图6可知发电机功率输出与转速具有良好的动态响应特性，此时风电机组功率运行在最大值。

图6　永磁直驱风力发电机组运行参数

微电网并网运行时，微电网管理器发出调度指令，微电网向配电网提供53kW功率。由图7可知2s 时负载由80kW增加20kW，储能电池实行P/Q控制，根据联络线功率缺额向微电网持续输出恒定功率。整个仿真时段储能系统输出功率随着风力输出功率变化和负荷投切而波动，补偿了微电网内的功率差额，使得PCC处的交换功率能基本维持在设定值处，减小对电网的影响。微电源输出大于负荷需求，微电网向配电网送出电能。

图7　微电网并网运行情况

3.2风/储混合微电网独立运行仿真分析

微电网独立运行时微电源给负载供电，为了维持系统运行稳定，微电网采取U/f控制模式。如图8所示，在微电源和负荷功率发生变化时，主电源相应变化确保负荷的电能质量。风速3s时由9m/s降为8m/s,功率输出变化明显，由100kW降为80kW，系统能实时追踪风速变化。当风速、负载变化时，储能系统作为主控单元通过平衡功率输出保持电压和频率在正常范围内波动，系统在独立运行阶段维持电压和频率稳定，即使风电和负载的功率波动，储能系统可以快速消除微电网内部功率失衡，避免电压和频率的大幅波动。

图8　微电网孤网运行情况

4结语

本文根据风/储混合微电网特性构建了风/储微电网三相交流系统模型。该模型中，风力发电机组采用了MPPT控制策略，能追踪风速实时变化，实现最大功率的输出。重点分析了风/储微电网在不同运行方式下的控制策略，以及实行最大能量捕捉情况下如何维持稳定运行。微电网采取恒功率控制与恒频恒压控制，并网运行时有效与大电网交换功率，孤岛运行时满足功率平衡和电压、频率的运行要求。结果显示微电网运行过程中控制有效，系统运行稳定可靠。

【参 考 文 献】

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[3]王凌，李培强，李欣然．微电源建模及其在微电网仿真中的应用[J]．电力系统及其自动化学报，2010,22(3)： 32-38．

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Operation Control Study of Wind-Battery Micro-Grid

HEJun,ZHANGJunhong

(College Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：As the energy and environmental problems become serious renewable energy has received much attention. In this thesis a AC wind/storage hybrid micro-grid model was simulated, to analyzed control strategy of a direct driven permanent magnet synchronous generators and micro-grid and how micro-grid operated stably when taking obtain maximum utilization of renewable energy into consideration. In the process of grid-connected operation, the grid controlled the power of tie line and provide reference voltage and frequency. Under islanding mode micro-grid took master slave control mode, where the battery was the main control unit using U/f control mode. Taking the variable wind speed into consideration, simulation showed that the micro-grid operation in islanded mode and the switching progress met the power balance and standard of voltage and frequency. the results of simulation verified the feasibility of this proposed model and control strategy.

Key words：wind power system；permanent megnetic synchronous generator (PMSG)； storage battery； AC micro-grid； maximum power point tracking； dynamic simulation

收稿日期：2015-07-02

中图分类号：TM 301.2

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2015)12- 0050- 05

通讯作者：贺军