基于双向直流变换器与储能系统的直驱式风机能量输出控制

龙　航，郝正航，张宏俊，余永元

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)



基于双向直流变换器与储能系统的直驱式风机能量输出控制

龙航，郝正航*，张宏俊，余永元

(贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025)

本文提出一种包含储能单元的永磁直驱风力发电系统，通过对储能系统的控制实现对风机输出能量的控制，减小风机出力波动对于电网的影响。风机通过一个全功率背靠背变流器连接至电网，储能系统和双向DC-DC变换器通过背靠背的直流母线接入系统。背靠背变流器机侧使用最大功率追踪控制(MPPT)，实现对风能的最大捕捉。储能单元通过检测风机的功率输出来进行充放电控制。基于Matlab/Simulink搭建了系统仿真模型，结果表明提出的系统的结构及控制策略可以有效地抑制风机的能量波动。

DC-DC变换器；直驱风机；能量控制

世界范围内的化石能源正日渐稀缺，各国都开始将其作为战略储备。当下，以风能、太阳能为代表的新能源正得到重视。其中风能由于其相对集中性及相关设备制造过程的环保性，更是在近年来高速发展[1-3]。

但是风能的缺点同样具有代表性：能量密度低，随机性大。风速的波动符合Weibull分布，具有很强的随机性[4]。而风机输出的能量与风速的三次方成正比，因而风速的微小变动也会导致风机捕获能量的极大波动。当风速超过额定风速时，可以通过主动桨叶失速控制等方式降低风轮捕捉效率，控制桨叶转速，进而控制风机能量输出[5-8]。但是这种控制方式一方面需要对风轮进行特殊设计，增加系统复杂度；另一方面，超额部分风能无法捕捉，影响对于风力资源的利用。而且此类系统在风速低于额定值时无法填补能量缺额。在低渗透率的情况下，可依靠电网自身容量维持稳定运行。但当风力发电大规模接入电网时，长时间、大幅度的风速过低情况势必会打破整个电力系统能量平衡，影响电网运行[9-10]。因此，开发平抑风力发电出力波动的系统结构以及相关控制策略，对于更加高效、稳定、可靠地利用风电就显得尤为重要。

本文提出一种包含储能单元的永磁直驱风力发电系统，通过对储能系统的控制实现对风机输出能量的控制，减小风机出力波动对于电网的影响。风机通过一个全功率背靠背变流器连接至电网，双向DC-DC变换器通过背靠背的直流母线接入系统。背靠背变流器机侧使用最大功率追踪控制(MPPT)，实现对风能的最大捕捉。储能单元通过检测风机的功率输出来进行充放电控制。仿真结果表明，提出的系统的结构及控制策略可以有效地抑制风机的能量波动。

1　系统结构与控制策略

1.1系统结构

图1为包含储能单元的直驱风能发电系统结构图。系统中包括直驱风力发电系统、背靠背变流器，以及由双向DC-DC变换器和储能系统组成的储能单元。永磁直驱风机通过一个全功率背靠背变流器连接至电网，而储能装置则通过一个双向DC-DC变换器连接至背靠背变流器的直流母线上[11]。

图1　包含储能单元的直驱风能发电系统结构图

1.2系统模型

风机的风能转换模型由下式表示：

(1)

式中：Tm为风力机的机械转矩，ρ为空气密度，R为风轮叶片半径，vw为风速，λ为风机叶尖速比；Cp为风能捕获系数，其表达式为

(2)

其中

(3)

永磁同步发电机的参考方向采用电动机惯例，q轴方向和发电机转子磁链方向一致，此时，ψds=0，ψqs=ψf，其数学模型如下：

(4)

(5)

Te=1.5p[(Ld-Lq)idsiqs+ψfiqs]

(6)

Ps=-Teω

(7)

其中：ω为风轮机机械转速，uds、ids、uqs、iqs分别为发电机d轴和q轴的电压、电流分量，ωe为发电机的电气转速，Ld、Lq、Rs分别为永磁发电机的直轴和交轴电感、定子电阻，ψf为永磁磁链，Ps为发电机发出功率[12]。

1.3变流器控制策略

背靠背变换器机侧变流器控制策略如图2所示。风机输出功率经电压、电流检测及计算后输出入到MPPT最大功率追踪模块，通过与id、iq参考值比较，经过PI调节生成ud、uq参考值，经过SPWM模块生成PWM脉冲，驱动机侧变流器。

图2　背靠背变换器机侧变流器控制策略

图3　双向DC-DC拓扑图

1.4双向DC-DC变换器结构

本文采用的双向DC-DC变换器拓扑结构，由单向cuk变换电路演化而来，如图3 所示[13]。

根据直流变换电路相关特性可知，其中触发开关1接受占空比α>50%的触发信号时，能量流向为电源1流向电源2；触发开关2接受同样触发信号时，能量流向为电源2流向电源1。

图4为DC-DC控制流程图。控制系统检测永磁直驱风机的功率输出，当输出大于额定值时，则向DC-DC变换器发出充电信号，驱动充电IGBT，变换器能量流动为储能装置至直流母线，储能装置储量上升，此时系统工作于状态1。当风机输出小于额定值时，控制系统向DC-DC变换器发出放电信号，驱动放电IGBT，变换器能量流动为直流母线至储能装置，储能装置储量下降。两种工作状态中系统能量流如图5所示。

图4　DC-DC控制流程图

图5　双向DC-DC变换器不同工作模式下系统能量流动示意

2　仿真分析

本文基于Matlab/Simulink搭建上述系统仿真模型，进行离线仿真实验，仿真步长100 μs，仿真时间10 s。初始风速8 m/s，t=5时风速突变至11 m/s。

风机独立运行时输出能量及向电网输送能量如图6所示。从图中可以看出当直驱风机独立运行时，风速突变前后风机输出能量波动及对电网输出能量波动超过600 kW。

图6　风机独立运行时，风速突变前后风机输出能量波动及对电网输出能量波动

接入储能单元后风机输出能量及向电网输送能量如图7所示。储能单元荷电状态及功率如图8所示。从图中可以看出，风速突变前后风机输出能量波动超过600 kW，而系统对电网输出波动仅为不到150 kW，较之风机独立运行时的波动大幅减少。由图8可以看出，此效果由对储能系统的充放电控制实现，证明本文所述系统能够有效减少风速波动情况下风机输出能量波动对于电网的影响。

图7　接入储能时，风速突变前后风机输出能量波动及对电网输出能量波动

图8　储能容量状态及功率

3　结论

本文提出一种包含储能单元的永磁直驱风力发电系统，通过对储能系统的控制实现对风机能量输出的控制。系统中直驱风机通过一个全功率背靠背变流器连接至电网，储能单元通过双向DC-DC变换器连接至背靠背的直流母线。通过检测风机的能量输出控制双向DC-DC变换器的工作模式，以控制背靠背变流器网侧输出功率。仿真结果证明该套系统结构可行，相关控制策略能够有效降低风速变化造成的风机能量输出波动。

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(责任编辑：周晓南)

Energy Output Control for PMSG Based on Bi-direction DC-DC Converter and ESS

LONG Hang, HAO Zhenghang*, ZHANG Hongjun, YU Yongyuan

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

A PMSG wind power generation system including an energy storage system (ESS) was proposed, with the energy output of PMSG controlled through the control of ESS to decrease the influence of wind power output fluctuation to the grid. The PMSG was connected to the grid through a full-power back-to-back converter. ESS and the bi-direction DC-DC converter was connected to the system through the DC bus of the back-to-back converter. A MPPT control strategy was deployed to the motor-side converter of the back-to-back converter to achieve a maximum capture of wind energy. ESS was controlled through the measurement of the energy output of PMSG. A simulation based on Matlab/Simulink was carried and the results show the effectiveness of the proposed system and control strategy can suppress the energy fluctuation of PMSG.

DC-DC converter; PMSG; energy control

A

1000-5269(2016)03-0064-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.03.16

2016-01-11

国家自然科学基金项目资助(51467003)

龙航(1987-)，男，在读硕士，研究方向：电能质量控制与功率变换技术，Email: windcrazier1942@qq.com.

郝正航，Email：haozhenghang@163.com.

TM614