带储能的双馈风力发电系统控制策略探讨

2016-08-11杨镱

大科技 2016年5期

关键词：双馈风力蓄电池

杨镱

（大唐汝城新能源有限公司湖南郴州 424100）

带储能的双馈风力发电系统控制策略探讨

杨镱

（大唐汝城新能源有限公司湖南郴州 424100）

由于风能具有不确定性和间歇性，就可能发生风力发电功率和负载所需功率之间的供需不平衡，这样风力发电系统的输出电压和频率（负载的电压和频率）就会超出规定的范围，无法满足用电设备对电能的要求，使风力发电系统不能在独立时正常工作。因此，加强带储能的双馈风力发电系统控制策略研究具有重要意义。

带储能；双馈风力；发电；系统控制

1 引言

通常，双馈风力发电系统并网运行时转子侧变换器采用功率外环、电流内环的控制策略，控制向电网输送的功率，而独立运行时则采用电压外环、电流内环的控制策略保证负载电压的幅值和频率满足负载要求。双馈风力发电系统变换运行模式就需要切换系统的控制策略，可是切换控制过程需要检测孤岛和检测时间等问题，这就给风力发电系统的稳定运行带来影响。

2 双馈风力发电系统的基本理论

2.1 双馈风力发电系统原理与运行状态分析

双馈感应电机又称为交流励磁电机，其凭借着优秀的电气性能已经广泛的应用在双馈式变速恒频风力发电系统中，如图1所示。双馈发电机定、转子分别分布着三相分布式绕组，从结构上和绕线式异步电机类似，在正常工作情况下，定子绕组直接接到电网，转子绕组通过励磁系统提供一个幅值、频率、相位都可调的三相变频电源供电。由于双馈感应发电机可以调节的变量有三个，当风速变化时，通过改变转子励磁电流频率实现系统变速恒频运行，通过改变转子励磁电流的相位来调节发电机的有功功率，通过改变励磁电流的幅值来调节发电机的无功功率。

图1 双馈式变速恒频风力发电系统结构示意图

根据电机的基本原理可知，在空间上电机的定子和转子的旋转磁场是相对静止的，所以不难得出双馈电机定子的频率、转子频率和电机转速之间的关系：

式中：f1-电机定子的电流频率；f2-电机转子的励磁电流频率；p-电机的极对数；nr-电机的旋转转速；

从上式可以看出，当双馈电机随风力机旋转时，电机转速nr就会变化并且电机极对数p不变，那么只要控制电机转子的励磁电流频率。f2使两者之和保持不变，这就保证了双馈电机定子的电流频率不变，这就是双馈式变速恒频的运行原理。

双馈感应电机转子励磁的电路为交—直—交变频具有双向功率流动性电路，正是如此，双馈感应发电机可以运行在不同情况，按双馈感应发电机转子转速来区分，可以分为以下三种状态：

（1）亚同步运行状态双馈感应发电机转子转速小于同步转速，f2＞0，转子上励磁电流产生的旋转磁场的旋转方向与转子实际的旋转方向相同，发电机转子通过励磁变换器从电网吸收转差功率。

（2）超同步运行状态双馈感应发电机转子转速大于同步转速，f2＜0，转子上励磁电流产生的旋转磁场的旋转方向与转子实际的旋转方向相反，发电机转子通过励磁变换器向电网输出转差功率。

（3）同步运行状态双馈感应发电机转子转速等于同步转速，f2=0，转子与电网之间没有能量交换，励磁变换器向转子提供直流励磁，此时双馈感应发电机相当于同步发电机。

2.2 双馈发电机数学模型

2.2.1 双馈发电机三相静止坐标系下数学模型

双馈风力发电机定子和转子一般为三相绕组，为了分析和建模的方便，通常作如下假设：

（1）假设双馈风力发电机为一台极对数为1且忽略阻尼绕组的绕线式异步电机；

（2）假设电机定、转子三相绕组对称，在空间上相差120°电角度，气隙磁场在整个圆周内按标准正弦分布；

（3）不考虑磁路的非线性饱和，认为各相绕组的自感和互感值都是恒定不变的；

（4）忽略磁滞损耗、涡流损耗等铁心损耗；

（5）不考虑环境温度、电压和电流频率的变化对电机参数的影响。

为了建立双馈发电机的基本方程，规定电机定子侧电压和电流以从电机流出的方向为正方向，并且负方向的电流产生正的磁链，电机转子侧电压和电流以流入电机的方向为正方向，并且正方向的电流产生正的磁链。电机定、转子的绕组接法都是星形连接，并且设定子侧各相绕组的电阻都相等，转子侧各相绕组的电阻都相等。图2所示为双馈发电机的物理模型。定子轴as、bs、cs在空间上固定，并且以as轴为参考坐标轴，转子轴ar、br、cr随着转子的旋转而旋转，转子ar轴和定子as轴之间的夹角为电角度θr。

图2 双馈感应发电机的物理模型图

2.2.2 双馈发电机两相旋转坐标系下数学模型

在三相静止坐标系中，由于双馈电机转子的旋转运动使双馈发电机的数学模型是一组非线性、时变系数的微分方程组，通常采用坐标变换技术进行简化。

坐标变换通常分为“等量”坐标变换和“等功”坐标变换，本文采用坐标变换前后功率不变的“等功”坐标变换。通过变换矩阵C3s/2s（三相静止/两相静止）和C2s/2r（两相静止/两相旋转）把定、转子的电气量变换到以同步角速度ω1旋转的dq坐标系上。

3 基于储能装置的双馈风力发电系统控制策略

3.1 蓄电池储能装置理论研究

3.1.1 蓄电池工作原理

电池装置作为一种常用的储能装置广泛地应用在各个领域，电池储能装置通常分为铅酸蓄电池、钠硫电池和锂离子电池等几种常见的电池装置。铅酸蓄电池凭借着端电压波动较小、自放电的概率较低、在高低温下工作性能优越、化学能转换成电能效率高、循环使用电池正常工作时间较长、原料价格较低和生产技术成熟等诸多优点成为风力发电系统中储能装置的首选。

风力发电系统中通常采用阀控式铅酸蓄电池作为储能装置，蓄电池储能装置分为充电过程和放电过程，且充放电过程发生的化学反应是相反的过程。在蓄电池放电过程中，正极上的二氧化铅（pbO2）和负极上的铅（Pb）都与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应生成硫酸铅（PbSO4），并且分别附着在正、负电极上，这样电解液中的硫酸就会随着化学反应逐渐减少并且密度下降，蓄电池充电过程与上述过程相反。

3.1.2 蓄电池储能装置模型

蓄电池模型分为多种，最简单的就是蓄电池的理想模型。理想模型用直流电源模拟蓄电池开路电压和等效内阻组成，把两部分串联就组成了蓄电池的理想模型，其中，Vdc为蓄电池开路电压，Rin为蓄电池等效内阻，V0为蓄电池端电压，Ic为蓄电池充电电流，其中各量关系为V0=Vdc-Ri－n×Ic。

从式中，可以看出蓄电池等效内阻的阻值是不变的，该模型没有考虑蓄电池荷电容量或者电解液浓度等对蓄电池内阻的影响，该模型应用价值不高。

3.2 基于储能装置的双馈风力发电系统仿真分析

3.2.1 系统并网和独立运行仿真分析

基于对带储能装置的双馈风力发电系统的理论分析，用MATLAB/simulink系统仿真软件搭建了带储能装置的双馈风力发电系统并进行了仿真分析，风速在0～1s时为6m/s，在1～2.5s时为9m/s，基于储能装置的双馈风力发电系统在0～1.5s时为并网运行，在1.5～2.5s时为独立运行，并且在2s时突变负载。当双馈电机定子侧有功功率的随着风速在1s时突增时，由于双馈风力发电系统定子侧电压保持恒定，所以定子侧电流就随着功率的增加而增加，频率不变。而当定子输出有功功率增加，转子侧励磁电流即会随之增加，由于风速增加，双馈发电机转速也随之增加，定子频率不变，转子电流频率就会减小，所以转子电流为幅值增加，频率减小。

当双馈发电机定子侧电压在1.4～1.6s的波形时，在1.4～1.5s时双馈风力发电系统处于并网运行状态，定子侧电压即为电网电压，在1.5s时双馈风力发电系统从并网状态变为独立运行状态，独立运行时的定子侧电压即为负载上所加电压，经研究可知，电压的峰值保持在311V并且平稳没有波动，电压的频率也保持在50Hz，所以基于储能装置的双馈风力发电系统可以工作在并网状态和独立运行状态。

由蓄电池储能系统电流电流波形可知，蓄电池储能装置以充电电流为正方向。在0～1.5s时，双馈风力发电系统处于并网运行状态，蓄电池充、放电情况需要根据蓄电池容量和端电压的情况而定，本仿真蓄电池并网时处于放电状态，在1.5～2s时，双馈风力发电系统处于独立运行状态，所带负载为20Ω，双馈发电机输出功率不足以满足负载需求，蓄电池蓄能状态通过负载侧变换器逆变向负载提供功率，在2～2.5s时，所带负载突变为40Ω，负载电压保持不变，所需电流减小，可以从图中看出蓄电池储能装置发电电流也随之减小。

3.2.2 系统独立运行时无风仿真分析

基于储能装置的双馈风力发电系统在无风情况下也可以独立运行一段时间，本文使用MATLAB/simulink搭建了系统模型并进行了仿真分析。在1s时基于储能装置的双馈风力发电系统从并网状态切换成独立运行状态，在1.5s时风速由9m/s突变为0.1m/s为风速变化波形。基于储能装置的独立运行的双馈发电系统在1.5s时风速从9m/s突变为0.1m/s，会形成定子侧电压和电流波形，为了便于观察和美观，电流被放大后电池储能保持稳定装置的作用，双馈发电机定子侧不输出功率，但是由于蓄系统在无风的情况下仍然可以保持定子侧电压即负载上电压，使得系统在无风情况下仍然可以向负载供电一段时间。