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稳定风电输出功率的控制策略研究.pdf

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第３０卷第８期水电能源科学Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．８ ２０１２年８月ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＡｕｇ．２０１２ 文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０８－０１７９－０６ 稳定风电输出功率的控制策略研究 张连芹１，邰能灵１，王江海１，兰森林２，唐跃中２，钟勇３ （１．上海交通大学电气工程系，上海２００２４０；２．上海市电力公司市南供电公司，上海２００２３３； ３．上海思南电力通信有限公司，上海２０１１１２） 摘要：为稳定风电系统输出功率，提出一种在变流器的直流侧加入超级电容器（ＥＤＬＣ）储能的新拓扑结构，通 过分析全功率双脉宽调制交－直－交变流器的控制策略，基于永磁直驱风电机组与电网连接的拓扑结构，提 出超级电容器储能系统稳定风电系统输出功率的控制策略和输出功率的解耦控制方法，分析了风电系统输 出功率初始值和超级电容器容量对输出功率稳定性的影响，并针对典型风速变化给出了输出功率初始值与 超级电容器容量的整定范围。 关键词：永磁直驱风电机；超级电容器；功率控制；控制策略；解耦控制 中图分类号：ＴＭ６１４；ＴＭ７１２文献标志码：Ａ 分布式电源受自然资源不稳定性和间歇性的直驱型变速恒频发电系统与电力系统的连接 影响，输出的功率波动性大、电能质量低，引起电可采用不同拓扑结构，常用的有双ＰＷＭ变流器 网频率波动，甚至威胁电网的稳定性［１］。针对风和单ＰＷＭ变流器拓扑结构。前者控制方法灵 电功率波动问题，提出了相应的控制策略来控制活，但结构复杂，对电机要求较高；后者工作稳定、 风电机组的输出功率，如ＬｕｏＣｈａｎｇｌｉｎｇ等［２，３］通控制简单、对电机要求相对低，但无法接入超级电 过控制发电机转速，使风力发电机输出有功功率容储能装置。本文对单ＰＷＭ变流器结构进行改 较好地跟踪给定的功率曲线，但会使发电机转速进，使之能接入超级电容器储能装置，见图１。 波动较大，有时甚至超过风力机额定转速；Ｓｅｎｊｙｕ 等［４］提出一种在全风速范围内通过变桨距控制来 平滑发电机输出有功功率的控制方案，由于变桨 距机构惯性很大，风速变化较快时很难达到理想 效果；胡雪松等［５，６］提出采用飞轮储能来实现永 磁直驱风电机组有功平滑控制，由飞轮储能系统 将波动的电能与机械能相互转换，从而使输出到 图１接入超级电容器储能装置的单 电网的有功功率较平滑，但仍存在一定的波动。 ＰＷＭ变流器拓扑结构 鉴此，本文利用超级电容器（ＥＤＬＣ）储能系统能 Ｆｉｇ．１Ｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｓｉｎｇｌｅ－ＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈ 量密度高、充放电循环寿命长、能量储存寿命长、 ＥＤＬＣｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ ［］ 维护极少等优点７，提出一种含超级电容器储能图１中永磁同步电机电流经不可控整流器、 系统的永磁直驱风电机组与系统相连的拓扑结中间直流环节，由ＰＷＭ逆变器通过平波电抗器 构，设计了超级电容器储能系统和逆变器控制系与系统相连。储能单元由超级电容器通过双向 统的控制策略，以实现风电机组输出有功功率的ＤＣ－ＤＣ变换器与直流环节相连，通过超级电容器 稳定，并给出了输出功率初始值与超级电容器容与直流环节的双向能量交换稳定直流环节电压， 量的整定范围。以便ＰＷＭ逆变单元向电网输出稳定的功率。 风力发电机所发功率随着风速大小而波动 ＰＤＧ： １直驱风电系统结构设计 ＰＤＧ＝ＰＤＧ＋Ｐ珟ＤＧ（１） 收稿日期：２０１１－１１－１５，修回日期：２０１２－０３－０５ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７７０６６） 作者简介：张连芹（１９８７－），女，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｌｑ－０８０１＠１６３．ｃｏｍ 通讯作者：邰能灵（１９７２－），男，教授、博导，研究方向为电力系统保护与控制及电力市场，Ｅ－ｍａｉｌ：ｎｌｔａｉ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ·０８１·水电能源科学２０１２年 式中分别为风力发电机所发功率的波动为超级电容器两端电压的平均算子 ，Ｐ珟ＤＧ、ＰＤＧ、〈Ｕｅｄｌｃ〉。 直流分量。Ｂｕｃｋ－Ｂｏｏｓｔ变换器线性化小信号交流模型 当时将电能储存在储能单元中当反映了电路工作在某一稳态工作点附近的动态行 Ｐ珟ＤＧ＞０，； 时储能单元向直流电容侧放电以保证为是反馈控制设计的基础控制系统采用双闭 Ｐ珟ＤＧ＜０，，，。 通过逆变器输出到电网的功率始终稳定在环结构见图根据输出电压偏差经调节器 ＰＤＧ。，３。ＰＩ 计算并给出电流环的参考值维持直流环节 ｉＬｒｅｆ， 储能单元控制策略电压的稳定；电流环则用来提高输出电压的 ２Ｕｄｃ 充电速率，产生合适的补偿电流。 超级电容器直流储能单元电路见图２。 图３双向ＤＣ－ＤＣ变换器控制系统 图２储能单元电路图Ｆｉｇ．３Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａ