飞轮储能系统风力发电并网功率平滑控制MATLAB仿真

风电机组并网功率控制应用研究风电机组并网功率控制应用研究随着风电产业的迅速发展，风电装机容量也在持续创新高，风电的大量入 网，虽然给电力发展带来了新的契机。但是由于风速的不可预期性和随机性， 风力发电系统有功功率输出波动严重，增大了系统稳定运行的难度。目前，风 力发电机组多采用最大风能捕获控制策略，在额定风速以下，维持风机桨距角 恒定，通过改变发电机转速保持风机在最佳叶尖速比下运行，从而实现最大风 能捕获i；在额定风速以上时，保持发电机转速在额定转速附近，通过改变桨距 角控制电机输出功率为额定功率，此时降低了对风能的利用率。因此，为了缓 解风电机组输出功率的波动，提高机组输出电能质量，期望风电机组在尽可能 提高风能利用率的基础上输出较为平滑的有功功率。 为了得到平滑性较好的输出功率，可以利用储能装置对风电机组输出的功 率波动进行能量缓存。飞轮储能是一种充放电迅速、动态性能优越、寿命长、 负荷跟踪性好、能量密度高、清洁环保的新型大容量储能技术，在新能源大规 模投入和智能电网大力建设的推动作用下，飞轮储能技术得到了迅速的发展， 飞轮储能技术在风力发电领域中的推广应用也逐渐展开。本章针对风电机组并 网有功功率波动较大的问题，在永磁直驱风力发电机组交直交变流器的直流侧 并联飞轮储能装置，利用能量缓存原理，对风电并网侧功率平滑控制进行了研 究。4.1 飞轮储能装置与永磁直驱风力发电系统的连接拓扑飞轮储能装置与永磁直驱风力发电系统的连接拓扑在永磁直驱风力发电系统中加入飞轮储能装置后，其联合系统主电路基本 拓扑结构有两种，第一种如图 4-1 所示，将飞轮接入到机组的并网侧，此种连 接方式能够较为灵活地改善并网功率，方便地对机组并网功率按实际需要进行 调节，但是其控制系统较为复杂，并且增加了过多的装置，成本较高。电电 网网变变流流器器2 2变变流流器器1 1变变流流器器3 3异异步步电电机机永永磁磁同同步步发发电电机机风风力力机机飞飞轮轮电电池池I IM MS SM M变变流流器器4 4图 4-1 飞轮储能装置与风机并网侧连接拓扑结构第二种连接方式如图 4-2 所示，将飞轮接入到机组的直流母线侧。相对于 第一种连接方式，该方式不仅可以减少变流器装置，降低系统成本，而且可以 实现能量在风电系统和储能装置之间的合理流动，同样实现对并网有功功率的 调节。除此之外，当电网缺乏无功时，可以通过控制风电系统的网侧变流器来 实现，改善并网功率。因此，本文选择第二种连接方式进行风电并网功率改善 的研究。电电 网网变变流流器器2 2变变流流器器1 1变变流流器器3 3异异步步电电机机永永磁磁同同步步发发电电机机风风力力机机飞飞轮轮电电池池I IM MS SM M图 4-2 飞轮储能装置与风机直流侧连接拓扑结构在两个背靠背变流器直流侧加入飞轮储能装置后，联合系统的输出功率控 制原理为：当风电机组输出有功功率大于期望值时，多余的功率从直流侧流向 飞轮储能装置使其加速储能；当风电机组输出功率低于期望值时，飞轮储能装 置减速放电以补偿其功率缺额。其中永磁直驱风力发电系统的原控制策略可以 保持不变。4.2 飞轮储能装置的参考功率计算飞轮储能装置的参考功率计算设风力发电机输出到变流器直流侧功率为，网侧变流器输向电网的功率sP为，直流侧向飞轮传送的功率为（如果为负值就表示飞轮向直流侧输送功gPfP率） 。由能量守恒原理有：sgfP=PP(4-1) 用于飞轮储能装置进行能量缓存的参考功率可定义为：风力发电机有功功 率输出的期望值和实际值间的功率差。这部分功率用以平缓风机的有功输出ii， 当风机实际输出有功功率低于期望值时，飞轮的参考功率为负值，飞轮储能装 置释放相应的能量以补偿风力机输出功率的不足。当风力机输出大于期望值时 飞轮的参考功率为正值，飞轮储能装置加速运行将多余的能量贮藏起来。设 为风电机并网有功功率的期望值，则参考功率可由下式表示：* gP* refsgP =PP(4-2) 因此，要控制按照期望值的变化而变化，只需按照式（4-2）控制飞gP* gP轮的参考功率即可。refP目前，计算风机并网有功功率的期望值的方法主要有下面几种： （1）恒定功率或恒定风速法：将期望功率值直接设定为固定功率值，通常 设为发电机的额定功率左右。 （2）风速预测法：通过数值天气预报或者统计法得到短期预测风速，利用 短期预测风速，用风机模型求出风机的预测输出功率，对所得结果采用曲线拟 合，得到风电机组并网有功功率的期望曲线。（3）滤波器平滑法：将风电机组的实时输出功率曲线经过平滑滤波器处理， 其通常为低通滤波器，压缩去除其中高频波动的分量，从而得到具有较好平滑 性的输出功率曲线，作为风电机组并网有功功率期望值。（4）求平均值法：选取风机的输出功率曲线或实际的自然风速曲线，对某 个时间段或某时刻之前的若干个采样点求取平均值，并作为该时刻的期望值， 将得到的连续功率曲线作为期望值。 在这些方法中，利用恒定功率作为期望值虽然可以使机组输出功率恒定， 有利于并网，但是由于风速一般波动较大，对储能装置的容量要求很大，有一 定局限性。使用风速预测的方法很大程度上依赖于风电场的风速预测及其仿真 模型的精确程度，并且该方法在实现技术上较为复杂。相对于风速预测法，后 两种则比较容易实现，平滑滤波器求取期望值的原理是将实际值高频成分滤除， 拟合其低频成分，得到较为光滑的曲线。从结果来说，平均值法也是为了得到 光滑的曲线，而且能够通过改变求均值时间段和采样点密度来调节输出特性， 可以较好地模拟自然风速变化。本文利用求取风力发电机输出功率的平均值来 计算风电机组并网功率期望值。 设 为求取平均值的时间段， 为当前时刻，在时间间隔为内，则ttt，平均风速曲线的平均值定义为：ttV t dt V= （）(4-3) 式中： 积分时间段； 风速曲线的实时值。 V t设风力机组保持最优叶尖速比运行，风力机桨距角为 0°，风机捕获的最 大风能为与风速的关系为：wmaxPV31 2wmaxpmaxPACV(4-4) 式中： 风机叶片扫略面积；A 空气平均密度； 风机的最大风能利用系数。pmaxC将式（4-4）中的风速用式（4-3）表示的平均风速代替，则风机并网有V 功功率期望值的计算公式可表示为：* gP31 2* gpmaxPACV(4-5)由式（4-5）再根据式（4-2）就可以计算出飞轮储能装置的给定功率参考 值。4.3 飞轮储能装置的参考转速计算飞轮储能装置的参考转速计算用于控制飞轮的参考转速可以根据所设定的参考功率求得。设存储在飞轮 中的能量为，飞轮与电网侧需要交换的参考功率为，则有：fErefP0ffrefE =EP dt(4-6) 式中： 待机状态下飞轮中存储的能量。0fE又因为，故飞轮的参考转速可由下式得到：21 2rfE =J01 22freff* rEP dtE=JJ (4-7) 求得参考转速后，结合图 3-4 所示的机侧变流器控制策略，得到用于风电 功率控制的飞轮储能装置控制结构框图如图 4-3 所示。I IM M矢矢量量 控控制制系系统统转转速速观观测测参参考考转转速速定定子子电电流流变变流流器器3 3飞飞轮轮电电池池功功率率控控 制制模模块块* gPsPrefP图 4-3 用于风电系统功率控制的飞轮储能装置控制框图对于飞轮来说，当时，飞轮吸收能量工作在充电模式，驱动电机电0refP动运行；当时，飞轮释放能量工作在放电模式，驱动电机发电运行。此0refP外，为了保持系统的稳定运行，限制飞轮在允许最大转速和最小转速max之间，参考功率必须限定在飞轮电机的额定功率以下。min4.4 仿真分析仿真分析4.4.1 仿真模型的搭建采用平均值法求飞轮储能装置参考功率时，平均风速求解模块如下图所示：图 4-4 平均风速计算模型求得平均风速曲线后，再由式（4-5）和式（4-2）求得参考功率，飞轮的 参考功率计算模块如下图所示：图 4-5 飞轮参考功率计算模型求得参考功率是为了控制网侧并网功率，需要根据网侧三相电压电流计算 网侧实际功率，网侧三相实际功率求解模块如下图所示：图 4-6 网侧三相功率求解模型根据图 4-2 所示风机与飞轮连接拓扑结构，搭建的 Matlab/Simulink 整体仿 真模型如图 4-7 所示。图中 FESS control 模块根据图 4-3 所示的控制原理搭建而 成。图 4-7 整体系统仿真模型4.4.2 仿真参数在永磁直驱风力发电仿真模型的直流侧并入飞轮储能装置进行仿真7.5kW 分析，整个系统仿真参数如表 4-1 所示： 表 4-1 系统仿真参数 三相鼠笼式异步电机（飞轮电机） 额定电压380V 额定电流50A 极对数2 额定频率50Hz 额定转速1500r/min 定子绕组电阻0.435 转子绕组电阻0.816 定子/转子电感0.069mH 转动惯量（电机与飞轮）0.159kg.m2 永磁同步风力发电机 额定功率7.5kW 额定线电压380V 额定相电流13A 定子电阻0.97 发电机电枢电感2e-3H 极对数4 直流母线 直流母线电压650V直流母线并联电容4000F 交流网侧 电网电压600V 额定频率50Hz 网侧电感20e-6H仿真时间 2s。分别对无飞轮储能装置和无飞轮储能装置的永磁直驱风力发 电系统进行仿真分析。4.4.3 仿真结果与分析设置仿真模型的自然风速模型由基本风、渐变风、周期风和随机风组成， 其中基本风 12m/s，其风速曲线和利用公式（5-3）求得的平均风速计算曲线如 图 4-8 所示。0.40.60.811.21.41.61.82810121416时时间间（s s）风风速速曲曲线线（m m/ /s s）自自然然风风速速变变化化曲曲线线平平均均风风速速计计算算曲曲线线图 4-8 自然风速与平均风速曲线无飞轮储能装置和有飞轮储能装置时风电机组的有功功率输出波形如图 4-9 所示。由图 4-9 可以看出，无 FESS 时，因风电机组输出有功功率随着自然风 速三次方的变化而变化iii，所以波动较大；加入 FESS 时，含飞轮储能装置联 合系统的有功功率平滑控制策略使得并网有功功率的波动显著减小。0.40.60.811.21.41.61.8202000400060008000并并网网功功率率曲曲线线（W W）时时间间（s s）无无飞飞轮轮储储能能装装置置有有飞飞轮轮储储能能装装置置图 4-9 有无 FESS 的有功功率输出曲线0.40.60.811.21.41.61.82-1000-50005001000飞飞轮轮参参考考功功率率（W W）时时间间（s s）图 4-10 FESS 的参考功率曲线0.40.60.811.21.41.61.821200130014001500飞飞轮轮转转速速（r r/ /m mi in n）时时间间（s s）图 4-11 飞轮转速变化曲线用于风电机组功率控制的 FESS 的参考功率和飞轮转速变化曲线分别如图 4-10 和图 4-11 所示，可以看出，飞轮的转速较好地跟踪了飞轮储能装置设定功 率参考值的变化，当时，飞轮加速储能，吸收风机多余的能量并将其转0refP化为动能存储在飞轮中；当时，飞轮减速释放能量，回馈给电网，验证0refP了联合系统有功功率控制策略的有效性。4.5 本章小结本章小结本章针对永磁直驱风力发电机组并网有功功率波动问题，在风电机组直流 母线并联飞轮储能装置组成联合系统，利用飞轮的能量缓存原理实现风电系统 并网功率平滑控制。首先给出了联合系统的拓扑结构，介绍了利用平均风速求 取并网功率参考值的方法，并根据能量守恒原理计算飞轮储能装置参考功率， 以控制飞轮转速。最后建立整个系统的仿真模型并进行仿真验证。结果表明， 控制策略合理有效，加入了飞轮储能装置的永磁直驱风力发电系统能够有效抑 制机组并网时的有功功率波动，输出较为平滑的有功功率。 4.6 仿真模型仿真模型h