盧欣,張劍,王靖,劉鐵,宋飛
(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院;2.國網(wǎng)天津節(jié)能服務(wù)有限公司,天津 300010;3.國網(wǎng)天津市電力公司,天津 300010;4.南京南瑞太陽能科技有限公司,江蘇 南京 210000)
基于模糊控制的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓飛輪儲能控制策略
盧欣1,2,張劍3,王靖3,劉鐵3,宋飛4
(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院;2.國網(wǎng)天津節(jié)能服務(wù)有限公司,天津 300010;3.國網(wǎng)天津市電力公司,天津 300010;4.南京南瑞太陽能科技有限公司,江蘇 南京 210000)
風(fēng)力資源大規(guī)模的開發(fā)是實現(xiàn)減少溫室氣體排放,緩解環(huán)境污染以及提高可再生能源利用率的重要手段,同時,大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電理論避開了風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)難題。但是,由于風(fēng)能的隨機性和不可控性,會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率也會隨之波動,因此,在非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置相應(yīng)的儲能裝置,以確保向負(fù)荷供電的電能質(zhì)量,已成為可再生能源充分利用的關(guān)鍵。在風(fēng)速波動的情況下,利用本文提出的風(fēng)力發(fā)電機組直流母線控制策略,可減少對機組變流器以及用電負(fù)荷的沖擊,這對于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組保證負(fù)荷的安全穩(wěn)定運行,具有重要的積極意義。
非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電;直流母線電壓;控制策略
風(fēng)電得到世界公認(rèn),也最接近商業(yè)化,作為市場競爭力強的可再生能源技術(shù),其占用土地少,社會爭議少,環(huán)境友好,能較快實現(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化。非并網(wǎng)風(fēng)電是指大規(guī)模風(fēng)電直接應(yīng)用于一系列通過技術(shù)創(chuàng)新、能較好應(yīng)用風(fēng)電特性的產(chǎn)業(yè)。大規(guī)模風(fēng)電的終端負(fù)荷不再是電網(wǎng),其與蓄電池配套的小型獨立運行供電系統(tǒng)也不同,而是將風(fēng)電直接輸送到一些高載能的企業(yè),即實現(xiàn)100%能量轉(zhuǎn)換,解決無法上網(wǎng)的風(fēng)電的利用問題。因為,非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的終端負(fù)荷,對電能質(zhì)量有一定的要求,所以,本文提出一種基于模糊控制的飛輪儲能系統(tǒng)控制方案,該方案能穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓,改善機組后級變流器的工作條件,提高了向終端負(fù)荷的供電質(zhì)量。
圖1為飛輪儲能系統(tǒng)輔助的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,該系統(tǒng)由飛輪儲能系統(tǒng)、變槳距直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組、變換器、負(fù)載等組成,其中飛輪儲能系統(tǒng)并聯(lián)于直流母線。
圖1 風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)控制策略如圖2所示。
圖2 飛輪儲能系統(tǒng)控制策略示意圖
飛輪儲能系統(tǒng)儲存/釋放能量為:
式中J為飛輪儲能系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,ω為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度初值,為飛輪旋轉(zhuǎn)角速度的變化量。在本文的控制策略中,設(shè)飛輪儲能系統(tǒng)最大儲能為其額定值的120%,則飛輪轉(zhuǎn)速最大最小值的限制需滿足:
表1 飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速限制規(guī)則表
基于dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,永磁同步電機定子電壓方程與磁鏈方程為:
三相永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩為:
式中,pm為電機極對數(shù),ψd、ψq為分別為d軸和q軸上等效磁鏈。
設(shè)三相永磁同步電機氣隙磁導(dǎo)分布均勻,有Ld=Lq=L ,則式(5)即可簡化為:
由式(6)可以看出,對永磁同步電機采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,定子電流矢量位于q軸,無d軸分量,此時電磁轉(zhuǎn)矩完全由定子電流控制。本文采用電流滯環(huán)控制,進而跟蹤模糊控制器給出的飛輪電機轉(zhuǎn)速參考值,對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。
飛輪儲能系統(tǒng)包括飛輪電機、電力電子變換器等,與風(fēng)力發(fā)電機相同,飛輪電機亦采用由MATLAB Simulink中提供的永磁同步電機模型,電力電子變換器采用Universal Bridge模塊。按照圖2所示的控制策略,通過轉(zhuǎn)速環(huán)和電流滯環(huán)控制器對飛輪電機進行轉(zhuǎn)速控制以實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的充、放電,圖3為仿真模型結(jié)構(gòu)圖。
圖3 飛輪儲能系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖
結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機組模型和飛輪儲能系統(tǒng)模型,以及所提出的模糊控制器和穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略,可以得到完整的系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖,如圖4所示。
圖4 飛輪儲能系統(tǒng)穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖
風(fēng)力發(fā)電機組的參數(shù)為:風(fēng)力機掃風(fēng)半徑為5m,永磁同步風(fēng)力發(fā)電機定子電阻為0.175?,d軸電感為3.6mH,q軸的電感為3.6mH,永磁體勵磁磁通為3.332Wb,電機轉(zhuǎn)動慣量為0.028kg.m2,電機的極對數(shù)為4。鋼制低速飛輪及飛輪電機參數(shù)為:永磁同步飛輪發(fā)電/電動機定子電阻為0.175?,d軸電感為3.6mH,q軸電感為3.6mH,永磁體勵磁磁通0.3332Wb,電機及飛輪的轉(zhuǎn)動慣量為0.328kg.m2,電機的極對數(shù)為4。
根據(jù)給定的模擬風(fēng)速階躍曲線,運行基于模糊控制的飛輪儲能系統(tǒng)穩(wěn)定,非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓仿真模型,即可得仿真結(jié)果。如圖5為給定的模擬風(fēng)速階躍曲線,在0.2s時,風(fēng)速由10m/s階躍至8m/s并在0.23s時回至10m/s;在0.5s時,風(fēng)速由10m/s階躍至12m/s并在0.53s時回至10m/s。圖6為未引入飛輪儲能系統(tǒng)時,非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組的直流母線電壓波形??煽闯鑫匆腼w輪儲能系統(tǒng)時,隨著風(fēng)速的跳變,風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓上下波動,嚴(yán)重影響了向終端負(fù)荷的供電質(zhì)量。圖7為引入飛輪儲能系統(tǒng)后的直流母線電壓波形??煽闯鲋绷髂妇€電壓隨著風(fēng)速跳變而波動的情況,得到了有效抑制,改善了風(fēng)電機組后級變流器的工作條件。
圖5 風(fēng)速階躍模擬曲線
圖6 未引入飛輪儲能系統(tǒng)時直流母線電壓波形
圖7 引入了飛輪儲能系統(tǒng)時直流母線電壓波形
圖8 給出飛輪轉(zhuǎn)速變化曲線,可看出飛輪實際轉(zhuǎn)速較好的跟蹤了由模糊控制器給出的飛輪轉(zhuǎn)速參考值。由于飛輪本身較大的轉(zhuǎn)動慣量,在很短的時間內(nèi),飛輪實際轉(zhuǎn)速無法做出較大的變化,所以,飛輪實際轉(zhuǎn)速要比模糊控制器給出的轉(zhuǎn)速參考值平穩(wěn)。
圖8 飛輪轉(zhuǎn)速變化曲線
本文提出的一種基于模糊控制的飛輪儲能系統(tǒng)控制方案,能穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機組直流母線電壓,改善機組后級變流器的工作條件,提高了向終端負(fù)荷的供電質(zhì)量。
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(國家電網(wǎng)公司科技項目資助(合同號:SGTJDK00KJJS1600036)光伏微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究和核心設(shè)備研制)。