基于储能的风电机组低压穿越自适应控制技术_丁之.pdf

/2023.05基于储能的风电机组低压穿越自适应控制技术丁之(湖南新华水利电力有限公司)摘要:随着新能源技术的飞速发展，风电机组大规模接入到配电网中。为了解决风电机组低压穿越时对于大容量储能的需求，从而保证并网稳定性的问题，本文提出了一种基于储能的风电机组低压穿越自适应控制技术。将储能单元配置在风电机组的并网连接点处，通过储能单元与风电机组转子进行功率余量调节，通过自适应系数实时调节储能补偿功率与转子调节功率，从而完成协调控制。转子能够实时响应并进行调节，保持转速处于合理区间，有利于风电机组长时间承受低压穿越。通过搭建离线仿真模型，验证了本文所提控制技术的有效性，该技术可以被进行大规模推广应用。关键词:风电机组;低压穿越;自适应控制0引言随着新能源技术的飞速发展，风电机组的装机规模不断扩大1-2，因为电网电压过低引发的风电机组脱网事故对配电网的安全、可靠、稳定运行造成了巨大的冲击，为了保证风电机组在电网电压跌落时能够保持并网运行，要求风电机组具备低压穿越能力3。随着储能技术的不断发展，可以在风电机组中配置储能单元，用于调节低压穿越时的不平衡能量，保证风电机组能够正常实现低压穿越功能4-5。本文基于对常规的低压穿越控制算法进行优化，将储能单元应用于风电机组低压穿越自适应控制中，经过离线仿真验证了本文所提出的控制策略有效，具有一定的技术先进性，可以进行大规模推广应用6。1基于储能的风力发电并网系统架构本文所研究的基于储能的风力发电并网系统包括了风电机组和储能单元两部分，风电机组采用永磁同步发电机进行发电，包括了机侧变换器、网侧变换器以及相应的控制单元，储能单元通过串联变压器接入风电机组的机端与电网侧公共连接点之间，用于在风电机组低压穿越时进行能量不平衡调节。具体的风力发电并网系统架构如图所示。图风力发电并网系统架构在电网电压正常情况下，风电机组的机侧变换器能够实现对风机的最大功率跟踪控制以及输出功率的解耦控制，网侧变换器能够实现对中间直流回路电压的控制以及并网功率的解耦控制，储能单元处于切除状态。当电网电压出现跌落机组进入低压穿越状态时，触发自适应控制策略。2自适应控制策略2.1基本控制策略风力发电并网系统通过配置的储能单元进行风电机组端电压的补偿。在进行控制时，通过储能单元与转子自身的惯性进行能量不平衡调节，通过自适应系数实时计算储能单元与转子调节功率的给定值，并确定风电机组输出功率的给定值，从而降低低压穿越期间储能单元的调节功率。储能单元被用于在风电机组低压穿越期间进行不平衡能量的调节，电网电压过低期间，储能单元通过储能逆变器输出电压，经过 LC 滤波后，再通过串联变压器接入到电网进行功率平衡调节。为了更好地对交流量进行跟踪控制，在控制上采用比例谐振控制器，这样就能实现对稳态误差、低次谐波、开关频率附近高次谐波的有效抑制。本文所提出的低压穿越自适应控制策略实现步骤如下:(1)对电网电压进行检测，判断电网的实时状态，电压公式如下:Udq=MUABCU=U2d+U2q(1)其中，UABC为电网的三相电压矢量;Udq为解耦后63电气技术与经济/研究与开发2023.05/的 d、q 轴电压矢量;M 为进行解耦的变换矩阵;U为电网电压的检测值;Ud为解耦后的 d 轴电压;Uq解耦后的 q 轴电压。如果电网处于正常状态，风电机组按照最大功率跟踪控制模式工作;如果电网处于异常状态且进入低压穿越模式，触发自适应控制。(2)当电网处于异常状态时，由于风电机组的转子本身存在较大的机械惯性，风电机组输入的机械功率维持恒定，则风电机组的功率平衡表达式为:PM=PGen+PT=PES+PGrid+PT(2)其中，PM为风电机组捕获到的机械功率;PGen为风电机组输出的电功率;PT为风电机组转子的调节功率;PES为储能单元的调节功率;PGrid为风电机组向电网输出的有功功率。根据储能单元的工作特性，在低压穿越期间，风电机组输出有功功率与储能单元的调节功率需要满足如下关系:PGen=PES|1 U|U 1(3)同时，风电机组转子的角速度可以描述为:PT=PM PGen=Jddt(4)其中，J 为风电机组的转动惯量;为转子的角速度。(3)低压穿越期间，通过储能单元和风电机组转子调节剩余能量，储能单元与转子的功率分配协调关系为:PT=kTPES(5)其中，kT为自适应系数。由此便可以得到低压穿越期间风电机组输出有功功率控制给定值和储能单元功率控制给定值，表达式如下:PefGen=PM/1+kT1()UPefES=PM1 U/1+kT1()U(6)将计算得到的功率给定值反馈给风电机组，再结合储能单元的能量控制策略，便能够得到低压穿越期间最终风电机组输出的有功功率给定值，表达式为:PefGen=minPES/1()U，Pef()Gen(7)通过自适应控制后，确定低压穿越期间风电机组输出的有功功率后，不考虑功率损耗，便能够确定低压穿越期间风电机组定子输出的有功功率给定值就是PefGen。2.2自适应系数与最大功率计算为了确定自适应系数的极限值和储能单元的极限功率，考虑电网最恶劣情况，即电网电压完全跌落，电网完全不具备功率消纳能力，将转子转速低于其极限转速、转子惯性储能不超过转子动能作为约束条件:tM0PM P()Gendt J(2M 20)/2PES，max=PGen PM J2M()20/2tM(8)其中，PES，max为储能单元的极限功率;M为转子极限转速;0为转子初始转速;tM为系统低压穿越持续时间。以零电压穿越时间为 2s 为例，在考虑一定裕量的前 提 下，可 以 得 到 储 能 单 元 的 极 限 功 率 为0.75MW。另一方面，风电机组平稳进行低压穿越时，转子惯性调节功率应当不大于储能单元的极限功率，即有:PT，max J2M()20/2tM(9)其中，PT，max为转子惯性调节功率。定义自适应系数为转子惯性剩余调节能量与储能单元剩余调节能量的比值，有:kT=Ek/EES=PT，maxtMt0PTd()t/PES，maxtMt0PESd()t=J2M 2()t/2/PMt J2M()20/2t0PESdt(10)其中，t为风电机组的实时转速。自适应系数能够反映自适应控制策略下进行功率分配的情况，该参数值越大，就越能够利用转子惯性能量进行功率调节，所需要的储能单元容量就越小，代表转子在功率调节中起到主要作用，储能单元起到辅助作用，主要依靠风电机组的机械惯性实现低压穿越;反之，该参数值越大，就越能够利用储能单元能量进行功率调节，所需要的储能单元容量就越大，代表储能单元在功率调节中起到主要作用，转子惯性起到辅助作用。3仿真实例在 Matlab/Simulink 离线仿真环境下构建基于储能的风电机组并网系统模型。设定在第 1s 时电网电压跌落，风电机组开始低压穿越，低压穿越时间持续635ms，然后恢复正常，仿真参数见表。73电气技术与经济/研究与开发/2023.05表系统仿真参数参数名称数值风速/(m/s)10额定电压/V570定子漏感/p u0.19转子漏感/p u0.17额定功率/MW1.6定子电阻/p u0.025转子电阻/p u0.018时间常数/s2储能逆变器比例谐振控制器 P 参数33.4储能逆变器比例谐振控制器 参数0.982储能 DC/DC 变换器 PI 控制器 P 参数10储能 DC/DC 变换器 PI 控制器 I 参数0.2网侧变换器 PI 控制器 P 参数0.9网侧变换器 PI 控制器 I 参数8机侧变换器 PI 控制器 P 参数0.9机侧变换器 PI 控制器 I 参数8电压跌落开始低压穿越时，自适应系数根据当前电网的情况逐步增大，自适应控制策略根据电网实际情况，优先通过风电机组转子惯性进行功率调节，从而实现对不平衡功率的补偿。随着转子惯性功率逐步增加，转速控制快速响应，剩余的不平衡功率由储能单元进行调节，储能单元的功率补偿维持在较低水平。低压穿越期间，自适应控制策略主要利用机械调节优先使用转子调节功率，此阶段储能单元仅作为辅助进行补偿。4结束语本文主要研究了在电网电压过低期间，储能单元与风电机组转子惯性间协调分配补偿功率，以实现风电机组与电网之间不平衡功率的有效处理。一方面本文所提出的控制策略具有普适性，能够根据低压穿越期间储能单元功率与风电机组转子惯性调节功率的裕量，优先采用风电机组转子惯性功率补偿，将低压穿越期间一部分不平衡能量通过转子旋转进行调节，剩余的不平衡能量通过储能单元进行调节，以实现低压穿越期间风电机组的稳定运行;另一方面，由于风电机组转子在低压穿越期间，能够实时响应进行转速调节，并且将转速控制在允许范围内，有利于风电机组承受长时间的低压穿越。参考文献 1 谭爱国，吴颖颖，王传启，等 基于保障低压穿越能力的风电机组撬棒自适应投切策略研究 J 电力系统保护与控制，2021，49(18):98-109 2 李自成，张智越 基于储能 Crowbar 的直驱风电系统低压穿越控制策略J 自动化仪表，2019，40(8):98-102 3 冯雷，蔡泽祥，王奕，等 双馈风电机组低压穿越特性对电力系统暂态稳定的影响J 电力自动化设备，2018，38(3):16-23 4 童建林，周有为，钟雨哲，等 基于自适应 MPPT 算法的光伏发电系统低压穿越的控制策略研究J 电气应用，2022，41(6):39-47 5 禹红，李明德，曾荷清，等 电网故障下光伏并网低压故障穿越控制策略的研究J 智慧电力，2021，49(7):31-35 6 李思宇，方磊，张保平，等 电网末端风电场 SVG 设备高低压穿越功能改造与测试J 电工技术，2020(22):56-58(收稿日期:2023-03-09)83电气技术与经济/研究与开发