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1、基于 Matlab/Simulink 的风储孤网系统仿真研究 李山 叶鹏 何淼 赵思雯 赵叙龙 沈阳工程学院研究生院 沈阳工程学院电力学院 摘 要： 针对风储孤网系统建模及稳定运行问题, 建立了风储孤网系统风电机组单元和储能单元的就地协调控制策略及模型, 基于 Matlab/Simulink 仿真平台搭建了风储孤网系统的仿真模型, 并在单相接地故障工况下进行了风储孤网系统协调控制策略的验证。通过仿真结果分析证明了所提出的风储孤网系统控制策略的有效性。关键词： 风储孤网系统; 储能单元; 协调控制; 仿真分析; 作者简介：李山 (1989-) , 男, 河南南阳人, 硕士研究生。作者简介：叶鹏
2、(1974-) , 男, 吉林吉林人, 教授, 博士, 硕士生导师, 主要从事电力系统运行与控制方面的研究。收稿日期：2017-09-25Simulation of Wind Storage Isolated Network System Based on Matlab/SimulinkLI Shan YE Peng HE Miao ZHAO Si-wen ZHAO Xu-long Graduate Department, Shenyang Institute of Engineering; School of Electric Power, Shenyang Institute of Eng
3、ineering; Abstract： Aiming at the problem of modeling and stable operation of wind storage isolated network system, the local coordinated control strategy and model of the wind storage isolated network system, the wind turbine unit and the energy storage unit were established.According to the coordi
4、nated control strategy and model of the wind storage network, the simulation model of the wind storage network was built on the basis of Matlab/Simulink simulation platform.The coordinated control strategy of the wind storage network was verified under the condition of single-phase grounding fault.T
5、he simulation results showthat the control strategy of the proposed wind storage network is effective.Keyword： Wind storage isolated network system; Energy storage unit; Coordination control; Simulation analysis; Received： 2017-09-25作为新能源发展最有效、最具开发条件的项目, 风力发电技术由于具有清洁、友好等特点而年增长率一直保持在两位数的百分比水平1。但是, 由于
6、大电网接纳风电的能力有限, 导致风电在大规模接入大电网的过程中存在“并网难”和“弃风”等问题, 而这些问题已成为制约风电发展的重大难题2-3。针对风电大规模并网过程中存在的“并网难”和“弃风”等难题, 国内外相关专家提出基于储能技术的风储联合发电系统4-5。近年来, 随着储能技术的不断纯熟和储能成本的大幅降低, 风储孤网发电技术作为风储联合发电技术的一种有效形式, 能够为新能源分散和小规模应用提供较为灵活的运行方式, 而逐步受到研究人员的广泛重视6。目前, 国内外对风储系统联合运行的研究主要集中在并网位置、运行成本、稳定运行及不同故障特性的控制策略等方面7-8, 而对风储孤网系统的研究相对较少
7、。风储孤网系统稳定运行的核心技术在于风机出力、风机及储能逆变器、储能充/放电转换三者之间的协调控制策略9-10。针对风储孤网系统的建模及稳定运行问题, 对风储孤网系统建模, 并基于 Matlab/Simulink 仿真平台搭建了风储孤网系统的仿真模型, 对单相接地故障两种工况进行仿真实验, 通过仿真验证所建立的风储孤网系统模型能够实现系统的稳定运行和故障情况下快速恢复情况。1 风储孤网系统结构风储孤网系统的系统构成主要包括风力发电系统、储能单元和负载等。直驱永磁风力发电机组因省去电刷、滑环和齿轮箱等, 能够大大减少系统的维护费用并提高系统的可靠性11-12。因此, 以直驱永磁风力发电机组作为研
8、究对象。风储孤网系统的结构如图 1 所示。图 1 风储孤网系统结构 下载原图2 风储孤网系统控制策略及模型2.1 风力机数学模型风力机将风能转化成风机机械功率。风机机械转矩 Tm为风机机械部分方程为式中, T e为电磁转矩, T e=1.5npi qs;np为转子极对数; 为磁通;i qs为定子电流 q 轴上的电流分量;T J为风机系统惯性时间常数;k=0.5rC pmax/ opt; 为空气密度;r 为风机半径;C pmax为最大风能利用系数; opt为最佳叶尖速比;w g为风机机械角速度。2.2 永磁风力发电机数学模型在 dq 坐标系下, 永磁风力发电机电气部分的数学模型为式中, u ds
9、和 uqs分别为定子电压 d 轴和 q 轴上的分量;i ds和 iqs分别为定子电流d 轴和 q 轴上的分量; 表示磁通;w g为风机机械角速度;R s和 Ls分别为定子电阻和电感。2.3 背靠背变流器控制策略风储孤网系统中, 风力发电系统背靠背变流器主要包括发电机侧整流器及网侧逆变器, 机侧整流器与网侧逆变器之间通过直流侧电容连接。风力发电系统背靠背变流器控制的结构如图 2 所示。图 2 背靠背变流器 下载原图2.4 储能单元数学模型及控制策略储能单元中, 储能逆变器和双向 DC/DC 变流器协同工作, 以实现储能单元有功功率的协调控制并维持交流母线侧电压和频率的稳定。双向 DC/DC 变流
10、器采用电压外环和电流内环的控制策略, 储能逆变器采用下垂控制模式13。2.4.1 双向 DC/DC 变流器控制策略双向 DC/DC 变流器连接蓄电池和储能逆变器直流端, 担负着蓄电池的充放电控制和调整储能逆变器直流侧电容电压的任务14。双向 DC/DC 变流器充放电控制通常采用电压外环和电流内环的控制策略, 如图 3 所示。图 3 双向 DC/DC 控制 下载原图2.4.2 储能逆变器数学模型及控制策略储能逆变器采用下垂控制模式, 如图 4 所示15。储能单元中, 储能逆变器 LC滤波电路在 dq 坐标系下的数学模型为式中, U 0d、U 0q和 i0d、i 0q分别为储能逆变器中经 LfCf
11、滤波得到的三相电压和三相电流的 dq 分量;w 为交流母线上的角频率;r f和 Lf分别为电阻和滤波电感;C f为滤波电容;V d、V q和 id、i q分别为储能逆变器输出的三相电压 Vabc和三相电流通过 abc/dq0 变换后的得到的电流的 dq 分量。储能逆变器输出瞬时有功功率和无功功率的方程为瞬时功率经过一阶低通滤波器可以得到平均功率为式中, 分别为瞬时有功功率和无功功率;w c为截止角频率;P、Q 分别为平均有功功率和无功功率。图 4 下垂控制模式 下载原图储能逆变器电压外环和电流内环的控制策略如图 5 所示。图 5 双环控制策略 下载原图3 仿真分析为了验证所建立的风储孤网系统模
12、型的有效性, 按照图 1 和图 2 中的风储孤网系统的控制框图在 Matlab/Simulink 平台中进行系统仿真模型的搭建。系统初始值为额定风速 12 m/s, 风机额定有功功率为 25 k W, 交流母线侧的负载有功功率为 30 k W, 无功功率为 0 k Var, 蓄电池荷电状态的初始值为 80%, 仿真时间取 2 s。为验证交流母线侧发生暂时性单相接地故障后, 风储孤网系统能否有效运行, 在其他初始条件不变的情况下, 1 s 时交流母线侧 A 相发生单相接地故障, 故障持续时间为 0.05 s, 其仿真结果如图 6 所示。图 6 单相故障下风储孤网系统仿真结果 下载原图图 6 单相
13、故障下风储孤网系统仿真结果 下载原图交流母线侧 A 相单相接地故障下, 风储孤网系统仿真结果如图 6 所示。在 1 s之前, 系统处于稳定运行状态。由于在 1 s 时 A 相发生单相接地故障, 在持续时间 0.05 s 内, 交流负载侧输出三相电压中 A 相电压为 0 V, 交流负载侧输出三相电流中 A 相电流变化较大, 系统输出的有功功率在单相接地故障期间处于波动状态。交流母线侧 A 相发生单相接地故障前及故障恢复后, 交流侧输出的频率、电压以及电流变化情况分别如图 6 中的 d、e、f 所示, 在单相接地故障结束后, 系统能够快速恢复至稳定运行状态, 为维持系统协调稳定运行, 储能单元依旧
14、输出功率。仿真结果表明, 在系统交流母线侧发生单相接地故障结束后, 风储孤网系统能够快速实现系统的稳定运行。4 结论1) 建立了风储孤网系统各单元的就地控制策略及模型;2) 根据所提出的风储孤网系统的协调控制策略及模型, 基于 Matlab/Simulink仿真平台搭建了风储孤网系统的仿真模型, 并在单相接地故障工况下进行了风储孤网系统协调控制策略的验证。通过仿真结果分析证明了所提出的风储孤网系统控制策略的有效性。参考文献1彭思敏, 王晗, 蔡旭, 等.含双馈感应发电机及并联型储能系统的孤网运行控制策略J.电力系统自动化, 2012, 36 (23) :23-27. 2王建萍, 潘庭龙.风光储
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