产品分类：

 

摘要：为提高直驱永磁风力发电系统的性能，在直流侧增加新型钒氧化还原液流电池（VRB)储能装置。设计了相应的双向 DC/DC变换器控制策略，在A速变化时，VRB能够通过快速充放电平抑系统发电机输出功率波动以及平衡电网需求功率；在 电网电压跌落时，还可提高低电压穿越能力，对具有储能电池的风力发电系统建立了仿真模型，详细分析了系统在风速变化、 电网需求功率变化以及电压跌落时的动态响应过程和运行特性，并给出了仿真验证.仿真结果表明，在直流侧加VRB储能装 置，有效地提高了直驱风电系统并网运行性能和低电压穿越能力，系统动态响应速度快《

 

关键词：直驱风电系统；永磁同步发电机；储能电池；钒氧化还原液流电池；低电压穿越

 

 

大规模风力发电一般直接并网运行，随着风力 发电规模的不断增大，电网对风力发电的电能质量 要求越来越高，风电场的运行对电网稳定性的影响 将不容忽视。

 

发电机输出功率取决于风速，由于风速具有不 可控性、不可预期性和随机波动特性，导致输出功 率波动大，随机波动的功率接入电网会对电网运行

基金项目：台达电力电子科教发展计划基金(DREG2009006) 和电力系统国家重点实验室项目（SKLD09KZ10)资助.

 

的稳定性及经济性带来负面影响|1]，因此风力发电 并网功率随机波动问题亟待解决。另一方面，在欧 洲风电技术超前的一些国家制定了新电M运行准 则，要求只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才 允许风力机脱网，这就要求风电系统具有较强的低 电压穿越能力，并能方便地为电网提供无功支持。 直驱永磁风力发电系统在电压跌落时，可以只在网 侧变换器和直流侧采取对应措施，如在直流侧增加 卸荷负载或储能装置，来提高低电压穿越能力[M】， 使电机侧变换器及电机系统能够正常运行不受影 响，这是永磁直驱风电系统的低电压穿越能力优于

 

双馈式系统之处[4]。文献[4]中采用在直流侧加卸荷 负载提高系统低电压穿越能力，电压跌落时，直流 侧多余的能量纯粹被浪费掉了，且需要大负载并提 供散热。文献[5-6]中说明通过控制网侧变换器，可 以在一定程度上提高低电压穿越能力，但是提高的 水平有限。文献[7]说明在直流侧和电网之间增加辅 助变换器可以提髙低电压穿越能力，但要增加功率 等级更大的辅助变换器，在故障发生和结束时要进 行网侧变换器和辅助变换器之间的切换，成本相对 较髙，控制也比较复杂。本文采用在直流侧加储能 电池提高低电压穿越能力，当电压跌落时，多余的 能量被储存，直流侧电压不足时，储能电池放电为 电容充电，可以实现能量再利用，能够较好地保持 直流侧电压的稳定，并且能用存储的能量为电网提 供一定的功率支持。

 

性能优良的储能电池与大规模风力发电配套使 用，是改善电力系统运行性能的重要手段。钒氧化 还原液流电池（VRB)相对其它储能电池（如铅酸 电池、钠硫电池等）有许多优点，如寿命长，快速 响应，低维护，在室温下运行，材料低廉，更换和 维修费用低，额定功率和额定能量相互独立等，适 合大规模电力储能，是一种潜力巨大的新型环保优 秀储能电池[8-10]。

 

因此，本文构建在直流侧增加侧钒电池储能装 置的直驱永磁风力发电系统，设计双向DC/DC变 换器的控制策略，详细分析了储能系统对平抑电机 输出功率波动、平衡电网需求功率以及当电压跌落 时提高机组低电压穿越能力的动态响应过程和运行 特性，并通过仿真验证了系统模型和控制策略的正 确性和可行性。

 

1最大风能跟踪控制原理

 

风力机从风能中捕获的功率/V可表示为：

 

式中：p为空气密度；J为风力扫过的面积；v为 风速；Cp为风能利用系数，在桨距角一定的情况下， 是叶尖速比>1的函数：A = o)R/v，为风力机的 机械角速度，为风轮半径。

 

为仿真方便，（^采用文献[2]中的表达式：

 

当桨距角0保持不变时，风力机输出功率系数 Cp仅由叶尖速比;I决定。使风力机运行于最佳叶尖 速比々^就可以得到最大风能利用系数(：_，此时

风力机转换效率最高。对于一台确定的风力机，在 一个特定风速下，应使风力机运行在某一特定的转 速下得到最佳叶尖速比，实现最大风能捕获；在不 同的风速下，总有一个与最大风能利用系数相对应 的最佳叶尖速比。把各风速下对应的最大输出功率 点连起来形成一条最佳功率曲线。要跟踪踪最佳功 率曲线，获得最大风能，就要在风速变化时及时调 节风轮机的转速，保持最佳叶尖速比，实现最大功 率跟踪【u-12]。

 

图1是基于爬山法的最大功率跟踪点控制算 法原理图，其中捕获的风能'=7；*®, 7：为风 机机械转矩；为风力机旋转速度（也是发电机 的机械角速度，因为风力机与永磁电机同轴相 连）；是转速调节步长。#(/1)=产»-巧(《-1), = 通过不断地检测功率和转速

 

变化对转速进行调节，使其运行在最大功率点上， 从而使系统输出最大功率。

围1基于爬山法最大功率跟踪控制原理图 Fig.l MPPT control principle based on the climbing method

2储能型直驱永磁风电系统原理

 

具有储能环节的直驱永磁风力发电系统主要 由风力机、PMSG、双PWM变换器、双向DC/DC 充电器、储能装置和电抗器等构成，如图2所示。 发电机首先将风能转化为频率和幅值变化的交流 电，通过整流后变为直流，然后再经过三相逆变器变 换为三相电压和频率恒定的交流电传递到电网上。直

图2直流侧加储能装置的直驱永磁风电系统