基于MMC-BESS 的风电场功率及电压综合调节策略

程从智，徐晨，戴珂，黄永烁，潘非

(1.华中科技大学电气与电子工程学院电力电子与能量管理教育部重点实验室，武汉 430074;2.广西电网有限责任公司南宁供电局，南宁 530229; 3.上海追日电气有限公司，上海 200331)

0 引言

风力发电在减轻环境污染、调整能源结构等方面具有突出作用，已成为可再生能源领域中发展最快且潜力最大的发电方式之一［1］。但是随着风电渗透率逐渐增加，对电网运行稳定及电能质量的影响势必加重。风电机组输出功率取决于风力，风力受风速影响最大［2］。由于风速的随机性和高不确定性，风电机组的输出功率具有极大的波动性［3］; 负荷突变以及风电场出力不均匀，会导致风电场PCC 电压的不稳定［4-5］。

目前业界常规方法为通过储能装置与无功补偿装置对功率波动及PCC 电压分别进行独立调节。为平滑风电场输出功率，可以采用超级电容、飞轮储能装置［6］实现功率波动抑制，虽然其充放电快，但是能量密度小，无法抑制大幅度的功率波动。也可采用混合储能装置的方法，如文献［7-9］将风电场功率进行分频，并根据储能介质的不同特点，采用超级电容平抑波动速度快的高频部分、蓄电池抑制波动速度稍平缓的中频部分，将波动幅度相对平缓的低频部分作为并网功率的方法，来平滑波动的风电场功率。虽然解决了单一储能装置能量密度低或功率密度低的缺点，但是其协调控制策略比较复杂。若此时风电场还有稳定PCC 电压的需求，一般需要另外安装静止无功发生器( SVG)［10］或静止无功补偿器( SVC)［11］，但是也带来了补偿装置数量多，系统结构复杂且不易维护的问题。

由于模块化多电平变换器( MMC) 具有高等效开关频率，高度模块化，扩展方便等优点，在中高压大功率场合下的应用越来越广泛［12-14］。电池储能系统( BESS) 与MMC 结合后，拓展了储能系统的无功补偿能力，当应用于风电场中，可集有功、无功补偿于一个装置内，同时解决风电并网功率及PCC 电压波动问题，改善并网风电场的电能质量，简化了系统结构。

文中首先分析了风电场输出有功及PCC 电压波动的原因，然后给出MMC-BESS 的拓扑结构。通过建立数学模型，得到等效电路，并给出了其内部控制策略。针对风电场输出有功及PCC 电压波动问题，给出了波动功率抑制策略和PCC 电压调节策略。通过搭建实验样机，在模拟的风电场并网场景中验证了这两种控制策略，实验结果表明MMC-BESS 可以平滑风电场有功输出，以及调节PCC 电压，提高风电场输出的稳定性。

1 风电场PCC 电压与无功的关系

对风电场而言，其输出的有功受风速的影响很大，具有很大的波动性和随机性。而本地负荷突变甚至严重时的短路故障又会导致并网点电压突升/突降。图1为风电场并网系统示意图。

图1 风电场并网系统示意图Fig.1 Schematic diagram of wind farm grid-connection system

如图1( a) 所示，单机无穷大系统母线接负载和风电场，由于风电场接入后产生并网功率波动以及负载突变产生PCC 电压波动，故又接入MMC-BESS。为分析PCC 电压的变化，出于简单考虑，假设图1( a) 没有风电场和MMC-BESS，并且变压器匝数比为1∶1。忽略传输线的等效电阻，图1 中VS是理想的电网电压，VT是PCC 端口电压，X是线路感抗，P是负载的有功功率，Q是无功功率，φ 是功率因数角。可以得到负载的有功功率P与PCC 电压幅值如式(1) 所示:

当负载为纯电阻时，所能吸收的最大有功功率为式(2) ，此时负载阻抗与线路感抗模相等。

当负载改变时，建立PCC 端口电压VT与电网电压VS幅值之间的关系，以及负载的有功与其为阻性时所吸收的最大有功功率Pmax之间的关系，如式(3) 所示:

依据式(3) ，假如负载功率因数不同，可得到该系统的P-V 特性鼻状曲线，如图1( b) ，从中可以看出，负载功率因数不同，吸收的最大有功功率也不同，系统需工作于临界点之上的区间内。当负载为阻容性时，其所吸收的最大有功功率高于负载纯阻性时所吸收的最大有功功率，且PCC 电压高于电网电压;当负载为阻感性时，所吸收的最大有功功率低于负载纯阻性时所吸收的最大有功功率，且PCC 电压低于电网电压。负载的感性或容性会影响PCC 电压降低或升高，造成电能质量问题。

2 MMC-BESS 的结构与内部控制

2.1 MMC-BESS 的结构

2.1.1 拓扑结构

图2( a) 为三相MMC-BESS 拓扑结构，每相由上下两桥臂组成，每个桥臂由N个级联的子模块组成，上下桥臂通过滤波电感LF连接到PCC 上。子模块为一个半桥结构，包括两个开关管及其反并联二极管、并联在直流侧的电容和储能单元，如图2( c) 所示。根据上下两个开关管的导通状态，子模块交流侧输出电压为vbat_cp_N或0。将每相上桥臂N个子模块级联电压定义为vjp(j=a，b，c) ，每相下桥臂N个子模块级联电压定义为vjn(j=a，b，c) ，公共直流侧电压定义为Vdc，上下桥臂电流分别定义为ijp和ijn(j=a，b，c) ，装置输出电流定义为icj(j=a，b，c) ，PCC 电压定义为vTj(j=a，b，c) ，上桥臂第N个子模块的电容电流定义为icp_N，其直流侧电压和交流侧电压分别为vbat_cp_N和vcp_N。

图2 MMC-BESS 的电路拓扑Fig.2 Circuit topology of MMC-BESS

2.1.2 等效模型

忽略桥臂电阻，对上下桥臂使用基尔霍夫电压定律( KVL) ，可以得到式(4) ，其中vjN表示每相输出对直流侧中点电位差。

式(5) 定义esumj为每相上下桥臂的共模电压，edifj为每相上下桥臂差模电压，也即第j相的等效内部电动势，icir为流过上下桥臂的相间环流。

对式(4) 分别作差、和运算可以得到式(6) 和式(7) :

式(6) 其实就是描述MMC-BESS 的外部特性的方程，式(7) 是描述内部电压电流特性的方程，控制共模电压就能控制环流，控制差模电压就能控制装置输出电流，实现了内部环流和输出电流的解耦。根据式(6)可以得到其等效数学模型，如图3 所示。

图3 MMC-BESS 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram of MMC-BESS

2.2 MMC-BESS 的内部控制

MMC-BESS 的内部控制定义为变换器级别的控制，在给定的有功和无功电流指令下，内部控制可以使装置输出电流无静差地跟踪参考电流指令，同时保证各子模块SOC 平衡。

图4为MMC-BESS 的有功功率与无功功率控制框图。在dq 旋转坐标系下，采用PI 控制器和RC 重复控制器［15］( repetitive controller) 对指令值进行跟踪。等效电抗的存在导致dq 轴电流发生耦合，故对dq 轴电流进行状态变量反馈交叉解耦，可以加快控制器的调节速度。同时采用PCC 电压前馈以缩短电流内环动态响应时间。通过对dq 轴电压参考指令进行Park 反变换，最终得到输出电压参考信号vref。有功、无功电流指令分别将由第3 节所提到的功率波动抑制、PCC 电压调节策略得到。

图4 MMC-BESS 有功与无功功率控制示意图Fig.4 Schematic diagram of active and reactive power control for MMC-BESS

对于MMC-BESS 的正常运行要求各子模块荷电状态( State of Charge，SOC) 均衡，文中采用文献［16-17］所提SOC 均衡控制策略。

3 MMC-BESS 的系统侧控制

MMC-BESS 系统侧控制的目的是针对装置安装点的风电场输出有功功率和PCC 电压波动，给MMCBESS 提供有功和无功电流指令。系统侧控制主要分为两个部分，即功率波动抑制和PCC 电压调节。功率波动抑制是为了平滑风电机组有功输出，对波动的风电场有功功率“削峰填谷”;当本地负荷发生突变时，通过调节MMC-BESS 输出的无功功率来稳定PCC 电压，抑制PCC 电压波动。

3.1 MMC-BESS 的功率波动抑制

如图1( a) 所示，忽略本地负荷，系统功率关系如式(8) ，其中，Pg是电网吸收的有功，Pwf是风电场发出的有功，Pmb是MMC-BESS 发出的有功，Pf是整个系统的有功损耗。由于损耗较小，一般情况下忽略不计。

当风速变化较大时，风电场产生的有功波动幅度较大，此时电网吸收的有功波动幅度也相应的变大，因此需要对其进行平滑。由于风电场功率的高频部分是主要的平抑目标，而低通滤波算法可以实现将高频分量滤除，只通过低频分量的功能，故如图5 所示，文中采用一阶低通滤波器来设计波动功率抑制策略。通过一阶低通滤波器滤除风电场有功功率波动部分，得到期望的风储系统向电网输出的有功，将该期望的有功与风电场输出有功作差，得到MMC-BESS 输出有功功率的指令值P*mb，再与2/3 和1/VTd相乘得到MMCBESS 的有功电流指令值I*d 。通过控制MMC-BESS 输出的有功电流，使其反向输出波动功率，平抑风电场的功率波动，从而使电网得到稳定的有功功率。其中τ =1/2πfL，fL是低通滤波器的截止频率。

图5 波动功率抑制控制示意图Fig.5 Schematic diagram of fluctuating power suppression control

3.2 MMC-BESS 的PCC 电压调节

当考虑本地负荷时，负荷的突变会导致PCC 电压突升/突降，根据图1( b) P-V 特性鼻状曲线，控制MMCBESS 向电网注入一定的无功功率，可以稳定PCC 电压在规定的范围之内，达到抑制PCC 电压波动的目的。

如图6 所示，检测PCC 三相相电压，定义旋转坐标系的d 轴与三相等效电动势共轴，则经过等幅值Park变换后，d 轴电压分量就是三相相电压幅值。将其与额定电压指令值作差，可得到误差信号，误差信号经PI控制器得到的就是MMC-BESS 的q 轴电流指令值。通过控制MMC-BESS 输出相应的无功电流，使其向电网注入一定的无功功率，抑制PCC 电压的暂降和突升，减少对电网的冲击。

图6 PCC 电压调节控制示意图Fig.6 Schematic diagram of PCC voltage regulation control

4 样机试验结果

为了验证所提控制策略的正确性，设计了一台20 V/0.66 kVA 的三相十二模块的MMC-BESS 实验样机，如图7，实验参数见表1。每个桥臂有两个子模块，子模块直流侧的储能单元由两个12 V/100 Ah 铅酸蓄电池串联组成，采用载波移相调制，单个子模块的开关频率为1 kHz，则整个装置的等效开关频率为4 kHz。

表1 MMC-BESS 实验参数Tab.1 Experimental parameters of MMC-BESS

图7 MMC-BESS 实验样机Fig.7 Downscaled laboratory prototype of MMC-BESS

由于子模块直流侧并联电池总电动势为24 V，当调制比为1 时，MMC-BESS 交流侧等效输出线电压有效值为29.39 V，则实验在PCC 线电压有效值20 V 下进行。由于不具备接入风电场的实验条件，以及装置功率等级的限制，因此通过MATLAB 随机函数直接生成短时风电场并网有功波动功率，并对风电场负载进行投切，在低压小功率等级下，模拟实际的风电场并网场景。

4.1 有功功率波动抑制实验结果

假设短时风电场并网有功波动功率即风电场功率的高频部分如图8( a) 。风电场输出的额定有功为200 W，波动功率最大超过50 W，即0.25 p.u.，不符合标准文献［18］的有功功率波动最大幅值低于0.1 p.u.的规定。

图8 风电场波动功率抑制Fig.8 Suppression of wind farm fluctuating power

为方便分析，把图8( a) ΔPwf直接取反作为MMCBESS 输出有功的指令值P*mb，并将图1 本地负荷切除，网侧阻抗为0.5 mH，模拟风电场并网实验。图9( a) 为此时装置的a 相线电压和b 相相电流，图9( b) 为图9( a) 图波形细节，可看出在风电场并网功率波动时icb分别超前、滞后vab30°和150°，由于电流正方向为指向PCC，故装置吸收/发出有功功率。将图9( a) 的数据导入MATLAB 算出MMC-BESS 瞬时功率Pmb如图8( b) ，将图8( a) ΔPwf与图8( b)Pmb相加得到抑制后的风电场并网有功波动功率如图8( c) ，可以看出MMC-BESS 能够迅速平抑风电场功率的波动部分，平滑了风电场输出的有功，实现了对波动功率削峰填谷。在图8( c)中，1 min 内最大功率波动为10 W，即0.05 p.u.，小于0.1 p.u.，符合标准文献［18］的相关规定。

图9 波动功率抑制实验波形Fig.9 Experimental waveform of fluctuating power suppression

4.2 PCC 电压调节

如图1 所示，本地负荷由表1 给出的电阻A 和电阻B 组成，分别为Δ 形连接和Y 形连接，网侧阻抗为6 mH。对负载进行投切，模拟风电场PCC 电压波动。

首先模拟PCC 电压跌落，MMC-BESS 发出感性无功进行支撑的情况。如图10( a) 所示，Δt0时段只有负载A 投入，通过调压器使PCC 线电压在额定值附近，Δt1时段再投入负载B，PCC 线电压由1.0 p.u.降低到0.894 p.u.，下降了10.6%。Δt2时段装置投入，Δt3时段，调节PCC 电压，装置工作在容性工况下，发出一定的感性无功补偿电流，PCC 线电压恢复到0.998 p.u.，电压波动为0.2%。图10( b) 给出了电压跌落调节细节，分别为PCC 线电压和相电流，由于电流正方向为指向PCC，线电压超前相电流122°，所以此时MMC-BESS输出感性无功来支撑PCC 电压。

图10 PCC 电压调节实验波形Fig.10 Experiment waveform of PCC voltage adjustment

其次模拟PCC 电压较高时，MMC-BESS 发出容性无功，降低PCC 电压的情况。如图10( c) 所示，Δt0时段内同时投入负载A 和负载B，再通过调压器使PCC 线电压在额定值附近，Δt1时段切除负载B，PCC 线电压由1.0 p.u.升高到1.13 p.u.，上升了13.0%。Δt2时段装置投入，Δt3时段，调节PCC 电压，装置工作在感性工况下，发出一定的容性无功补偿电流，PCC 线电压恢复到1.004 p.u.，电压波动为0.44%。图10( d) 给出了电压升高调节细节，分别为PCC 线电压和相电流，线电压滞后相电流63°，所以此时MMC-BESS 输出容性无功来降低PCC 电压。具体实验数据见表2 所示。

表2 PCC 电压调节实验数据Tab.2 Experimental data of PCC voltage regulation

可以看出不管是PCC 电压跌落还是升高，装置都可以很好的调节PCC 电压，使PCC 电压波动范围稳定在额定值±5%以内，符合国家标准［19］的规定。

感性负荷的投入会降低PCC 电压，切出会抬升PCC 电压，容性负荷则与之相反。采用上文所提PCC电压调节策略，使MMC-BESS 等效为容性或感性，依然可以使PCC 电压波动范围稳定在额定值±5%以内。

5 结束语

文中分析了风电场并网功率及PCC 电压波动的原因，将电池储能单元与模块化多电平变换器相结合，研究了MMC-BESS 的补偿装置，与常规方法相比，集有功、无功补偿于一个装置内，简化了补偿系统结构。将其应用到风电场中，可调控有功功率和无功功率，具有快速的四象限功率补偿能力，通过搭建实验平台，在低压小功率等级下，模拟风电场并网场景进行验证，可得如下结论:

(1) 给出了一种基于MMC-BESS 的有功功率波动抑制策略，在模拟风电场并网场景中，使抑制后的风电场并网有功波动功率1 min 内最大功率波动为10 W，即0.05 p.u.，小于0.1 p.u.，符合相关标准的规定，平滑了模拟风电场输出;

(2) 针对本地负荷的投切而导致的风电场中PCC电压波动问题，通过检测PCC 电压，控制MMC-BESS向PCC 注入的无功功率，进行快速的无功补偿，使PCC电压的波动范围限制在额定值±5%以内，符合相关标准的规定，提高了模拟风电场的暂态稳定性;

(3) 可以通过增加桥臂子模块数量及其直流侧串联电池数量来提高装置电压等级，用于实际的风电场电能质量治理，具有一定的实用价值。