分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制研究

梁徐斌

【摘 要】本文首先介紹了分布式新能源電網(wǎng)系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理，然后介紹了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程以及技術(shù)現(xiàn)狀，最后提出了一套基于無(wú)刷直流電機(jī)的分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并給出了相應(yīng)的系統(tǒng)控制方案以及系統(tǒng)運(yùn)行原理的論證分析。

【關(guān)鍵詞】分布式電網(wǎng)；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

0 引言

能源和環(huán)境是每個(gè)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中不可忽略的重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)[1]。自從上世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，各國(guó)的工業(yè)技術(shù)水平得到了飛速發(fā)展，人類生存質(zhì)量得到了顯著的提高，以火力發(fā)電為主的電網(wǎng)系統(tǒng)控制技術(shù)已經(jīng)得到了相當(dāng)完善的研究與應(yīng)用。但與此同時(shí)，環(huán)境污染問(wèn)題也變得越發(fā)嚴(yán)重。并且隨著以煤炭、石油為主的傳統(tǒng)能源的日益短缺，開發(fā)利用新型的、清潔的、可再生的能源，已經(jīng)成為了當(dāng)務(wù)之急。

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的概念在全球范圍內(nèi)的推廣，并且伴隨著只能電網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，開展基于可再生能源的電網(wǎng)控制技術(shù)研究，逐漸成為了各國(guó)科研人員的關(guān)注重點(diǎn)。以風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電技術(shù)逐漸走進(jìn)了人們的視野，并且受到了越來(lái)越多的關(guān)注。可以說(shuō)，新能源發(fā)電系統(tǒng)是未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的必然方向，也是我國(guó)十二五工業(yè)4.0轉(zhuǎn)型順利推進(jìn)的前提保障。所以，開展基于新能源發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，對(duì)于我國(guó)進(jìn)一步提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，提升工業(yè)技術(shù)水平，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

分布式發(fā)電系統(tǒng)按照其能源來(lái)源分類，大致可以分為分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與分布式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。其中，風(fēng)力發(fā)電以其資源保有量大、發(fā)電成本低，發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行容錯(cuò)率高的特點(diǎn)，逐漸成為各國(guó)分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)研究的主流方向。

分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由以下部件組成：風(fēng)輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能裝置以及分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器組成。隨著機(jī)械控制技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)輪機(jī)經(jīng)歷了定槳距到變槳距的演變歷程，其中，定槳距風(fēng)輪機(jī)以其相對(duì)較高的控制穩(wěn)定度，成為了分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的首選。

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)以永磁同步電機(jī)、雙饋異步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)3大類為主。其中，永磁同步電機(jī)功率密度低，且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度成本高，逐漸被后兩個(gè)取代，而雙饋異步電機(jī)同樣存在系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題。無(wú)刷直流電機(jī)是近年來(lái)電氣研究領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)，其勵(lì)磁、電樞繞組均設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，電流換向無(wú)需輔助裝置，已經(jīng)在風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)中有了一席之地。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器，一直以來(lái)都是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的核心技術(shù)難點(diǎn)之一。其承擔(dān)著系統(tǒng)各運(yùn)行部件的實(shí)時(shí)監(jiān)控、最大風(fēng)能跟蹤，負(fù)載需求管理等功能。隨著DSP，F(xiàn)PGA等集成電路芯片的誕生，系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)也由原先的硬件控制設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為軟件研發(fā)為主?？梢哉f(shuō)，系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，很大程度上決定了整個(gè)分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

2 分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

本文建立的分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。其基本運(yùn)行原理如下：風(fēng)輪機(jī)捕獲風(fēng)能，然后經(jīng)無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，無(wú)刷直流輸出端直接構(gòu)造系統(tǒng)直流母線，直流負(fù)載直接掛接在直流母線上工作，交流負(fù)載可以通過(guò)直流母線電壓外接逆變器實(shí)現(xiàn)供電，蓄電池通過(guò)雙向DC/DC與直流母線交聯(lián)，分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控、控制、調(diào)節(jié)功能，當(dāng)雙向DC/DC失效時(shí)，分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器可以利用相關(guān)接觸器控制，實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC的切投，此時(shí)蓄電池可以直接通過(guò)匯流條與直流母線相連，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的備份運(yùn)行。

雙向DC/DC的設(shè)計(jì)選擇是影響系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵。因雙向DC/DC具有能量雙向流動(dòng)的特性，因此，僅采用一套電路即可實(shí)現(xiàn)蓄電池充放電的實(shí)時(shí)控制，可以顯著節(jié)約系統(tǒng)硬件成本?；诳刂茝?fù)雜度考慮，雙向DC/DC拓?fù)渲械碾娮娱_關(guān)管不易過(guò)多，所以本文選擇雙向雙管正激電路，其只需要2路兩兩互補(bǔ)的導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求的控制功能。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)與風(fēng)輪機(jī)的合理選型，也是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)效率的另一個(gè)關(guān)鍵因素之一?；跓o(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、容錯(cuò)率高的特點(diǎn)，本文選擇電勵(lì)磁無(wú)刷直流電機(jī)作為系統(tǒng)發(fā)電機(jī)，將其與定槳距風(fēng)輪機(jī)采用傳動(dòng)軸直接連接的方式，降低了機(jī)械部件之間的損耗，并可進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本文以主流的DSP2812為控制器基礎(chǔ)單元，在芯片內(nèi)部駐留母線電壓、蓄電池電流雙閉環(huán)控制策略，結(jié)合風(fēng)輪機(jī)自身最大風(fēng)能輸出-轉(zhuǎn)速特性，可以通過(guò)控制器調(diào)節(jié)雙向DC/DC的電子開關(guān)管占空比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大風(fēng)能跟蹤，并且完成直流母線電壓的調(diào)壓控制。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在介紹分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)為核心構(gòu)架，在此基礎(chǔ)上提出一種分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)該系統(tǒng)各關(guān)鍵組成部分進(jìn)行了基本原理分析，并對(duì)該分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了詳細(xì)論證，初步論證了系統(tǒng)控制原理的可實(shí)現(xiàn)性。后續(xù)研究可以圍繞系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證展開，從而以更深入的切入點(diǎn)，論證本文所設(shè)計(jì)的分布式分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性。并且，隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展，可以考慮用鋰電池代替鉛酸、鎳鎘蓄電池的方案可能性，以期得到更好的系統(tǒng)控制性能，最終實(shí)現(xiàn)一種高效、可靠的分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅詠.雙向DC_DC變換器及電池能量管理系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[2]侯嘉怡.智能微電網(wǎng)分布式電壓控制的研究[D].燕山大學(xué)，2014.

[責(zé)任編輯：田吉捷]