基于風力發電系統的電能變換裝置研究

摘 要:針對目前獨立運行風力發電系統通過“交流-直流-交流”的轉換方式供電時，存在能量利用率偏低，且往往達不到負載需求電能的缺點，采用了DC/DC升壓及DC/AC逆變技術在風力發電能量轉換體系中，設計了一種新型的能量供應體系及其控制策略，并在此基礎上應用Matlab/Simulink搭建了仿真程序。通過仿真，得到了用戶需要的穩定交流電能，驗證了控制策略的正確性及控制方案的可行性，具有很好的推廣應用價值和進一步的研究價值。關鍵詞:風力發電; 控制策略; 電能變換; 仿真程序

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0206-03

Electrical Energy Transformation Device Based on Wind Power Generation System

HUANG Ying-qiang， SU Xian-long， SHEN Tao， LAI Hua， LIU Gui-lin， JIANG Shi-ying

(Yibin Vocational and Technical College， Yibin 644003， China)

Abstract: Due to the lower energy availability factor existing in the power supply mode of AC-DC-AC transform in the stand-alone wind power generation system， and because the power supply mode of AC-DC-AC usually could not meet requirement of the electric energy that the load demands， DC/DC boost chopper and DC/AC inverter are adopted in the wind power generation energy conversion system. A new energy supply system and a control strategy were designed. The simulated program was compiled with Matlab/Simulink. The stable AC electric energy demanded by customers was obtained bythe aid of simulation. It verifies that the control strategy is correct and the control scheme is feasible.Keywords: wind power generation; control policy; transformation of electrical energy; simulated program

0 引 言

伴隨著經濟的發展及人口的增長，人類對能源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規能源存在有限性，且污染和破壞自然環境。風能是一種清潔的可再生能源，并且資源豐富，有著無需開采、運輸的特點[1]。目前風力發電系統分非直驅風力發電系統和直驅風力發電系統，前者主要采用齒輪箱對風輪機提速后，驅動常規異步發電機，而直驅風力發電在整個體系結構中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風力發電機的體積和重量，省去了維護，降低了風力發電機的運行噪聲[2]，所以研究直驅風力發電系統的電能變換裝置對提高風電轉換效率及開發風力發電技術的推廣，有著重要的社會效益和經濟效益。

1 常規直驅風力發電系統的特性

直驅風力發電系統采用低速的永磁同步發電機取代了異步發電機，在永磁直驅風力發電系統中，風輪機將捕獲的風能以機械能的形式驅動永磁發電機，永磁發電機的轉速隨著風速的變化而進行變化，發出電壓和頻率都變化的電能，需要經過電能變換電路輸出恒壓恒頻的電能[3]。現階段常規離網型戶用風力發電系統的基本結構如圖1所示。

圖1 常規離網型風力發電系統示意圖

風速的時變性，使得風力發電機的電壓及頻率變化，不易于直接被負載利用，所以目前的獨立運行風力發電系統通過“交流-直流-交流”的轉換方式供電[4]，且要考慮風速很弱及無風的情況，系統的裝置中使用了蓄電池進行儲能。先用整流器將發電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器將直流電變換成電壓和頻率穩定的交流電輸出供給負載使用。系統的能量傳輸分配中要經過兩次能量轉換:電能-化學能-電能，能量的利用率偏低，且由于風力發電發出的能量較小，往往達不到負載需求的電能。

2 改造后的直驅風力發電系統

2.1 風力發電系統的基本組成

針對直驅風力發電的特性，研究設計的風力發電系統應由風輪機、永磁同步發電機、電能變換裝置(整流器、直流調壓裝置、逆變器)、控制器、泄能負載、蓄電池、制動剎車裝置和用戶負載等組成，其設計研究的永磁直驅風力發電系統的結構組成原理圖如圖2所示。

圖2 直接驅動風力發電系統基本結構流程

2.2 能量傳輸分配分析

分析在正常情況下的能量流動路徑，由圖2所列出的風電系統的供電模式可知，在考慮風速大于切入風速及小于切出風速時，風力發電控制系統中的能量傳輸的關系大體上分4種情況如圖3所示。

圖3 風力發電系統中能量的傳輸分配

正常啟動風速到達后，風輪機開始運行，當風速較大時，風力發電機組發出的電能，經過電能變換裝置調節后，得到用戶負載所需要的交流電，多余的電能經過蓄電池儲存起來;當風速不足時，風力發電機組發出的電能較小或則不發電能，此時由蓄電池發電給電能變換裝置，進而變換后，供給用戶負載;當風力發電機組發出的電能遠大于用戶所需的電能，且在蓄電池電量已被充滿的情況下，采用泄能負載控制器對多余的電能放電。

2.3 控制策略的分析設計

在直驅風力發電系統中，風輪機對風能的捕獲及其電能變換裝置的控制策略在整個風電系統運行過程中決定風電轉換的效率，根據風速的變化，負載的變化以及儲能裝置容量的變化，來研究風電系統的控制策略對風力發電系統的穩定運行以及最大化的利用風能有著重要的意義。由于離網型風力發電系統多用于農區、牧區等遠離常規電網的場所，風力發電是主要的供電形式，根據這一地區用戶負載的用電情況，在常規情況下可以設負載的電流閾值為I0，儲能裝置蓄電池SoC的閾值為C0，實測風速的閾值為V0[5]。當風力發電機運行在切入風速與切出風速之間時，設定風力發電體系中用戶負載電流、蓄電池SoC及實測風速分別大于各自設定的閾值時，為1狀態;小于設定閾值時為0狀態，則可列出表1。

表1 控制策略狀態表

電流I00001111

SoC00110011

風速V01010101

供電模式12345678

開關狀態0100011000011000101001100010000110001000

在表中開關狀態一行中數值位是“1”的，表示在圖2中的Tx開關接通，為“0”的這一路表示開關斷開，供電模式下的1~8種狀態分別表示為:T2接通，風機供電;T1，T2接通，風力發電機供電，蓄電池充電;T2，T3接通，風力發電機供電，蓄電池放電;T2，T4接通，風機供電，泄能負載介入;T2，T3接通，風力發電機供電，蓄電池放電;T2接通，風機供電;T2，T3接通，風力發電機供電，蓄電池放電;T2接通，風機供電。

在風力發電系統中，以風力發電機提供電能為主，蓄電池放電為輔，上述幾種形式為風速達到風輪機運轉的切入風速，且未超出切出風速，在穩定的工作風速內，并未提及無風以及風速過大，超出風力發電機承受的最大風速，那時將要啟動機械剎車裝置，將風輪機鎖住，保護風力發電系統。

3 風電體系下的電能變換電路控制系統設計

3.1 控制系統方案的確定

風力發電機發出的電能電壓為三相交流電，且輸出電壓較低，需經過整流器進行整流，得到的直流電在經過控制器的作用下對蓄電池進行充電，設計中采用的是三相橋式不可控整流。而對于直流變換電路主要功能是:調節直流輸出電壓使之恒定，以達到后級逆變電路輸入要求[6];提高逆變電路的功率因數并抑制高次諧波，完成功率因數的校正，所以可采用直流Boost升壓斬波電路。選用全橋逆變電路，其特點為帶負載能力強，電路容易達到大功率;又由于LC濾波器有著對輸出波形中的高次諧波進行濾波處理的能力[7-8]，因此選用了輸出端帶LC濾波器的單相全橋逆變電路的拓撲結構，以使逆變電路輸出高質量的正弦波形。

3.2 電能變換電路的控制器設計

設計的永磁直驅風力發電系統發出電壓在18~50 V之間變化時，經過電能變換電路的處理得到穩定的220 V電壓，通過研究得出在設計整流及Boost升壓變換電路的控制策略時，應該以控制輸出電壓為出發點，使輸出電壓保持恒定為目的，且同時要保證系統功率因數盡可能的接近于1，綜合風電系統特殊環境及Boost變換的電路CCM工作特性的基礎上，控制系統的設計中采用了平均電流控制技術[9]，結構上為電流內環和電壓外環構成雙閉環結構;而對于逆變電路部分則在電路的控制方式上選用正弦脈寬調制方式對逆變電路進行控制，設計了采用PI調節器及PWM控制的電路控制策略[10-11]。在確定了系統中電路的運行狀態后，確定了電路參數，并利用Matlab\\\\Simulink搭建了電能變換電路逆變部分的仿真模型，如圖4所示。

圖4 風力發電控制系統逆變部分仿真模型

仿真結果如圖5所示。在圖5中從上至下分別為未經過濾波的負載電流波形、經過濾波后的負載電流電壓波形，仿真結果可見在允許的范圍內達到了負載要求的工作電壓。

4 結 語

針對永磁直驅風力發電體系下的電能變換電路進行了設計，并對所設計的控制策略及方案在Matlab軟件下應用Simulink來完成的模型搭建和仿真調試。通過仿真，驗證了設計的電能變換電路拓撲結構的正確性及控制策略的合理性，為直驅風力發電系統的電能變換的研究提供了一定的信息。

圖5 風力發電系控制的輸出端仿真結果

參考文獻

[1]葉杭治.風力發電機組的控制技術[M].北京:機械工業出版社，2002.

[2]倪受元.風力發電講座[J].太陽能，2001(1):17-20.

[3]付文華.田俊梅.小型風力發電機組的應用[J].太陽能，2005(5):47-49.

[4]楊金明，吳捷.風力發電系統中控制技術的最新發展[J].中國電力，2003，36(8):65-67.

[5]張家友.串聯蓄電池充電均衡系統的研究[D].合肥:合肥工業大學，2006.

[6]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2000.

[7]葉斌.電力電子應用技術[M].北京:清華大學出版社，2006.

[8]王延才，王偉.變頻器原理及應用[M].北京:機械工業出版社，2005.

[9]PENA R.CLARE J C.SHER G M. Doubly fed induction generator using back to back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[D]. [S.l.]: [s.n.]， 2005: 57-73.

[10]楊旭，王兆安.一種新的準固定頻率滯環PWM電流控制方法[J].電工技術學報，2003，18(3):24-28.

[11]Quincy Qing Wang. Maximum wind energy extraction strategies using power electronic converters[D]. Beijing， Northern Jiaotong University， 2003: 18-31.