新能源電網電能質量管理系統設計

李悅

【摘 要】本文首先介紹了分布式新能源電網系統的基本運行原理，以及分布式電網技術、新能源技術和電能質量管理系統技術的國內外發展現狀，然后以某小型風力發電系統為基本構架，設計建立了一套分布式新能源電能質量管理系統，最后從原理和功能上，論證該系統的可行性。

【關鍵詞】分布式電網；電能管理；電能質量

0 引言

電能質量管理，是每個電網系統設計研發階段必須要面對的重要問題之一[1]。根據不同電氣系統的運行特點，隨著社會經濟水平不斷的發展進步，各企業單位對用電需求的緊迫性也日益增加，與此同時，隨著國家工業4.0戰略的推進，越來越多的高精尖企業對電網的電能質量提出了更高的要求，這無疑對廣大電網系統設計研發人員提出了新的挑戰。因此，在工業用電系統中，建立基于負載用電需求模型，建立相應的電能質量管理系統，具有極其重要的經濟效益和社會效益。

另一方面，隨著全球石油、煤炭等傳統化石能源的枯竭，以風力發電、太陽能發電為代表的新能源發電系統，正逐漸成為各國電氣科研人員的研究熱點。新能源發電系統的投放位置，一般為偏遠山區或者近海區域，基本為人力覆蓋存在困難的區域[2]。因此，傳統的人力監控、人工干預電力系統的監控方式，很難滿足新能源發電系統的特殊電能質量管理需求，因此，研發針對新能源發電系統特點的新型電能質量管理系統，是目前各國研究人員的主流研究方向。

1 新能源電網電能質量管理系統國內外研究現狀

電能質量管理系統是工業界最早引入機器管理、也是最活躍的研發領域之一。早在20世紀80年代開始，國外就出現了為數眾多的，并且控制性能成熟的電能質量管理系統。盡管各種電能質量管理系統特性不一，使用場合也有所區別。但是根據其發展歷程，大致可以分為以下幾個基本階段。

20世紀80年代初到80年代中后期，是電能質量管理系統的第一階段，受制于電子元器件與計算機技術的瓶頸，該階段的電能質量管理系統主要由繼電器、接觸器組成，人工干預與人工操作較多。

20世紀90年代初到本世紀初，隨著電力電子開關器件的崛起，以繼電器接觸器為基礎架構的電能質量管理系統逐漸被半導體電子開關系統所取代，控制效率與控制精度均有了大幅提升。

本世紀初至今，隨著計算機技術的日新月異，各種集成芯片開始介入工業控制領域[2]。在此基礎上，電能質量管理系統的研發、使用和維護愈加人性化，并且人工干預需求極大的減少，基本實現了電能質量管理系統的自動化運行。

新能源電網系統是電力系統研發的另一個熱門領域，其中風力發電以其清潔、存儲量大、成本低的優勢，已經在世界范圍內得到了廣泛的研究與引用。因此，本文基于分布式風力發電系統，進行電網的電能質量管理系統研究與分析。

2 新能源電網電能質量管理系統設計

本文建立的基于分布式風力發電系統的電能質量管理系統如圖1所示。其基本架構與運行原理為：由風輪機從風能中捕獲能量，從而帶動發電機旋轉，然后由發電機完成風能到電能的能量轉換，直流母線構架在發電機之后，為負載提供能量，蓄電池作為系統能量緩沖器存在，通過系統電能質量管理控制器，最后實現系統電能質量管理。基于無刷直流電機的友好電氣特性，本系統選擇無刷直流電機作為風力發電機，其與風輪機之間不加裝齒輪傳動結構，從而減少了機械系統的復雜性，提高了系統運行穩定性。在蓄電池與直流母線之間，設計了一個雙向DC/DC作為能量緩沖控制載體，雙向DC/DC一般選用BUCK/BOOST拓撲，其結構簡單可靠，運行效率高，一套電路即可實現蓄電池電能的雙向管理，并且通過雙向DC/DC，可以調整直流母線電壓的幅值、諧波含量等電能指標，從而最終實現了系統的電能質量管理。

因此，雙向DC/DC，蓄電池，以及配套的電能管理系統控制器，是整個電能管理系統的核心。基于雙向BUCK/BOOST的特性，本文選擇電壓、電流雙閉環的控制策略。其中外環是母線電壓閉環，由傳感器檢測直流母線電壓幅值，與電能管理系統控制器給的的母線電壓幅值進行比較，然后進入PI閉環調節，從而得出內環的蓄電池的運行電流給的幅值，內環是蓄電池運行電流閉環PI調節。風力發電系統中，風輪機捕獲的能量，與負載所需求的能量基本處于不匹配狀態，雙向DC/DC與蓄電池的作用正在于此。當負載電能需求大于風輪機捕獲的風能時，電能管理系統控制器會調節蓄電池至充電狀態，吸收多余的風能。當負載電能需求小于風輪機捕獲的風能時，電能管理系統控制器會調節蓄電池至放電狀態，補充負載端不足的能量。并且，當負載對直流母線電壓的性能有更高需求時，電能管理控制器可以在雙向DC/DC閉環調節中，加入相應補償環節，以期更好的調節直流母線電壓電能質量。

3 結語

本文在分析分布式電網系統、電能質量關系系統的研究現狀的基礎上，以某小型風力發電系統為基礎構架，基于分布式發電系統負載的隨機性與不確定性，建立了相應的電能質量管理系統，從而實時監控、調節源端、負載端的電能需求匹配關系，從而實現了系統最大電能輸出管理，系統欠/過載即時切投控制，最終實現了整個分布式電網系統的電能質量管理。本文僅在功能和原理上，通過理論分析論證了該系統的可用性，下一步需要在相關電氣仿真軟件中，建立相關仿真模型，從而驗證該系統的邏輯實現性，并最后用試驗樣機驗證系統的最終可行性。

【參考文獻】

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

[2]馬洪飛，張薇，李偉偉，等. 基于直流電機的風力機模擬技術研究[J].太陽能學報，2007，28（11）：1278-1283.

[責任編輯：田吉捷]