分布式風力發電系統控制研究

梁徐斌

【摘 要】本文首先介紹了分布式新能源電網系統和風力發電系統的基本運行原理，然后介紹了國內外相關技術的發展歷程以及技術現狀，最后提出了一套基于無刷直流電機的分布式風力發電系統，并給出了相應的系統控制方案以及系統運行原理的論證分析。

【關鍵詞】分布式電網；風力發電系統

0 引言

能源和環境是每個國家發展戰略中不可忽略的重要的兩個環節[1]。自從上世紀工業革命以來，各國的工業技術水平得到了飛速發展，人類生存質量得到了顯著的提高，以火力發電為主的電網系統控制技術已經得到了相當完善的研究與應用。但與此同時，環境污染問題也變得越發嚴重。并且隨著以煤炭、石油為主的傳統能源的日益短缺，開發利用新型的、清潔的、可再生的能源，已經成為了當務之急。

隨著低碳經濟的概念在全球范圍內的推廣，并且伴隨著只能電網技術的飛速發展，開展基于可再生能源的電網控制技術研究，逐漸成為了各國科研人員的關注重點。以風力發電和太陽能發電為代表的新能源發電技術逐漸走進了人們的視野，并且受到了越來越多的關注。可以說，新能源發電系統是未來電力系統發展的必然方向，也是我國十二五工業4.0轉型順利推進的前提保障。所以，開展基于新能源發電系統的研究與應用，對于我國進一步提升國家競爭力，提升工業技術水平，具有十分重要的戰略意義。

1 分布式風力發電系統國內外研究現狀

分布式發電系統按照其能源來源分類，大致可以分為分布式風力發電系統與分布式太陽能發電系統。其中，風力發電以其資源保有量大、發電成本低，發電系統運行容錯率高的特點，逐漸成為各國分布式新能源發電系統研究的主流方向。

分布式風力發電系統主要由以下部件組成：風輪機、發電機、儲能裝置以及分布式風力發電系統控制器組成。隨著機械控制技術的發展，風輪機經歷了定槳距到變槳距的演變歷程，其中，定槳距風輪機以其相對較高的控制穩定度，成為了分布式風力發電系統的首選。

目前，風力發電機以永磁同步電機、雙饋異步電機和無刷直流電機3大類為主。其中，永磁同步電機功率密度低，且機械結構復雜，加工難度成本高，逐漸被后兩個取代，而雙饋異步電機同樣存在系統控制策略設計復雜的問題。無刷直流電機是近年來電氣研究領域的新發現，其勵磁、電樞繞組均設置在轉子上，電流換向無需輔助裝置，已經在風力發電市場中有了一席之地。

風力發電系統控制器，一直以來都是風力發電系統研究的核心技術難點之一。其承擔著系統各運行部件的實時監控、最大風能跟蹤，負載需求管理等功能。隨著DSP，FPGA等集成電路芯片的誕生，系統控制器的設計也由原先的硬件控制設計轉為軟件研發為主。可以說，系統控制器的設計水準，很大程度上決定了整個分布式風力發電系統的運行性能。

2 分布式風力發電系統控制設計

本文建立的分布式風力發電系統如圖1所示。其基本運行原理如下：風輪機捕獲風能，然后經無刷直流發電機將風能轉換為電能，無刷直流輸出端直接構造系統直流母線，直流負載直接掛接在直流母線上工作，交流負載可以通過直流母線電壓外接逆變器實現供電，蓄電池通過雙向DC/DC與直流母線交聯，分布式風力發電系統控制器實現整個系統的監控、控制、調節功能，當雙向DC/DC失效時，分布式風力發電系統控制器可以利用相關接觸器控制，實現雙向DC/DC的切投，此時蓄電池可以直接通過匯流條與直流母線相連，從而實現了系統的備份運行。

雙向DC/DC的設計選擇是影響系統運行性能的關鍵。因雙向DC/DC具有能量雙向流動的特性，因此，僅采用一套電路即可實現蓄電池充放電的實時控制，可以顯著節約系統硬件成本。基于控制復雜度考慮，雙向DC/DC拓撲中的電子開關管不易過多，所以本文選擇雙向雙管正激電路，其只需要2路兩兩互補的導通驅動信號，即可實現系統需求的控制功能。

風力發電機與風輪機的合理選型，也是影響風力發電系統效率的另一個關鍵因素之一。基于無刷直流電機結構簡單、運行可靠、容錯率高的特點，本文選擇電勵磁無刷直流電機作為系統發電機，將其與定槳距風輪機采用傳動軸直接連接的方式，降低了機械部件之間的損耗，并可進一步提高系統運行效率。

分布式風力發電系統控制器是整個系統的核心部分，本文以主流的DSP2812為控制器基礎單元，在芯片內部駐留母線電壓、蓄電池電流雙閉環控制策略，結合風輪機自身最大風能輸出-轉速特性，可以通過控制器調節雙向DC/DC的電子開關管占空比，實現系統的最大風能跟蹤，并且完成直流母線電壓的調壓控制。

3 結語

本文在介紹分布式風力發電系統的國內外研究現狀的基礎上，以無刷直流發電機為核心構架，在此基礎上提出一種分布式風力發電系統，對該系統各關鍵組成部分進行了基本原理分析，并對該分布式風力發電系統控制策略進行了詳細論證，初步論證了系統控制原理的可實現性。后續研究可以圍繞系統仿真、系統樣機試驗驗證展開，從而以更深入的切入點，論證本文所設計的分布式分布式風力發電系統的運行特性。并且，隨著鋰電池技術的發展，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控制性能，最終實現一種高效、可靠的分布式風力發電系統。

【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]侯嘉怡.智能微電網分布式電壓控制的研究[D].燕山大學，2014.

[責任編輯：田吉捷]