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摘要：提出了一种对小风电场适应性强的紧凑型并网风力发电系统。在拓扑上，采用基于开关电容的三相反激式倍压整流电路，并引入储能电路，有效地改善了系统在低风速下的发电效果。在控制策略中，根据大小和电池的速度选择合适的控制方法来实现多个控制目标，包括弱风能收集、风能利用率，提高系统的可扩展的风速范围和延长电池寿命等。同时，阐述了直流母线电压在不同操作条件下的控制方法，并采用了一种简单可靠的基于双向DC-DC变换器的死区控制方法。最后，为了验证系统控制方法的可靠性和实用性，分别在实验室环境和实际小型风电场上对样机进行了测试。
关键词：小型并网；风力发电；控制策略
1 引言
相对于大中型风力发电技术较为成熟，小型风力发电的优点是成本低，安装维修方便，装机容量可灵活调节，对电网冲击小的优点，非常适合作为辅助电源应用于城市建筑楼顶或山区、海岛等主网难以覆盖的区域，具有很高的研究价值。同时，小风力发电系统中的风场往往存在风能平均值低、波动大等问题，限制了其广泛应用。通过国家气象局网站提供国内2015个城市的年平均风速的统计数据表明，风平均风速低，甚至达到现有的小型风力发电系统的起动速度风扇（通常2 ~ 3m/s），增加系统设计的难度。
2 系统拓扑分析
2.1 高增益整流变换器
该系统是基于反激式开关电容倍压整流电路，反激式倍增和开关电容技术，高电压增益、零电流开通软切换因子、效率高和功率变换的输入侧机组额定功率低电流畸变的特点，其工作原理可以参考以前的工作。但不同的电阻作为负载，实际使用中的小型风力发电系统用的整流器，以双向DC-DC变换器和逆变器级后：当风速较小，高电压增益的使用，整流软开关特性，使得弱风能源高效蓄电池在低时的输入电压和发电实现；当风力充足，逆变器输入电流畸变的抑制减少风机振动。
2.2 单相逆变器
系统在电网侧采用单相双Buck逆变器，该逆变器无桥臂直通问题，具有较高可靠性。同时，为避免因开关管持续工作所产生的开关损耗和导通损耗降低系统的整体效率，本文系统不允许逆变器向电网取电以维持母线电压恒定，仅当前级变换器能够提供充足能量，并使得母线电压Vbus达到逆变器并网最低要求电压Vgrid-tie时，逆变器起动并开始并网发电；当前级能量不足，使得Vbus＜Vgrid-tie时，逆变器停止工作，系统转为离网运行。
2.3 双向DC-DC变换器及锂电池组
为了适应小型风力发电低，对储能电路的平均波动特征，成为小型风力发电系统中不可缺少的一个环节，以传递能量，稳定系统波动的影响包括双向DC-DC变换器和一个两部分存储设备。双向DC-DC变换器可以根据电池SOC和系统输入功率灵活地改变其等效拓扑结构，控制电池充放电功率流，以适应不同的风速条件。储能装置采用中压小容量电池组由32个3A／h锂电池单体串联，其开路电压VBAT的范围在96至116v。介质压力使得电池可以满足需要高电压和低电压和电池电量采集弱风时，小能力是由电池的自放电损失有限，低风速的提高了系统的性能。根据本研究的结果表明，延缓细胞老化现象，电池的额定充电电流限制在最大不超过0.5C，1c；同时保证电池在低SOC范围工作（20% ~ 80%），避免高充放电电流、过充电（SOC＜20%）放电（SOC > 98%）缩短电池的使用寿命。
3 整体控制策略分析
3.1 控制目标
整个风力发电逆变系统需要实现3个目标：1）实现最大功率跟踪，提高输入功率；2）稳定升压后直流母线电压值，保证逆变环节的正常进行；3）实行并网电流与电网电压同频同相，使其单位功率因数并网。
3.2 控制策略比较分析
A策略控制框图如图1a所示，Boost开关直接通过升压后的电压来控制，能够较快实现直流母线电压稳定，稳压效果好且稳定后母线电压接近直线。指令电流参考幅值I*m是由整流后的电流Iw、电压Uw通过MPPT控制器得到。但MPPT的实现是通过后级控制前级间接实现的，搜索精度低且和Boost稳压控制存在耦合，控制策略相对复杂。B策略控制框图如图1b所示，前级能够直接进行MPP搜索，搜索精度高。指令电流参考幅值是以升压后的电压Udc为依据，通过后级控制器得到，实现了前后两级解耦控制，因此得到了广泛的研究和应用。但B策略是依靠后级的电压环从功率平衡的角度实现稳压控制，动态响应慢且直流电压有波动。为了解决这一问题，很多学者对其控制策略进行了具体研究。
3.3 逆变器并网控制策略
目前，用于小型风力发电系统的并网逆变器往往存在一些问题。首先，可以利用的风速范围较小。由于目前的变频器导致风力发电需要削减风速最低工作条件有限，导致输出电网系统受到影响，这将使整个系统的成本影响，小净风机推广受阻的。并网电流控制型逆变器最大功率跟踪控制是小型风力发电系统的关键技术，研究和探讨电流型逆变器的控制策略具有重要意义。（1）电流源逆变器的控制特性。在小规模并网风力发电系统中，对电流源逆变器的控制研究是最重要和最困难的问题之一，并网逆变器的输出电流通常由变频器控制。因此，为了使系统单相并网电流源逆变器实现并网，必须与输出功率相结合，以确定逆变器输出电流幅值的幅值。电网电压直接检测同步信号，跟踪信号作为电网的电流输出，不仅可以使系统的输出电流并网，电网电压信号的跟踪，也可以达到同样的经营阶段，从而使单位功率因数输出可以实现，原理与非常简单的控制策略，可以很方便的实现。（2）电流源换流器并网控制的目标和要求。从小风力发电的角度来看，对并网逆变器的输出电流进行控制，使其能成为一个非常高质量和稳定的正弦波，与电网电压具有相同的频率，从而达到电网单元功率因数。从这个角度来看，小型并网风力发电系统，并网电流型变频器控制实现两方面，首先，要求控制原理，作为干扰，输出功率并网逆变器终端直接连接；第二，和净输出电流逆变器和电网电压应与同频同相。
4 结束语
小型风力发电系统作为分布式发电的组成单元，是未来微电网发展的基础。研究小型风力发电逆变器及其控制策略具有重要的实际价值。未来小型风力发电并网逆变技术研究主要集中在以下几个方面：整合目前各种控制策略形成性能更加优越的复合控制；并网逆变器实现对公共电网电能质量的主动治理及良好的孤岛保护性能；风电存在不稳定性，电网电压瞬间跌落情况下相应的控制策略有待进一步研究；对并网系统实施远程监控和人机界面功能，实现可视化，方便实现对逆变器的统一管理。
参考文献
[1]李德强,郄伟,王超,万宝,刘慧芳,王议锋.一种小型并网风力发电系统及其控制策略[J].电气传动,2016,4612:57-61.
[2]代志强,王维庆,何山,谢永流,樊小朝,高龙.双馈风力发电系统并网逆变器不同控制策略分析[J].电测与仪表,2016,5307:1-6+20.
论文作者:雷兰平
论文发表刊物:《电力设备》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/16
标签：逆变器论文; 电压论文; 系统论文; 风力发电论文; 电流论文; 电网论文; 变换器论文; 《电力设备》2017年第31期论文;