海島離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電控制器模擬仿真

張原飛，王項南，崔 琳，郭 毅，薛彩霞，張 巍，夏海南

（1.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.大連海洋大學(xué)，大連 116023）

0 引言

我國海域遼闊、海島眾多，包含數(shù)百個有常駐居民的島嶼，但是絕大部分島嶼無電網(wǎng)覆蓋，因此電力短缺問題嚴(yán)重影響了島上居民的生活和生產(chǎn)，制約著我國海島的開發(fā)利用。由于海島周圍蘊藏著豐富的風(fēng)能資源，而且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)較為成熟，因此風(fēng)能可作為首選能源。

根據(jù)島上的用電情況，可安裝多臺離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并結(jié)合蓄電池的儲能技術(shù)，可以保證海島居民的用電需求。我國離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多數(shù)適用于內(nèi)陸地區(qū)，如將其直接應(yīng)用于海島環(huán)境，則存在著壽命低、穩(wěn)定性差、電能質(zhì)量低的情況［1］。因此，針對海島的特殊環(huán)境，需要對控制器進(jìn)行可靠合理的設(shè)計，以提高輸出的電能質(zhì)量和運行效率，對于實現(xiàn)適用于海島的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化配置和可靠運行有重要意義。

1 海島離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

選擇有一定人口規(guī)模和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、風(fēng)資源豐富但電力短缺的島嶼作為調(diào)研對象，對島上的用電情況和風(fēng)能分布情況進(jìn)行勘測與統(tǒng)計，并對風(fēng)力資源利用的可行性進(jìn)行分析，以確定供電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量。在總裝機(jī)容量確定的情況下，進(jìn)行單臺風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量的合理分配，盡量做到充分利用資源，保證全年均衡發(fā)電。

經(jīng)過前期資源調(diào)查和站址選擇，山東省即墨市大管島目前有多戶常駐居民，其風(fēng)能資源反映在季風(fēng)上，四季風(fēng)力資源豐富。在工信部國家重大科技成果轉(zhuǎn)化項目的支持下，將在大管島上建立高可靠的獨立供電系統(tǒng)。該供電系統(tǒng)由6臺離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，總裝機(jī)容量為80kW，單臺機(jī)組規(guī)格分別為6、12、22kW各兩套；儲能系統(tǒng)選用200塊電壓為2V容量為1 200A·h的鉛酸蓄電池串聯(lián)使用，組成充電電壓為400V的儲能系統(tǒng)；通過逆變器把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能供用戶負(fù)載使用。

2 海島離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電控制器設(shè)計

以22kW離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器為研究對象，對其進(jìn)行特殊設(shè)計，可適應(yīng)海島環(huán)境。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器的裝機(jī)容量為22kW，額定輸出電壓為430V，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。控制器主要由卸荷負(fù)載、整流器和升壓斬波器構(gòu)成。

由于海島周邊風(fēng)能的不穩(wěn)定性，會使發(fā)電機(jī)的輸出電壓產(chǎn)生波動。因此，根據(jù)風(fēng)速的變化設(shè)計兩路輸出，當(dāng)風(fēng)速大時，斷開斬波電路，經(jīng)整流器變化成直流直接給蓄電池充電，可以保護(hù)斬波電路中器件的安全；當(dāng)風(fēng)力小時，接通斬波電路，經(jīng)斬波電路升壓給蓄電池充電，可以提高風(fēng)能的利用率。另外，當(dāng)風(fēng)速過大或蓄電池端電壓過高時，可以分級接入卸荷負(fù)載，保證系統(tǒng)安全運行。

圖1 海島離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電控制器結(jié)構(gòu)圖

海島上有代表性的環(huán)境特點是高鹽霧、高濕度、海上風(fēng)力的不穩(wěn)定性等，對海島風(fēng)機(jī)控制器的設(shè)計提出以下特殊要求。

1）通往海島的交通不便，不利于長期值守和經(jīng)常維修，為保證風(fēng)機(jī)工作的可靠性，控制器中選用器件的安全設(shè)計裕度為2倍以上［2］。

2）海島處于海洋環(huán)境，既要保證風(fēng)機(jī)控制器的元件散熱，又要防止鹽霧腐蝕，因此對柜內(nèi)的電力元器件噴涂三防漆，對工控板采用封裝的形式。

3）增加斬波電路。在低風(fēng)速情況下，可以提高風(fēng)能利用率，以增加風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電總量［3］。

4）對控制器增加旁路設(shè)計。當(dāng)風(fēng)能足夠充足時，整流后的電壓滿足蓄電池的充電電壓，可以不經(jīng)過斬波電路，經(jīng)過整流后可直接為蓄電池充電，可以延長斬波電路的壽命。

5）海島用電負(fù)荷較小，在大風(fēng)情況下蓄電池很快充滿，為防止蓄電池過充，開啟卸荷負(fù)載。如果是多路風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)共同向蓄電池充電，應(yīng)該在蓄電池側(cè)也要增加卸荷負(fù)載，以對蓄電池組進(jìn)行保護(hù)。

6）增大蓄電池組的容量，采用2V的工業(yè)蓄電池進(jìn)行串聯(lián)。為防止蓄電池之間發(fā)生互充現(xiàn)象，盡可能不采用并聯(lián)的方式組合蓄電池。這樣不僅可以延長居民用電時間，而且可以提高儲能系統(tǒng)的可靠性［4］。

7）風(fēng)機(jī)安裝在地勢較高且空曠的場地。這有利于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電，但同時也增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷電損害的概率，因此在控制器的輸入端需要裝配防雷系統(tǒng)。

8）海島處于臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，發(fā)電機(jī)與控制器之間應(yīng)安裝空氣開關(guān)，便于停機(jī)保護(hù)。

3 建立模型

利用Matlab／Simulink平臺搭建22kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型（見圖2），其中包括風(fēng)速發(fā)生模塊、風(fēng)機(jī)模塊和電力系統(tǒng)模塊。電力系統(tǒng)模塊包含永磁發(fā)電機(jī)模塊、電力轉(zhuǎn)換模塊、儲能模塊和卸荷負(fù)載模塊。

圖2 控制器仿真模型

風(fēng)速發(fā)生模塊會產(chǎn)一個隨時間變化的風(fēng)速序列，風(fēng)速平均值為設(shè)定值，通過風(fēng)機(jī)模塊可將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，并以機(jī)械轉(zhuǎn)矩的形式傳輸給永磁發(fā)電機(jī)。經(jīng)過電力系統(tǒng)模塊，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能儲存在蓄電池中，卸荷模塊可在大風(fēng)或蓄電池充滿時保護(hù)系統(tǒng)安全運行。在電力轉(zhuǎn)換模塊中，控制系統(tǒng)為核心模塊，包含3個功能：根據(jù)風(fēng)速控制斬波電路的通斷；根據(jù)直流母線上的電壓控制卸荷負(fù)載的通斷；當(dāng)斬波電路工作時，控制IGBT開關(guān)的通斷進(jìn)行升壓［5］。

22kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型各模塊的設(shè)計說明如下。

1）斬波電路的通斷可以根據(jù)風(fēng)速判斷，模型中當(dāng)風(fēng)速小于5m／s時，接通斬波電路，為防止開關(guān)頻繁通斷，增加10s的時間延遲。

2）卸荷負(fù)載的仿真模型如圖3所示。將卸荷負(fù)載安裝在發(fā)電機(jī)與整流器之間，既可防止發(fā)電機(jī)超速，也可保證直流母線電壓不超過蓄電池的浮充電壓。為保證三相平衡，采用負(fù)載星形連接；考慮海島環(huán)境和樣機(jī)成本，在保證風(fēng)機(jī)正常運行的情況下采用分段式調(diào)節(jié)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，卸荷負(fù)載的功率要按不小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大輸出功率的1.5倍來選型。卸荷負(fù)載的耐壓值要按不小于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最高空載電壓和充電、控制系統(tǒng)元器件最高耐壓值中最大者的1.5倍來選型［6］。對于22kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因為在蓄電池端還有卸荷負(fù)載進(jìn)行保護(hù)，結(jié)合實際選取30kW的卸荷負(fù)載便可保護(hù)系統(tǒng)，按10kW分成三級分段接入。當(dāng)電壓高于445V接入第一級負(fù)載；當(dāng)高于450V接入第二級負(fù)載；當(dāng)高于460V時，接入第三級負(fù)載，但需要保證蓄電池組的端電壓不超過470V的浮充電壓。

圖3 卸荷負(fù)載仿真模型

3）斬波電路的控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計（見圖4），外環(huán)為電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，其中電流比較環(huán)節(jié)與PI調(diào)節(jié)器以及脈沖產(chǎn)生環(huán)節(jié)共同構(gòu)成了電流的閉環(huán)。本環(huán)節(jié)的輸入量是目標(biāo)電壓值420V。PI環(huán)節(jié)采用帶限幅的PI調(diào)節(jié)器，而脈沖的產(chǎn)生環(huán)節(jié)的輸入是PI調(diào)節(jié)器的限幅輸出。由于采用的是電流的閉環(huán)控制策略，故閉環(huán)中PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)必將會影響到電感電流的響應(yīng)。

4 仿真運行

應(yīng)用Matlab／Simulink軟件對整個系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表1所示。

圖4 電壓電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

表1 仿真參數(shù)

為有效模擬控制器的特性，風(fēng)速設(shè)定成5m／s，并在15s和40s時突升和突降。為更明顯地觀察蓄電池的充電狀態(tài)，蓄電池的剩余容量初始值設(shè)為50%。另外，將蓄電池的剩余容量調(diào)成100%，以檢驗卸荷負(fù)載是否可以保證直流線電壓不超過安全閥值。仿真結(jié)果如5至圖11所示。

圖5 平均風(fēng)速為5m／s的風(fēng)速序列

圖6 整流器輸出電壓

圖7 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率

圖8 蓄電池的剩余容量為50%的充電情況

圖9 蓄電池的剩余容量為50%的充電電壓

圖10 蓄電池的剩余容量為50%的充電電流

圖11 蓄電池的剩余容量為100%的充電電壓

在變化風(fēng)速的影響下，經(jīng)整流器輸出的電壓U1在300V左右波動，由于濾波電容的設(shè)定值較大，波動幅度不太明顯，但在風(fēng)速峰值處，電壓仍有相應(yīng)的增大或減小。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率P變化完全與風(fēng)速變化一致，在5m／s的風(fēng)速下平均產(chǎn)生2kW的電能，將全部充入蓄電池中；由于電池的容量SOC較大，仿真時間較短，在60s內(nèi)剩余容量由50%上升至50.3%；整流器的輸出電壓經(jīng)斬波器升壓至420V左右，滿足蓄電池的充電電壓要求；由于蓄電池的充電電壓U2較為穩(wěn)定，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率隨風(fēng)速波動，導(dǎo)致蓄電池的充電電流I也隨風(fēng)速變化，在仿真結(jié)果中是以負(fù)值表現(xiàn)的；當(dāng)修改蓄電池的剩余容量SOC為100%時，蓄電池處于充滿狀態(tài)，此時接入一級卸荷負(fù)載，發(fā)電機(jī)所發(fā)出的電能由卸荷負(fù)載吸收，保證直流母線電壓不超過閥值，確保系統(tǒng)安全運行。

5 結(jié)語

本文提出了將離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和蓄電池供電技術(shù)相結(jié)合，在海島建立發(fā)電系統(tǒng)向海島居民供應(yīng)電力。經(jīng)模擬仿真驗證可知，仿真結(jié)果與理論分析一致：系統(tǒng)輸出電壓質(zhì)量高，動態(tài)響應(yīng)好，抑制擾動能力強(qiáng)，可以穩(wěn)定地向蓄電池充電。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電控制器符合設(shè)計要求，可以充分利用風(fēng)速較小的風(fēng)資源，也可以在風(fēng)速較大時實現(xiàn)自我保護(hù)。因此，該控制器適應(yīng)于海島風(fēng)力變化不定的情況，該設(shè)計方案可以應(yīng)用到樣機(jī)制造中，并可以推廣到其他海島供電項目中，以解決海島居民的用電問題。

［1］ 劉濤，于群.離網(wǎng)風(fēng)機(jī)逆變裝置測控技術(shù)的仿真研究［J］.電子質(zhì)量，2012（03）：23-25.

［2］ 郭小堅.GB／T 19068.1—2003離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：技術(shù)條件［S］.全國風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2003.

［3］ 張義.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制研究［D］.天津：天津大學(xué)，2007.

［4］ 薛彩霞，王項南，郭毅.多能互補(bǔ)獨立電力系統(tǒng)中蓄電池分組管理的研究［J］.海洋技術(shù)，2013，32（4）：107-110.

［5］ 朱亞俊.永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制技術(shù)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

［6］ 郭利恒，李卿韶.JB／T 6939.1—2003離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用控制器：技術(shù)條件［S］.全國風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，2004.