一種小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制策略

李德強(qiáng)，郄偉，王超，萬寶，劉慧芳，王議鋒

（1.天津市電力公司濱海供電分公司，天津 300072；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

一種小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制策略

李德強(qiáng)1，郄偉1，王超1，萬寶1，劉慧芳1，王議鋒2

（1.天津市電力公司濱海供電分公司，天津 300072；2.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

提出并分析了一種小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在傳統(tǒng)的小型并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入一條儲(chǔ)能支路，使得系統(tǒng)可以收集微弱的風(fēng)能，以提高風(fēng)能利用率。該系統(tǒng)采用了一種基于電池荷電狀態(tài)的控制策略，根據(jù)電池在不同荷電狀態(tài)下的不同工況將控制策略分為多個(gè)模態(tài)，同時(shí)可以有效地根據(jù)不同風(fēng)速調(diào)整系統(tǒng)的工作模態(tài)，因此具有延長(zhǎng)電池使用壽命與針對(duì)小型風(fēng)場(chǎng)的適應(yīng)性。最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所述小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的有效性以及理論分析的可靠性。

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；荷電狀態(tài)；多模態(tài)切換

新能源發(fā)電是當(dāng)前面對(duì)能源危機(jī)挑戰(zhàn)下，科學(xué)家們尋找到的一條重要的解決道路。通常，新能源應(yīng)具有清潔無污染，可再生，可持續(xù)等顯著特點(diǎn)，而風(fēng)能作為其中的一個(gè)重要組成部分，不僅擁有上述所有優(yōu)點(diǎn)，還具有成本低廉，儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)，具有研究和應(yīng)用價(jià)值［1-4］。

根據(jù)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的容量不同，風(fēng)力發(fā)電可以被分為大、中、小型系統(tǒng)，其中，大中型風(fēng)電系統(tǒng)已經(jīng)有相對(duì)成熟的技術(shù)和相對(duì)廣泛的應(yīng)用范圍。相較之下，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)則顯得技術(shù)儲(chǔ)備不足，應(yīng)用范圍受限，這是因?yàn)樾⌒惋L(fēng)電系統(tǒng)存在一些技術(shù)難題，包括：波動(dòng)劇烈且平均風(fēng)速偏低的風(fēng)場(chǎng)；套用大中型風(fēng)電系統(tǒng)的拓?fù)浼軜?gòu)與控制；多級(jí)變換器電壓不匹配，且效率偏低等。但考慮到小型風(fēng)電系統(tǒng)裝機(jī)容量靈活，安裝維護(hù)簡(jiǎn)易，便于戶用發(fā)電等特點(diǎn)，對(duì)于相關(guān)技術(shù)的研究仍然具有較大意義［1］。

小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以劃分為離網(wǎng)型系統(tǒng)與并網(wǎng)型系統(tǒng)2種。其中，離網(wǎng)型系統(tǒng)為小型風(fēng)電系統(tǒng)研究的重點(diǎn)，文獻(xiàn)［5-7］提出了幾種離網(wǎng)型系統(tǒng)應(yīng)用，通常采用不可控整流器、Buck變換器以及直流負(fù)載的電路結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)研究高效變換、快速捕捉、準(zhǔn)確定位的最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）算法，往往可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的高效利用。但是，離網(wǎng)系統(tǒng)往往僅適用于某種特定的負(fù)載，這無疑限制了其更加廣泛的應(yīng)用。

相較于離網(wǎng)系統(tǒng)，并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)顯然具有更加寬廣的應(yīng)用。文獻(xiàn)［8-9］重點(diǎn)研究了幾種并網(wǎng)型小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用不可控整流器、Boost變換器、逆變器的電路結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電提供硬件基礎(chǔ)。然而，該文章仍然是以探究新型MPPT算法為主要目標(biāo)，多考慮風(fēng)能充足條件下，變換器額定運(yùn)轉(zhuǎn)的性能優(yōu)化，較少考慮低風(fēng)、少風(fēng)條件下，系統(tǒng)無法正常并網(wǎng)發(fā)電的一般狀態(tài)。因此，相關(guān)研究仍然需要進(jìn)一步完善。

充分考慮上述離網(wǎng)型與并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在問題，本文提出了一種新型的小型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用新型的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及配套的控制策略，可以有效實(shí)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)能不足時(shí)，對(duì)微弱風(fēng)能能量的收集；當(dāng)風(fēng)能充足時(shí)，風(fēng)能能量傳輸至電網(wǎng)發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速過高時(shí)，對(duì)變換器設(shè)備進(jìn)行保護(hù)等功能。因此，本文所采用的小型風(fēng)電系統(tǒng)充分考慮小型風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，具有較高的適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的電力電子變換器由3部分組成，包括新型整流變換器，雙Buck高頻逆變器，雙向DC/DC儲(chǔ)能變換器以及配套電池。與傳統(tǒng)的三級(jí)變換器結(jié)構(gòu)相比，本文所提及系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：新型整流變換器兼具整流與升壓兩種作用，更容易滿足后級(jí)逆變器對(duì)于輸入側(cè)直流母線電壓的要求；相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)先整流后升壓的雙級(jí)結(jié)構(gòu)，單級(jí)式整流器還可以保證較高的變換效率；系統(tǒng)引入儲(chǔ)能元件，可以實(shí)現(xiàn)在風(fēng)能不足條件下，收集并儲(chǔ)存微弱能量的功能；當(dāng)電池儲(chǔ)能充足時(shí)，可由電池直接向逆變器供能，相較于波動(dòng)較大的風(fēng)能，系統(tǒng)可以在一段時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定、波動(dòng)較小的能量供應(yīng)。

如圖2所示，整流變換器是在傳統(tǒng)的三相單開關(guān)Boost整流變換器的基礎(chǔ)上，在三相交流輸入側(cè)處每相引入1個(gè)帶開關(guān)電容組的反激式倍壓?jiǎn)卧⒈秹簡(jiǎn)卧敵鲭娙菹炔⒙?lián)，再與主電路輸出電容串聯(lián)的形式，將倍壓?jiǎn)卧敵鲭妷号c主電路輸出電壓相疊加，以達(dá)到提高電壓增益的目的。反激式倍壓?jiǎn)卧勺儔浩?、開關(guān)電容組、輸出二極管以及輸出電容組成。它由變壓器原邊吸取能量，并暫時(shí)儲(chǔ)存在開關(guān)電容之中，在1個(gè)工作周期內(nèi)，將儲(chǔ)存的能量重新釋放至輸出電容，向后級(jí)變換器供電。

圖1 小型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit structure of the proposed small-scaled grid-tie wind power generation system

圖2 三相反激式高增益變換器拓?fù)銯ig.2 The topology of the three-phase flyback high step-up AC-DC converter

雙Buck高頻逆變器則是借鑒Buck電路的工作方式，將2個(gè)類似Buck電路的單體電路交錯(cuò)并聯(lián)，保證電路在半個(gè)工頻周期內(nèi)，僅有1個(gè)Buck單體工作，完成逆變功能。相較于傳統(tǒng)的單相全橋式并網(wǎng)逆變器，雙Buck逆變器具有以下優(yōu)勢(shì)：不存在橋臂直通的現(xiàn)象，安全性和可靠性得到提高；獨(dú)立的續(xù)流二級(jí)管提高了變換效率等。

此外，該逆變器可以工作在50～100 kHz的相對(duì)高頻的條件下，可以有效減小變換器體積，提高功率密度。

雙向DC/DC儲(chǔ)能變換器由4個(gè)功率開關(guān)管S2～S5及電感Lbat組成，它可以根據(jù)電路不同工況調(diào)整各個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)，輔助系統(tǒng)進(jìn)行電池充放電，具體的工作狀態(tài)如表1所示。

表1 雙向DC/DC變換器工作狀態(tài)Tab.1 Working condition of the bidirectional DC/DC converter

相較于離網(wǎng)型系統(tǒng)中常采用的低電壓大容量的儲(chǔ)能電池不同，本系統(tǒng)配套電池不僅需要實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)能充足的條件下，通過雙向DC/DC變換器獨(dú)立地維持母線電壓（390 V），以保證達(dá)到逆變器正常并網(wǎng)發(fā)電最小工作電壓的功能，還需要滿足在風(fēng)能捕獲不足的條件下，收集經(jīng)整流器、雙向DC/DC變換器的微弱能量的要求。因此，前者需要電池電壓相對(duì)較高，減輕DC/DC變換器的升壓負(fù)擔(dān)，保證占空比不工作在過高的條件下；而后者則需要電池電壓不能過高，因?yàn)樵谳斎肽芰渴治⑿〉臈l件下，即使經(jīng)過了具有高電壓增益的整流變換器，母線的電壓等級(jí)仍然有限，所以這就要求儲(chǔ)能電池不能有過高的電壓。

綜合上述情況，最終，本文采取由32節(jié)“3 V 10A·h”的磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)而成的鋰電池組作為儲(chǔ)能電池。進(jìn)一步根據(jù)文獻(xiàn)［10］所述，為了防止電池處于極限工作條件時(shí)，電池壽命受到影響，應(yīng)控制電池工作在其荷電狀態(tài)（SOC）中間段（10%～90%），對(duì)應(yīng)的電池端電壓為104～108 V。

2 系統(tǒng)控制策略

基于上述系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)，本文提出了一種配套的系統(tǒng)控制策略。該策略根據(jù)小型風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，以盡可能地提高風(fēng)能利用率為主要目的，同時(shí)兼顧儲(chǔ)能電池的使用壽命，根據(jù)儲(chǔ)能電池SOC的不同階段，將系統(tǒng)控制策略分為4個(gè)主要模態(tài)：少電模態(tài)（low-charge mode，LC模態(tài)）、待充模態(tài)（ready-to-charge mode，RC模態(tài)）、待放模態(tài)（ready-to-release mode，RR模態(tài)）以及滿充模態(tài)（full-charge mode，F(xiàn)C模態(tài)）。每個(gè)主模態(tài)下又分為若干子模態(tài)，如圖3所示。整流器則采用變步長(zhǎng)MPPT控制［11］捕獲最大功率點(diǎn)。

少電模態(tài)表示當(dāng)電池處于該工作模態(tài)時(shí)，認(rèn)為電池所含電量不足，繼續(xù)放電可能會(huì)引起電池壽命的快速下降，因此不允許電池放電，通常情況下也不允許系統(tǒng)向電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電，而是將收集到的風(fēng)能全部流向電池，提高電池儲(chǔ)電量。僅當(dāng)電池充電電流達(dá)到設(shè)定值ILC_SET時(shí)，系統(tǒng)允許將多余的能量并網(wǎng)發(fā)電。

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略Fig.3 Control strategy of the proposed wind generation system

少電模態(tài)又可以分為3個(gè)子模態(tài)，當(dāng)能量非常微弱時(shí)，即使經(jīng)過整流器升壓，系統(tǒng)的直流母線仍然處于較低的水平，此時(shí)由于能量過于微小，雙向DC/DC變換器工作在定占空比電池Boost充電狀態(tài)；當(dāng)輸入能量提高，母線電壓達(dá)到設(shè)定值VLC_SET時(shí)，通過DC/DC變換器將母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值VLC_SET，不僅可以確保DC/DC電路占空比工作范圍在0.3～0.7之間，使得電路具有較好的變換效果和較高的效率，同時(shí)也保證母線電壓不在電池電壓Vbat附近波動(dòng)，造成模態(tài)頻繁切換或誤動(dòng)作；當(dāng)能量進(jìn)一步升高，充電電流到達(dá)設(shè)定值ILC_SET時(shí)，此時(shí)雙向DC/DC工作在Buck充電模式，母線電壓被穩(wěn)定在390 V，多余的能量經(jīng)逆變器并網(wǎng)發(fā)電。少電模態(tài)的判斷條件可以表示為

待充模態(tài)則說明電池此時(shí)已經(jīng)儲(chǔ)有一定電量，但仍然能夠繼續(xù)儲(chǔ)存微弱風(fēng)能。因此，當(dāng)能量不足條件下，不允許電池放電，但當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能達(dá)到一定程度時(shí)，允許系統(tǒng)向電網(wǎng)正常并網(wǎng)發(fā)電。

待充模態(tài)可以分為4個(gè)子模態(tài)，前兩個(gè)子模態(tài)與少電模態(tài)前兩個(gè)子模態(tài)完全相同，不同之處在于當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出能量進(jìn)一步提高，達(dá)到設(shè)定值PRC_SET1時(shí)，DC/DC變換器工作在Boost電池放電模態(tài)，此時(shí)電池輸出較少的能量維持直流母線電壓處于逆變器可以正常工作的最低要求，整流器發(fā)出的能量隨電池放電一同向電網(wǎng)發(fā)電，此時(shí)，充電電流并未達(dá)到少電模態(tài)下電流設(shè)定值ILC_SET；當(dāng)輸入能量進(jìn)一步提高，并網(wǎng)能量達(dá)到逆變器最大輸出功率Pinv_MAX設(shè)定值時(shí)，DC/DC變換器工作在Buck電池充電狀態(tài)下，整流器輸出能量一方面維持逆變器以最大功率Pinv_MAX并網(wǎng)發(fā)電，一方面將多余能量存儲(chǔ)至電池之中。待充模態(tài)的判斷條件可以表示為

待放模態(tài)，電池處于該模態(tài)下，表明電池已經(jīng)處于電池最優(yōu)使用范圍的邊緣（90%），電池應(yīng)當(dāng)將儲(chǔ)存的電能向電網(wǎng)釋放，僅當(dāng)輸入能量達(dá)到一定程度時(shí)，才允許向電池繼續(xù)充電。

該模態(tài)共有2個(gè)子模態(tài)，輸入能量較小，電池以0.2 C向外放電，逆變器維持母線電壓控制母線電壓在390 V，并將電池放出的能量傳輸至電網(wǎng)，當(dāng)輸入能量逐漸增加使得整流器輸出功率與電池放電功率達(dá)到逆變器最大輸出功率Pinv_MAX時(shí)，隨著整流器輸出功率Prectifier進(jìn)一步提高，電池放電功率Pbat逐漸減小，但始終滿足下式不變。

當(dāng)能量進(jìn)一步升高，滿足下式時(shí)，DC/DC變換器工作在Buck電池充電模態(tài)，逆變器以Pinv_MAX并網(wǎng)發(fā)電，電池吸收多余的能量。

待放模態(tài)的判斷條件可以表示為

滿充模態(tài)，電池處于此模態(tài)時(shí)，認(rèn)為電池已經(jīng)完全充滿，繼續(xù)充電將導(dǎo)致電池處于過度充電，使得電池壽命快速下降。因此，此模態(tài)下，不允許對(duì)電池繼續(xù)充電。

該模態(tài)仍然具有2個(gè)子模態(tài)，第1個(gè)子模態(tài)與待放模態(tài)相同，但當(dāng)系統(tǒng)滿足式（4）的條件時(shí)，系統(tǒng)不再向電池充電，而是啟動(dòng)卸荷電阻，將多余能量消耗。滿充模態(tài)的判斷條件可以表示為

根據(jù)上述分析可知，該系統(tǒng)的控制策略基于對(duì)電池處于不同荷電狀態(tài)的不同性質(zhì)的考慮，將控制策略劃分為4個(gè)模態(tài)。在每個(gè)主模態(tài)之中，另根據(jù)不同的風(fēng)速條件，即風(fēng)機(jī)輸出功率的不同，將策略進(jìn)一步的劃分為若干子模態(tài)以適應(yīng)系統(tǒng)的不同工作條件。因此，該控制策略不僅可以一定程度上延長(zhǎng)儲(chǔ)能電池的使用壽命，同時(shí)也可以適應(yīng)小型風(fēng)場(chǎng)下不同風(fēng)速條件，因此具有較大優(yōu)勢(shì)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證所述風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)以及控制策略的有效性和可靠性，本文基于樣機(jī)進(jìn)行了不同工況下的功率實(shí)驗(yàn)，記錄并分析了實(shí)驗(yàn)波形。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。

圖4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 Experimental waveforms of the proposed wind generation system

圖4a～圖4d分別表示少電、待充、待放與待充模態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形。

如圖4a所示，在少電狀態(tài)下，在0～8 s范圍內(nèi)，輸入能量較少，雙向DC/DC變換器以定占空比工作在Boost電池充電模態(tài)下，母線電壓隨著輸入能量升高而逐漸升高，至在t=8 s時(shí)刻，達(dá)到少電模態(tài)的設(shè)定值VLC_SET（60 V），以后在8～24 s內(nèi)，系統(tǒng)始終將直流母線電壓控制在設(shè)定值，直至t=24 s時(shí)刻，電池充電電流達(dá)到設(shè)定值ILC_SET，系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)子模態(tài)，維持電池充電電流不變，多余的能量由逆變器并網(wǎng)傳輸至電網(wǎng)。

圖4b表示待充模態(tài)的子模態(tài)切換實(shí)驗(yàn)，在0～12.5 s內(nèi)系統(tǒng)從定占空比子模態(tài)過渡到控制母線電壓的子模態(tài)。在t=24 s時(shí)刻，由于輸入能量進(jìn)一步提高，達(dá)到設(shè)定值PRC_SET1（50 W）時(shí)，此時(shí)電池向母線放電，維持母線電壓在390 V左右，逆變器開始并網(wǎng)發(fā)電，且輸出功率隨著輸入能量升高而升高；至t=36 s時(shí)刻，系統(tǒng)達(dá)到式（3）的狀態(tài)，電池由Boost放電轉(zhuǎn)為Buck充電，在36～45 s內(nèi)由于電池不再放電，逆變器輸出功率完全由整流器輸出功率提供，因此輸出功率會(huì)略有下降，此時(shí)電池充電電流為0，直至t=45 s時(shí)刻，整流器輸出功率超過了逆變器最大并網(wǎng)功率，電池充電電流開始增加，電池吸收多余的能量。

圖4c表示待放模態(tài)下的波形，在0～8 s內(nèi)，電池以0.18 C向外放電，至t=8 s時(shí)刻，電機(jī)輸出能量開始增加，至t=17 s時(shí)刻，整流器輸出功率與電池輸出功率達(dá)到逆變器最大并網(wǎng)功率，之后隨著電機(jī)輸出功率進(jìn)一步提高，電池放電電流開始下降，直到t=40 s時(shí)刻，電池放電電流下降至零；之后，隨著輸入能量進(jìn)一步升高，電池開始以Buck形式充電。

圖4d表示滿充模態(tài)下的實(shí)驗(yàn)波形圖，在0～41 s內(nèi)，系統(tǒng)的子模態(tài)變化與待放模態(tài)下相似，至t=41 s時(shí)刻，此時(shí)整流器輸出功率等于逆變器最大并網(wǎng)功率，當(dāng)輸入能量進(jìn)一步升高時(shí)，卸荷電阻將被投入，消耗多余能量。

根據(jù)上述每個(gè)模態(tài)的實(shí)驗(yàn)波形和分析，可以看出，系統(tǒng)在各個(gè)主模態(tài)及子模態(tài)的切換與控制策略的理論分析相同，證明了該風(fēng)電系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)與控制策略的有效性以及理論分析的可靠性。

4 結(jié)論

綜合考慮小型離網(wǎng)型和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足，本文提出了一種新型的小型并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用包括高電壓增益整流器，雙向DC/DC變換器及其配套儲(chǔ)能電池，高頻并網(wǎng)逆變器的電路結(jié)構(gòu)，并根據(jù)小型風(fēng)場(chǎng)的特點(diǎn)，采用具有針對(duì)性的控制策略，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該小型風(fēng)電系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)保證電池使用壽命及適應(yīng)不同風(fēng)速工況，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的可靠性。

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Novel Small-scaled Wind Generation System with Corresponding Control Strategy

LI Deqiang1，QIE Wei1，WANG Chao1，WAN Bao1，LIU Huifang1，WANG Yifeng2
（1.State Grid Tianjin Binhai Electric Power Supply Company，Tianjin300072，China；2.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin300072，China）

A small-scaled grid-tie wind generation system（SGWGS）was proposed and analyzed.Novel circuit topologies were employed，and based on the traditional SGWGS，an additional branch for energy storage was introduced into.As a result，weak wind energy could be collected，and the utilization rate of wind power was promoted.The system also adopted a novel control strategy based on the state-of-charge（SOC）of the battery.This control strategy could be divided into several modes according to different working conditions of different SOC and had the ability to adjust operating mode for the system to adapt to variable wind speed efficiently.Thus the system was able to harvest the prolonged lifetime for the battery and high flexibility towards small-scaled wind farm.At last，experiments were conducted to verify the availability of the proposed SGWGS with its control strategy and the reliability of the theoretical analysis.

small-scaled wind generation system；state-of-charge；multimodal switching

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161213

2015-11-27

修改稿日期：2016-06-11

國(guó)網(wǎng)天津市電力公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（KJ15-1-33）

李德強(qiáng)（1981-），男，學(xué)士，工程師，Email：tjuldq@126.com