新能源电网电能质量管理系统设计

李悦

【摘 要】本文首先介绍了分布式新能源电网系统的基本运行原理，以及分布式电网技术、新能源技术和电能质量管理系统技术的国内外发展现状，然后以某小型风力发电系统为基本构架，设计建立了一套分布式新能源电能质量管理系统，最后从原理和功能上，论证该系统的可行性。

【关键词】分布式电网；电能管理；电能质量

0 引言

电能质量管理，是每个电网系统设计研发阶段必须要面对的重要问题之一[1]。根据不同电气系统的运行特点，随着社会经济水平不断的发展进步，各企业单位对用电需求的紧迫性也日益增加，与此同时，随着国家工业4.0战略的推进，越来越多的高精尖企业对电网的电能质量提出了更高的要求，这无疑对广大电网系统设计研发人员提出了新的挑战。因此，在工业用电系统中，建立基于负载用电需求模型，建立相应的电能质量管理系统，具有极其重要的经济效益和社会效益。

另一方面，随着全球石油、煤炭等传统化石能源的枯竭，以风力发电、太阳能发电为代表的新能源发电系统，正逐渐成为各国电气科研人员的研究热点。新能源发电系统的投放位置，一般为偏远山区或者近海区域，基本为人力覆盖存在困难的区域[2]。因此，传统的人力监控、人工干预电力系统的监控方式，很难满足新能源发电系统的特殊电能质量管理需求，因此，研发针对新能源发电系统特点的新型电能质量管理系统，是目前各国研究人员的主流研究方向。

1 新能源电网电能质量管理系统国内外研究现状

电能质量管理系统是工业界最早引入机器管理、也是最活跃的研发领域之一。早在20世纪80年代开始，国外就出现了为数众多的，并且控制性能成熟的电能质量管理系统。尽管各种电能质量管理系统特性不一，使用场合也有所区别。但是根据其发展历程，大致可以分为以下几个基本阶段。

20世纪80年代初到80年代中后期，是电能质量管理系统的第一阶段，受制于电子元器件与计算机技术的瓶颈，该阶段的电能质量管理系统主要由继电器、接触器组成，人工干预与人工操作较多。

20世纪90年代初到本世纪初，随着电力电子开关器件的崛起，以继电器接触器为基础架构的电能质量管理系统逐渐被半导体电子开关系统所取代，控制效率与控制精度均有了大幅提升。

本世纪初至今，随着计算机技术的日新月异，各种集成芯片开始介入工业控制领域[2]。在此基础上，电能质量管理系统的研发、使用和维护愈加人性化，并且人工干预需求极大的减少，基本实现了电能质量管理系统的自动化运行。

新能源电网系统是电力系统研发的另一个热门领域，其中风力发电以其清洁、存储量大、成本低的优势，已经在世界范围内得到了广泛的研究与引用。因此，本文基于分布式风力发电系统，进行电网的电能质量管理系统研究与分析。

2 新能源电网电能质量管理系统设计

本文建立的基于分布式风力发电系统的电能质量管理系统如图1所示。其基本架构与运行原理为：由风轮机从风能中捕获能量，从而带动发电机旋转，然后由发电机完成风能到电能的能量转换，直流母线构架在发电机之后，为负载提供能量，蓄电池作为系统能量缓冲器存在，通过系统电能质量管理控制器，最后实现系统电能质量管理。基于无刷直流电机的友好电气特性，本系统选择无刷直流电机作为风力发电机，其与风轮机之间不加装齿轮传动结构，从而减少了机械系统的复杂性，提高了系统运行稳定性。在蓄电池与直流母线之间，设计了一个双向DC/DC作为能量缓冲控制载体，双向DC/DC一般选用BUCK/BOOST拓扑，其结构简单可靠，运行效率高，一套电路即可实现蓄电池电能的双向管理，并且通过双向DC/DC，可以调整直流母线电压的幅值、谐波含量等电能指标，从而最终实现了系统的电能质量管理。

因此，双向DC/DC，蓄电池，以及配套的电能管理系统控制器，是整个电能管理系统的核心。基于双向BUCK/BOOST的特性，本文选择电压、电流双闭环的控制策略。其中外环是母线电压闭环，由传感器检测直流母线电压幅值，与电能管理系统控制器给的的母线电压幅值进行比较，然后进入PI闭环调节，从而得出内环的蓄电池的运行电流给的幅值，内环是蓄电池运行电流闭环PI调节。风力发电系统中，风轮机捕获的能量，与负载所需求的能量基本处于不匹配状态，双向DC/DC与蓄电池的作用正在于此。当负载电能需求大于风轮机捕获的风能时，电能管理系统控制器会调节蓄电池至充电状态，吸收多余的风能。当负载电能需求小于风轮机捕获的风能时，电能管理系统控制器会调节蓄电池至放电状态，补充负载端不足的能量。并且，当负载对直流母线电压的性能有更高需求时，电能管理控制器可以在双向DC/DC闭环调节中，加入相应补偿环节，以期更好的调节直流母线电压电能质量。

3 结语

本文在分析分布式电网系统、电能质量关系系统的研究现状的基础上，以某小型风力发电系统为基础构架，基于分布式发电系统负载的随机性与不确定性，建立了相应的电能质量管理系统，从而实时监控、调节源端、负载端的电能需求匹配关系，从而实现了系统最大电能输出管理，系统欠/过载即时切投控制，最终实现了整个分布式电网系统的电能质量管理。本文仅在功能和原理上，通过理论分析论证了该系统的可用性，下一步需要在相关电气仿真软件中，建立相关仿真模型，从而验证该系统的逻辑实现性，并最后用试验样机验证系统的最终可行性。

【参考文献】

[1]罗咏.双向DC_DC变换器及电池能量管理系统研究[D].武汉：华中科技大学，2013.

[2]马洪飞，张薇，李伟伟，等. 基于直流电机的风力机模拟技术研究[J].太阳能学报，2007，28（11）：1278-1283.

[责任编辑：田吉捷]