分布式风力发电系统控制研究

梁徐斌

【摘 要】本文首先介绍了分布式新能源电网系统和风力发电系统的基本运行原理，然后介绍了国内外相关技术的发展历程以及技术现状，最后提出了一套基于无刷直流电机的分布式风力发电系统，并给出了相应的系统控制方案以及系统运行原理的论证分析。

【关键词】分布式电网；风力发电系统

0 引言

能源和环境是每个国家发展战略中不可忽略的重要的两个环节[1]。自从上世纪工业革命以来，各国的工业技术水平得到了飞速发展，人类生存质量得到了显著的提高，以火力发电为主的电网系统控制技术已经得到了相当完善的研究与应用。但与此同时，环境污染问题也变得越发严重。并且随着以煤炭、石油为主的传统能源的日益短缺，开发利用新型的、清洁的、可再生的能源，已经成为了当务之急。

随着低碳经济的概念在全球范围内的推广，并且伴随着只能电网技术的飞速发展，开展基于可再生能源的电网控制技术研究，逐渐成为了各国科研人员的关注重点。以风力发电和太阳能发电为代表的新能源发电技术逐渐走进了人们的视野，并且受到了越来越多的关注。可以说，新能源发电系统是未来电力系统发展的必然方向，也是我国十二五工业4.0转型顺利推进的前提保障。所以，开展基于新能源发电系统的研究与应用，对于我国进一步提升国家竞争力，提升工业技术水平，具有十分重要的战略意义。

1 分布式风力发电系统国内外研究现状

分布式发电系统按照其能源来源分类，大致可以分为分布式风力发电系统与分布式太阳能发电系统。其中，风力发电以其资源保有量大、发电成本低，发电系统运行容错率高的特点，逐渐成为各国分布式新能源发电系统研究的主流方向。

分布式风力发电系统主要由以下部件组成：风轮机、发电机、储能装置以及分布式风力发电系统控制器组成。随着机械控制技术的发展，风轮机经历了定桨距到变桨距的演变历程，其中，定桨距风轮机以其相对较高的控制稳定度，成为了分布式风力发电系统的首选。

目前，风力发电机以永磁同步电机、双馈异步电机和无刷直流电机3大类为主。其中，永磁同步电机功率密度低，且机械结构复杂，加工难度成本高，逐渐被后两个取代，而双馈异步电机同样存在系统控制策略设计复杂的问题。无刷直流电机是近年来电气研究领域的新发现，其励磁、电枢绕组均设置在转子上，电流换向无需辅助装置，已经在风力发电市场中有了一席之地。

风力发电系统控制器，一直以来都是风力发电系统研究的核心技术难点之一。其承担着系统各运行部件的实时监控、最大风能跟踪，负载需求管理等功能。随着DSP，FPGA等集成电路芯片的诞生，系统控制器的设计也由原先的硬件控制设计转为软件研发为主。可以说，系统控制器的设计水准，很大程度上决定了整个分布式风力发电系统的运行性能。

2 分布式风力发电系统控制设计

本文建立的分布式风力发电系统如图1所示。其基本运行原理如下：风轮机捕获风能，然后经无刷直流发电机将风能转换为电能，无刷直流输出端直接构造系统直流母线，直流负载直接挂接在直流母线上工作，交流负载可以通过直流母线电压外接逆变器实现供电，蓄电池通过双向DC/DC与直流母线交联，分布式风力发电系统控制器实现整个系统的监控、控制、调节功能，当双向DC/DC失效时，分布式风力发电系统控制器可以利用相关接触器控制，实现双向DC/DC的切投，此时蓄电池可以直接通过汇流条与直流母线相连，从而实现了系统的备份运行。

双向DC/DC的设计选择是影响系统运行性能的关键。因双向DC/DC具有能量双向流动的特性，因此，仅采用一套电路即可实现蓄电池充放电的实时控制，可以显著节约系统硬件成本。基于控制复杂度考虑，双向DC/DC拓扑中的电子开关管不易过多，所以本文选择双向双管正激电路，其只需要2路两两互补的导通驱动信号，即可实现系统需求的控制功能。

风力发电机与风轮机的合理选型，也是影响风力发电系统效率的另一个关键因素之一。基于无刷直流电机结构简单、运行可靠、容错率高的特点，本文选择电励磁无刷直流电机作为系统发电机，将其与定桨距风轮机采用传动轴直接连接的方式，降低了机械部件之间的损耗，并可进一步提高系统运行效率。

分布式风力发电系统控制器是整个系统的核心部分，本文以主流的DSP2812为控制器基础单元，在芯片内部驻留母线电压、蓄电池电流双闭环控制策略，结合风轮机自身最大风能输出-转速特性，可以通过控制器调节双向DC/DC的电子开关管占空比，实现系统的最大风能跟踪，并且完成直流母线电压的调压控制。

3 结语

本文在介绍分布式风力发电系统的国内外研究现状的基础上，以无刷直流发电机为核心构架，在此基础上提出一种分布式风力发电系统，对该系统各关键组成部分进行了基本原理分析，并对该分布式风力发电系统控制策略进行了详细论证，初步论证了系统控制原理的可实现性。后续研究可以围绕系统仿真、系统样机试验验证展开，从而以更深入的切入点，论证本文所设计的分布式分布式风力发电系统的运行特性。并且，随着锂电池技术的发展，可以考虑用锂电池代替铅酸、镍镉蓄电池的方案可能性，以期得到更好的系统控制性能，最终实现一种高效、可靠的分布式风力发电系统。

【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]侯嘉怡.智能微电网分布式电压控制的研究[D].燕山大学，2014.

[责任编辑：田吉捷]