一种小型并网风力发电系统及其控制策略

李德强，郄伟，王超，万宝，刘慧芳，王议锋

（1.天津市电力公司滨海供电分公司，天津 300072；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

一种小型并网风力发电系统及其控制策略

李德强1，郄伟1，王超1，万宝1，刘慧芳1，王议锋2

（1.天津市电力公司滨海供电分公司，天津 300072；2.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

提出并分析了一种小型并网风力发电系统，该系统采用了新的电路拓扑结构，并在传统的小型并网型风电系统的基础上引入一条储能支路，使得系统可以收集微弱的风能，以提高风能利用率。该系统采用了一种基于电池荷电状态的控制策略，根据电池在不同荷电状态下的不同工况将控制策略分为多个模态，同时可以有效地根据不同风速调整系统的工作模态，因此具有延长电池使用寿命与针对小型风场的适应性。最后实验结果表明了所述小型风力发电系统的有效性以及理论分析的可靠性。

小型风力发电系统；荷电状态；多模态切换

新能源发电是当前面对能源危机挑战下，科学家们寻找到的一条重要的解决道路。通常，新能源应具有清洁无污染，可再生，可持续等显著特点，而风能作为其中的一个重要组成部分，不仅拥有上述所有优点，还具有成本低廉，储量丰富等优势，具有研究和应用价值［1-4］。

根据风机系统的容量不同，风力发电可以被分为大、中、小型系统，其中，大中型风电系统已经有相对成熟的技术和相对广泛的应用范围。相较之下，小型风力发电系统则显得技术储备不足，应用范围受限，这是因为小型风电系统存在一些技术难题，包括：波动剧烈且平均风速偏低的风场；套用大中型风电系统的拓扑架构与控制；多级变换器电压不匹配，且效率偏低等。但考虑到小型风电系统装机容量灵活，安装维护简易，便于户用发电等特点，对于相关技术的研究仍然具有较大意义［1］。

小型风力发电系统可以划分为离网型系统与并网型系统2种。其中，离网型系统为小型风电系统研究的重点，文献［5-7］提出了几种离网型系统应用，通常采用不可控整流器、Buck变换器以及直流负载的电路结构，重点研究高效变换、快速捕捉、准确定位的最大功率点跟踪控制（MPPT）算法，往往可以实现对风能的高效利用。但是，离网系统往往仅适用于某种特定的负载，这无疑限制了其更加广泛的应用。

相较于离网系统，并网型风电系统显然具有更加宽广的应用。文献［8-9］重点研究了几种并网型小型风力发电系统，采用不可控整流器、Boost变换器、逆变器的电路结构，为系统并网发电提供硬件基础。然而，该文章仍然是以探究新型MPPT算法为主要目标，多考虑风能充足条件下，变换器额定运转的性能优化，较少考虑低风、少风条件下，系统无法正常并网发电的一般状态。因此，相关研究仍然需要进一步完善。

充分考虑上述离网型与并网型风电系统的特点与存在问题，本文提出了一种新型的小型并网型风力发电系统，该系统采用新型的电路拓扑结构，以及配套的控制策略，可以有效实现：当风能不足时，对微弱风能能量的收集；当风能充足时，风能能量传输至电网发电；当风速过高时，对变换器设备进行保护等功能。因此，本文所采用的小型风电系统充分考虑小型风场的特点，具有较高的适应性。

1 系统结构

小型并网型风力发电系统电路结构如图1所示。该系统的电力电子变换器由3部分组成，包括新型整流变换器，双Buck高频逆变器，双向DC/DC储能变换器以及配套电池。与传统的三级变换器结构相比，本文所提及系统具有以下优点：新型整流变换器兼具整流与升压两种作用，更容易满足后级逆变器对于输入侧直流母线电压的要求；相较于传统结构先整流后升压的双级结构，单级式整流器还可以保证较高的变换效率；系统引入储能元件，可以实现在风能不足条件下，收集并储存微弱能量的功能；当电池储能充足时，可由电池直接向逆变器供能，相较于波动较大的风能，系统可以在一段时间内提供稳定、波动较小的能量供应。

如图2所示，整流变换器是在传统的三相单开关Boost整流变换器的基础上，在三相交流输入侧处每相引入1个带开关电容组的反激式倍压单元，并将倍压单元输出电容先并联，再与主电路输出电容串联的形式，将倍压单元输出电压与主电路输出电压相叠加，以达到提高电压增益的目的。反激式倍压单元由变压器、开关电容组、输出二极管以及输出电容组成。它由变压器原边吸取能量，并暂时储存在开关电容之中，在1个工作周期内，将储存的能量重新释放至输出电容，向后级变换器供电。

图1 小型并网型风力发电系统电路结构Fig.1 Circuit structure of the proposed small-scaled grid-tie wind power generation system

图2 三相反激式高增益变换器拓扑Fig.2 The topology of the three-phase flyback high step-up AC-DC converter

双Buck高频逆变器则是借鉴Buck电路的工作方式，将2个类似Buck电路的单体电路交错并联，保证电路在半个工频周期内，仅有1个Buck单体工作，完成逆变功能。相较于传统的单相全桥式并网逆变器，双Buck逆变器具有以下优势：不存在桥臂直通的现象，安全性和可靠性得到提高；独立的续流二级管提高了变换效率等。

此外，该逆变器可以工作在50～100 kHz的相对高频的条件下，可以有效减小变换器体积，提高功率密度。

双向DC/DC储能变换器由4个功率开关管S2～S5及电感Lbat组成，它可以根据电路不同工况调整各个开关的导通关断状态，辅助系统进行电池充放电，具体的工作状态如表1所示。

表1 双向DC/DC变换器工作状态Tab.1 Working condition of the bidirectional DC/DC converter

相较于离网型系统中常采用的低电压大容量的储能电池不同，本系统配套电池不仅需要实现在储能充足的条件下，通过双向DC/DC变换器独立地维持母线电压（390 V），以保证达到逆变器正常并网发电最小工作电压的功能，还需要满足在风能捕获不足的条件下，收集经整流器、双向DC/DC变换器的微弱能量的要求。因此，前者需要电池电压相对较高，减轻DC/DC变换器的升压负担，保证占空比不工作在过高的条件下；而后者则需要电池电压不能过高，因为在输入能量十分微小的条件下，即使经过了具有高电压增益的整流变换器，母线的电压等级仍然有限，所以这就要求储能电池不能有过高的电压。

综合上述情况，最终，本文采取由32节“3 V 10A·h”的磷酸铁锂电池单体串联而成的锂电池组作为储能电池。进一步根据文献［10］所述，为了防止电池处于极限工作条件时，电池寿命受到影响，应控制电池工作在其荷电状态（SOC）中间段（10%～90%），对应的电池端电压为104～108 V。

2 系统控制策略

基于上述系统电路结构，本文提出了一种配套的系统控制策略。该策略根据小型风场的特点，以尽可能地提高风能利用率为主要目的，同时兼顾储能电池的使用寿命，根据储能电池SOC的不同阶段，将系统控制策略分为4个主要模态：少电模态（low-charge mode，LC模态）、待充模态（ready-to-charge mode，RC模态）、待放模态（ready-to-release mode，RR模态）以及满充模态（full-charge mode，FC模态）。每个主模态下又分为若干子模态，如图3所示。整流器则采用变步长MPPT控制［11］捕获最大功率点。

少电模态表示当电池处于该工作模态时，认为电池所含电量不足，继续放电可能会引起电池寿命的快速下降，因此不允许电池放电，通常情况下也不允许系统向电网并网发电，而是将收集到的风能全部流向电池，提高电池储电量。仅当电池充电电流达到设定值ILC_SET时，系统允许将多余的能量并网发电。

图3 风力发电系统控制策略Fig.3 Control strategy of the proposed wind generation system

少电模态又可以分为3个子模态，当能量非常微弱时，即使经过整流器升压，系统的直流母线仍然处于较低的水平，此时由于能量过于微小，双向DC/DC变换器工作在定占空比电池Boost充电状态；当输入能量提高，母线电压达到设定值VLC_SET时，通过DC/DC变换器将母线电压稳定在设定值VLC_SET，不仅可以确保DC/DC电路占空比工作范围在0.3～0.7之间，使得电路具有较好的变换效果和较高的效率，同时也保证母线电压不在电池电压Vbat附近波动，造成模态频繁切换或误动作；当能量进一步升高，充电电流到达设定值ILC_SET时，此时双向DC/DC工作在Buck充电模式，母线电压被稳定在390 V，多余的能量经逆变器并网发电。少电模态的判断条件可以表示为

待充模态则说明电池此时已经储有一定电量，但仍然能够继续储存微弱风能。因此，当能量不足条件下，不允许电池放电，但当风机发出的电能达到一定程度时，允许系统向电网正常并网发电。

待充模态可以分为4个子模态，前两个子模态与少电模态前两个子模态完全相同，不同之处在于当风机输出能量进一步提高，达到设定值PRC_SET1时，DC/DC变换器工作在Boost电池放电模态，此时电池输出较少的能量维持直流母线电压处于逆变器可以正常工作的最低要求，整流器发出的能量随电池放电一同向电网发电，此时，充电电流并未达到少电模态下电流设定值ILC_SET；当输入能量进一步提高，并网能量达到逆变器最大输出功率Pinv_MAX设定值时，DC/DC变换器工作在Buck电池充电状态下，整流器输出能量一方面维持逆变器以最大功率Pinv_MAX并网发电，一方面将多余能量存储至电池之中。待充模态的判断条件可以表示为

待放模态，电池处于该模态下，表明电池已经处于电池最优使用范围的边缘（90%），电池应当将储存的电能向电网释放，仅当输入能量达到一定程度时，才允许向电池继续充电。

该模态共有2个子模态，输入能量较小，电池以0.2 C向外放电，逆变器维持母线电压控制母线电压在390 V，并将电池放出的能量传输至电网，当输入能量逐渐增加使得整流器输出功率与电池放电功率达到逆变器最大输出功率Pinv_MAX时，随着整流器输出功率Prectifier进一步提高，电池放电功率Pbat逐渐减小，但始终满足下式不变。

当能量进一步升高，满足下式时，DC/DC变换器工作在Buck电池充电模态，逆变器以Pinv_MAX并网发电，电池吸收多余的能量。

待放模态的判断条件可以表示为

满充模态，电池处于此模态时，认为电池已经完全充满，继续充电将导致电池处于过度充电，使得电池寿命快速下降。因此，此模态下，不允许对电池继续充电。

该模态仍然具有2个子模态，第1个子模态与待放模态相同，但当系统满足式（4）的条件时，系统不再向电池充电，而是启动卸荷电阻，将多余能量消耗。满充模态的判断条件可以表示为

根据上述分析可知，该系统的控制策略基于对电池处于不同荷电状态的不同性质的考虑，将控制策略划分为4个模态。在每个主模态之中，另根据不同的风速条件，即风机输出功率的不同，将策略进一步的划分为若干子模态以适应系统的不同工作条件。因此，该控制策略不仅可以一定程度上延长储能电池的使用寿命，同时也可以适应小型风场下不同风速条件，因此具有较大优势。

3 实验与分析

为了验证所述风力发电系统电路结构以及控制策略的有效性和可靠性，本文基于样机进行了不同工况下的功率实验，记录并分析了实验波形。

风力发电系统实验波形如图4所示。

图4 风力发电系统实验波形Fig.4 Experimental waveforms of the proposed wind generation system

图4a～图4d分别表示少电、待充、待放与待充模态下的实验波形。

如图4a所示，在少电状态下，在0～8 s范围内，输入能量较少，双向DC/DC变换器以定占空比工作在Boost电池充电模态下，母线电压随着输入能量升高而逐渐升高，至在t=8 s时刻，达到少电模态的设定值VLC_SET（60 V），以后在8～24 s内，系统始终将直流母线电压控制在设定值，直至t=24 s时刻，电池充电电流达到设定值ILC_SET，系统进入下一个子模态，维持电池充电电流不变，多余的能量由逆变器并网传输至电网。

图4b表示待充模态的子模态切换实验，在0～12.5 s内系统从定占空比子模态过渡到控制母线电压的子模态。在t=24 s时刻，由于输入能量进一步提高，达到设定值PRC_SET1（50 W）时，此时电池向母线放电，维持母线电压在390 V左右，逆变器开始并网发电，且输出功率随着输入能量升高而升高；至t=36 s时刻，系统达到式（3）的状态，电池由Boost放电转为Buck充电，在36～45 s内由于电池不再放电，逆变器输出功率完全由整流器输出功率提供，因此输出功率会略有下降，此时电池充电电流为0，直至t=45 s时刻，整流器输出功率超过了逆变器最大并网功率，电池充电电流开始增加，电池吸收多余的能量。

图4c表示待放模态下的波形，在0～8 s内，电池以0.18 C向外放电，至t=8 s时刻，电机输出能量开始增加，至t=17 s时刻，整流器输出功率与电池输出功率达到逆变器最大并网功率，之后随着电机输出功率进一步提高，电池放电电流开始下降，直到t=40 s时刻，电池放电电流下降至零；之后，随着输入能量进一步升高，电池开始以Buck形式充电。

图4d表示满充模态下的实验波形图，在0～41 s内，系统的子模态变化与待放模态下相似，至t=41 s时刻，此时整流器输出功率等于逆变器最大并网功率，当输入能量进一步升高时，卸荷电阻将被投入，消耗多余能量。

根据上述每个模态的实验波形和分析，可以看出，系统在各个主模态及子模态的切换与控制策略的理论分析相同，证明了该风电系统电路结构与控制策略的有效性以及理论分析的可靠性。

4 结论

综合考虑小型离网型和并网型风力发电系统的特点和不足，本文提出了一种新型的小型并网型风力发电系统，采用包括高电压增益整流器，双向DC/DC变换器及其配套储能电池，高频并网逆变器的电路结构，并根据小型风场的特点，采用具有针对性的控制策略，经试验验证，该小型风电系统可以同时实现保证电池使用寿命及适应不同风速工况，进一步验证了理论分析的可靠性。

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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

国网天津市电力公司科学技术项目（KJ15-1-33）

李德强（1981-），男，学士，工程师，Email：tjuldq@126.com