基于風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置研究

摘 要:針對目前獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)通過“交流-直流-交流”的轉(zhuǎn)換方式供電時，存在能量利用率偏低，且往往達不到負載需求電能的缺點，采用了DC/DC升壓及DC/AC逆變技術(shù)在風力發(fā)電能量轉(zhuǎn)換體系中，設(shè)計了一種新型的能量供應體系及其控制策略，并在此基礎(chǔ)上應用Matlab/Simulink搭建了仿真程序。通過仿真，得到了用戶需要的穩(wěn)定交流電能，驗證了控制策略的正確性及控制方案的可行性，具有很好的推廣應用價值和進一步的研究價值。關(guān)鍵詞:風力發(fā)電; 控制策略; 電能變換; 仿真程序

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0206-03

Electrical Energy Transformation Device Based on Wind Power Generation System

HUANG Ying-qiang， SU Xian-long， SHEN Tao， LAI Hua， LIU Gui-lin， JIANG Shi-ying

(Yibin Vocational and Technical College， Yibin 644003， China)

Abstract: Due to the lower energy availability factor existing in the power supply mode of AC-DC-AC transform in the stand-alone wind power generation system， and because the power supply mode of AC-DC-AC usually could not meet requirement of the electric energy that the load demands， DC/DC boost chopper and DC/AC inverter are adopted in the wind power generation energy conversion system. A new energy supply system and a control strategy were designed. The simulated program was compiled with Matlab/Simulink. The stable AC electric energy demanded by customers was obtained bythe aid of simulation. It verifies that the control strategy is correct and the control scheme is feasible.Keywords: wind power generation; control policy; transformation of electrical energy; simulated program

0 引 言

伴隨著經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增長，人類對能源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規(guī)能源存在有限性，且污染和破壞自然環(huán)境。風能是一種清潔的可再生能源，并且資源豐富，有著無需開采、運輸?shù)奶攸c[1]。目前風力發(fā)電系統(tǒng)分非直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)，前者主要采用齒輪箱對風輪機提速后，驅(qū)動常規(guī)異步發(fā)電機，而直驅(qū)風力發(fā)電在整個體系結(jié)構(gòu)中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風力發(fā)電機的體積和重量，省去了維護，降低了風力發(fā)電機的運行噪聲[2]，所以研究直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置對提高風電轉(zhuǎn)換效率及開發(fā)風力發(fā)電技術(shù)的推廣，有著重要的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 常規(guī)直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的特性

直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)采用低速的永磁同步發(fā)電機取代了異步發(fā)電機，在永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中，風輪機將捕獲的風能以機械能的形式驅(qū)動永磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速隨著風速的變化而進行變化，發(fā)出電壓和頻率都變化的電能，需要經(jīng)過電能變換電路輸出恒壓恒頻的電能[3]。現(xiàn)階段常規(guī)離網(wǎng)型戶用風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 常規(guī)離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

風速的時變性，使得風力發(fā)電機的電壓及頻率變化，不易于直接被負載利用，所以目前的獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)通過“交流-直流-交流”的轉(zhuǎn)換方式供電[4]，且要考慮風速很弱及無風的情況，系統(tǒng)的裝置中使用了蓄電池進行儲能。先用整流器將發(fā)電機的交流電變成直流電向蓄電池充電，再用逆變器將直流電變換成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電輸出供給負載使用。系統(tǒng)的能量傳輸分配中要經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換:電能-化學能-電能，能量的利用率偏低，且由于風力發(fā)電發(fā)出的能量較小，往往達不到負載需求的電能。

2 改造后的直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)

2.1 風力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

針對直驅(qū)風力發(fā)電的特性，研究設(shè)計的風力發(fā)電系統(tǒng)應由風輪機、永磁同步發(fā)電機、電能變換裝置(整流器、直流調(diào)壓裝置、逆變器)、控制器、泄能負載、蓄電池、制動剎車裝置和用戶負載等組成，其設(shè)計研究的永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖2所示。

圖2 直接驅(qū)動風力發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)流程

2.2 能量傳輸分配分析

分析在正常情況下的能量流動路徑，由圖2所列出的風電系統(tǒng)的供電模式可知，在考慮風速大于切入風速及小于切出風速時，風力發(fā)電控制系統(tǒng)中的能量傳輸?shù)年P(guān)系大體上分4種情況如圖3所示。

圖3 風力發(fā)電系統(tǒng)中能量的傳輸分配

正常啟動風速到達后，風輪機開始運行，當風速較大時，風力發(fā)電機組發(fā)出的電能，經(jīng)過電能變換裝置調(diào)節(jié)后，得到用戶負載所需要的交流電，多余的電能經(jīng)過蓄電池儲存起來;當風速不足時，風力發(fā)電機組發(fā)出的電能較小或則不發(fā)電能，此時由蓄電池發(fā)電給電能變換裝置，進而變換后，供給用戶負載;當風力發(fā)電機組發(fā)出的電能遠大于用戶所需的電能，且在蓄電池電量已被充滿的情況下，采用泄能負載控制器對多余的電能放電。

2.3 控制策略的分析設(shè)計

在直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中，風輪機對風能的捕獲及其電能變換裝置的控制策略在整個風電系統(tǒng)運行過程中決定風電轉(zhuǎn)換的效率，根據(jù)風速的變化，負載的變化以及儲能裝置容量的變化，來研究風電系統(tǒng)的控制策略對風力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及最大化的利用風能有著重要的意義。由于離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)多用于農(nóng)區(qū)、牧區(qū)等遠離常規(guī)電網(wǎng)的場所，風力發(fā)電是主要的供電形式，根據(jù)這一地區(qū)用戶負載的用電情況，在常規(guī)情況下可以設(shè)負載的電流閾值為I0，儲能裝置蓄電池SoC的閾值為C0，實測風速的閾值為V0[5]。當風力發(fā)電機運行在切入風速與切出風速之間時，設(shè)定風力發(fā)電體系中用戶負載電流、蓄電池SoC及實測風速分別大于各自設(shè)定的閾值時，為1狀態(tài);小于設(shè)定閾值時為0狀態(tài)，則可列出表1。

表1 控制策略狀態(tài)表

電流I00001111

SoC00110011

風速V01010101

供電模式12345678

開關(guān)狀態(tài)0100011000011000101001100010000110001000

在表中開關(guān)狀態(tài)一行中數(shù)值位是“1”的，表示在圖2中的Tx開關(guān)接通，為“0”的這一路表示開關(guān)斷開，供電模式下的1~8種狀態(tài)分別表示為:T2接通，風機供電;T1，T2接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池充電;T2，T3接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池放電;T2，T4接通，風機供電，泄能負載介入;T2，T3接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池放電;T2接通，風機供電;T2，T3接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池放電;T2接通，風機供電。

在風力發(fā)電系統(tǒng)中，以風力發(fā)電機提供電能為主，蓄電池放電為輔，上述幾種形式為風速達到風輪機運轉(zhuǎn)的切入風速，且未超出切出風速，在穩(wěn)定的工作風速內(nèi)，并未提及無風以及風速過大，超出風力發(fā)電機承受的最大風速，那時將要啟動機械剎車裝置，將風輪機鎖住，保護風力發(fā)電系統(tǒng)。

3 風電體系下的電能變換電路控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)方案的確定

風力發(fā)電機發(fā)出的電能電壓為三相交流電，且輸出電壓較低，需經(jīng)過整流器進行整流，得到的直流電在經(jīng)過控制器的作用下對蓄電池進行充電，設(shè)計中采用的是三相橋式不可控整流。而對于直流變換電路主要功能是:調(diào)節(jié)直流輸出電壓使之恒定，以達到后級逆變電路輸入要求[6];提高逆變電路的功率因數(shù)并抑制高次諧波，完成功率因數(shù)的校正，所以可采用直流Boost升壓斬波電路。選用全橋逆變電路，其特點為帶負載能力強，電路容易達到大功率;又由于LC濾波器有著對輸出波形中的高次諧波進行濾波處理的能力[7-8]，因此選用了輸出端帶LC濾波器的單相全橋逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，以使逆變電路輸出高質(zhì)量的正弦波形。

3.2 電能變換電路的控制器設(shè)計

設(shè)計的永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出電壓在18~50 V之間變化時，經(jīng)過電能變換電路的處理得到穩(wěn)定的220 V電壓，通過研究得出在設(shè)計整流及Boost升壓變換電路的控制策略時，應該以控制輸出電壓為出發(fā)點，使輸出電壓保持恒定為目的，且同時要保證系統(tǒng)功率因數(shù)盡可能的接近于1，綜合風電系統(tǒng)特殊環(huán)境及Boost變換的電路CCM工作特性的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)的設(shè)計中采用了平均電流控制技術(shù)[9]，結(jié)構(gòu)上為電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu);而對于逆變電路部分則在電路的控制方式上選用正弦脈寬調(diào)制方式對逆變電路進行控制，設(shè)計了采用PI調(diào)節(jié)器及PWM控制的電路控制策略[10-11]。在確定了系統(tǒng)中電路的運行狀態(tài)后，確定了電路參數(shù)，并利用Matlab\\\\Simulink搭建了電能變換電路逆變部分的仿真模型，如圖4所示。

圖4 風力發(fā)電控制系統(tǒng)逆變部分仿真模型

仿真結(jié)果如圖5所示。在圖5中從上至下分別為未經(jīng)過濾波的負載電流波形、經(jīng)過濾波后的負載電流電壓波形，仿真結(jié)果可見在允許的范圍內(nèi)達到了負載要求的工作電壓。

4 結(jié) 語

針對永磁直驅(qū)風力發(fā)電體系下的電能變換電路進行了設(shè)計，并對所設(shè)計的控制策略及方案在Matlab軟件下應用Simulink來完成的模型搭建和仿真調(diào)試。通過仿真，驗證了設(shè)計的電能變換電路拓撲結(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。

圖5 風力發(fā)電系控制的輸出端仿真結(jié)果

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