摘 要:針對(duì)目前獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過“交流-直流-交流”的轉(zhuǎn)換方式供電時(shí)，存在能量利用率偏低，且往往達(dá)不到負(fù)載需求電能的缺點(diǎn)，采用了DC/DC升壓及DC/AC逆變技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電能量轉(zhuǎn)換體系中，設(shè)計(jì)了一種新型的能量供應(yīng)體系及其控制策略，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)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(yàn)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(yīng)用價(jià)值和進(jìn)一步的研究?jī)r(jià)值。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電; 控制策略; 電能變換; 仿真程序

中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(jì)的發(fā)展及人口的增長(zhǎng)，人類對(duì)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(fēng)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(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)[1]。目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分非直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，前者主要采用齒輪箱對(duì)風(fēng)輪機(jī)提速后，驅(qū)動(dòng)常規(guī)異步發(fā)電機(jī)，而直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積和重量，省去了維護(hù)，降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行噪聲[2]，所以研究直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置對(duì)提高風(fēng)電轉(zhuǎn)換效率及開發(fā)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的推廣，有著重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 常規(guī)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特性

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用低速的永磁同步發(fā)電機(jī)取代了異步發(fā)電機(jī)，在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)將捕獲的風(fēng)能以機(jī)械能的形式驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著風(fēng)速的變化而進(jìn)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)示意圖

風(fēng)速的時(shí)變性，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓及頻率變化，不易于直接被負(fù)載利用，所以目前的獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)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(fēng)速很弱及無風(fēng)的情況，系統(tǒng)的裝置中使用了蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能。先用整流器將發(fā)電機(jī)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(fù)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(xué)能-電能，能量的利用率偏低，且由于風(fēng)力發(fā)電發(fā)出的能量較小，往往達(dá)不到負(fù)載需求的電能。

2 改造后的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基本組成

針對(duì)直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電的特性，研究設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)由風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、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(fù)載、蓄電池、制動(dòng)剎車裝置和用戶負(fù)載等組成，其設(shè)計(jì)研究的永磁直驅(qū)風(fēng)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(dòng)風(fēng)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(dòng)路徑，由圖2所列出的風(fēng)電系統(tǒng)的供電模式可知，在考慮風(fēng)速大于切入風(fēng)速及小于切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中能量的傳輸分配

正常啟動(dòng)風(fēng)速到達(dá)后，風(fēng)輪機(jī)開始運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fù)載所需要的交流電，多余的電能經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)存起來;當(dāng)風(fēng)速不足時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能較小或則不發(fā)電能，此時(shí)由蓄電池發(fā)電給電能變換裝置，進(jìn)而變換后，供給用戶負(fù)載;當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能遠(yuǎn)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(fù)載控制器對(duì)多余的電能放電。

2.3 控制策略的分析設(shè)計(jì)

在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)對(duì)風(fēng)能的捕獲及其電能變換裝置的控制策略在整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行過程中決定風(fēng)電轉(zhuǎn)換的效率，根據(jù)風(fēng)速的變化，負(fù)載的變化以及儲(chǔ)能裝置容量的變化，來研究風(fēng)電系統(tǒng)的控制策略對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及最大化的利用風(fēng)能有著重要的意義。由于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多用于農(nóng)區(qū)、牧區(qū)等遠(yuǎn)離常規(guī)電網(wǎng)的場(chǎng)所，風(fēng)力發(fā)電是主要的供電形式，根據(jù)這一地區(qū)用戶負(fù)載的用電情況，在常規(guī)情況下可以設(shè)負(fù)載的電流閾值為I0，儲(chǔ)能裝置蓄電池SoC的閾值為C0，實(shí)測(cè)風(fēng)速的閾值為V0[5]。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在切入風(fēng)速與切出風(fēng)速之間時(shí)，設(shè)定風(fēng)力發(fā)電體系中用戶負(fù)載電流、蓄電池SoC及實(shí)測(cè)風(fēng)速分別大于各自設(shè)定的閾值時(shí)，為1狀態(tài);小于設(shè)定閾值時(shí)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(fēng)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(fēng)機(jī)供電;T1，T2接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池充電;T2，T3接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池放電;T2，T4接通，風(fēng)機(jī)供電，泄能負(fù)載介入;T2，T3接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池放電;T2接通，風(fēng)機(jī)供電;T2，T3接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池放電;T2接通，風(fēng)機(jī)供電。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供電能為主，蓄電池放電為輔，上述幾種形式為風(fēng)速達(dá)到風(fēng)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的切入風(fēng)速，且未超出切出風(fēng)速，在穩(wěn)定的工作風(fēng)速內(nèi)，并未提及無風(fēng)以及風(fēng)速過大，超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受的最大風(fēng)速，那時(shí)將要啟動(dòng)機(jī)械剎車裝置，將風(fēng)輪機(jī)鎖住，保護(hù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

3 風(fēng)電體系下的電能變換電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)方案的確定

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行整流，得到的直流電在經(jīng)過控制器的作用下對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，設(shè)計(jì)中采用的是三相橋式不可控整流。而對(duì)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(dá)到后級(jí)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(diǎn)為帶負(fù)載能力強(qiáng)，電路容易達(dá)到大功率;又由于LC濾波器有著對(duì)輸出波形中的高次諧波進(jìn)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?fù)浣Y(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(jì)

設(shè)計(jì)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出電壓在18~50 V之間變化時(shí)，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(jì)整流及Boost升壓變換電路的控制策略時(shí)，應(yīng)該以控制輸出電壓為出發(fā)點(diǎn)，使輸出電壓保持恒定為目的，且同時(shí)要保證系統(tǒng)功率因數(shù)盡可能的接近于1，綜合風(fēng)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(jì)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(duì)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(duì)逆變電路進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)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(yùn)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(fēng)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(fù)載電流波形、經(jīng)過濾波后的負(fù)載電流電壓波形，仿真結(jié)果可見在允許的范圍內(nèi)達(dá)到了負(fù)載要求的工作電壓。

4 結(jié) 語

針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電體系下的電能變換電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制策略及方案在Matlab軟件下應(yīng)用Simulink來完成的模型搭建和仿真調(diào)試。通過仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風(fēng)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(fēng)力發(fā)電系控制的輸出端仿真結(jié)果

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