中國儲能網(wǎng)訊：天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室的研究人員楊良、王議鋒、孟準(zhǔn)，在2016年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2上撰文，提出了一種小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并重點分析了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
通過采用具有高電壓增益的單級三相反激式倍壓整流電路，以及在直流母線處引入儲能支路，系統(tǒng)可以在低風(fēng)速條件下利用整流器的高電壓增益和零電流開通特性，將微弱的風(fēng)能能量以相對較高的效率存儲在儲能裝置中以提高風(fēng)能利用率；在風(fēng)能充足條件下，儲能裝置輔助系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，使得捕獲的風(fēng)能直接傳輸至電網(wǎng)，以保證較高的系統(tǒng)整體效率。
進一步，為實現(xiàn)提高電壓增益和抑制輸入電流畸變的目標(biāo)，詳細(xì)分析了整流器的拓?fù)錁?gòu)成和參數(shù)設(shè)計方法；同時簡要介紹了系統(tǒng)的控制策略，即根據(jù)電池荷電狀態(tài)和風(fēng)速情況靈活調(diào)用相應(yīng)控制方法的策略。
最后，給出了樣機在實驗室和真實環(huán)境下的實驗波形和運行數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果證明了理論分析的可靠性以及系統(tǒng)對小型風(fēng)場的高度適用性。
風(fēng)力發(fā)電具有清潔、無污染等優(yōu)勢，是新能源發(fā)電的重要一環(huán)[1-3]。相較于技術(shù)成熟的大中型風(fēng)能應(yīng)用[4]，小型風(fēng)力發(fā)電既存在較高的研究價值，又面臨許多挑戰(zhàn)，相關(guān)技術(shù)仍待提高：一方面，小型風(fēng)力發(fā)電具有裝機容量靈活，運輸、維護成本低廉，對電網(wǎng)沖擊小等特點[5-7]，可以安裝在城市建筑天臺，以及山區(qū)、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)，作為提供照明的輔助電源等；另一方面，小型風(fēng)場存在著平均風(fēng)速偏低，波動劇烈等問題，相關(guān)應(yīng)用受到限制。
根據(jù)對天津市中新生態(tài)城風(fēng)速數(shù)據(jù)的整理分析可知，其2015年年平均風(fēng)速大約為1.5m/s，低于大多數(shù)現(xiàn)有小型風(fēng)力發(fā)電機3m/s的啟動風(fēng)速。同時，易受地形、樓宇影響，小型風(fēng)場的風(fēng)速存在劇烈波動性，同樣帶來了系統(tǒng)設(shè)計難題。根據(jù)國家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)分析顯示，類似問題在小型風(fēng)場中具有普遍性。
相關(guān)學(xué)者提出了大量可能的解決方案[8-12]，這些工作根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為離網(wǎng)型與并網(wǎng)型。
小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電力電子變換器拓?fù)渖贤ǔ２捎谩叭嗖豢卣髌?Buck電路-直流負(fù)載”結(jié)構(gòu)，將風(fēng)力發(fā)電機收集到的風(fēng)能經(jīng)變換器變換直接供給負(fù)載使用，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點[8,9]。
當(dāng)前工作多集中于開發(fā)快速精確的最大功率點跟蹤（Maximum Power PointTracking，MPPT）算法，并已經(jīng)取得了良好效果。然而，離網(wǎng)型系統(tǒng)單一的負(fù)載形式導(dǎo)致其應(yīng)用的局限性：負(fù)載可調(diào)范圍狹窄，容量、電壓等級需要特殊設(shè)計，不具有一般性。
此外，許多離網(wǎng)型系統(tǒng)采用電池作為直流負(fù)載，并將充滿后的電池作為直流源使用。這樣雖然可以一定程度上拓寬其應(yīng)用范圍，但考慮到風(fēng)能傳輸、儲存至電池過程中產(chǎn)生的額外變換器損耗與電池自放電損耗，系統(tǒng)的整體效率將會降低，風(fēng)能利用率相應(yīng)下降。
并網(wǎng)型系統(tǒng)可以有效拓寬負(fù)載應(yīng)用范圍，風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能經(jīng)變換器直接傳輸至電網(wǎng)，負(fù)載具有統(tǒng)一形式；由于沒有電池環(huán)節(jié)產(chǎn)生的額外功率損耗，系統(tǒng)的整體效率得到提高[10-12]。
并網(wǎng)型系統(tǒng)通常采用“三相不控整流器-Boost電路-逆變器[10]”或“PWM背靠背[11,12]”兩種拓?fù)?，前者結(jié)構(gòu)與控制相對簡單且成本較低，后者具有高效、低諧波等優(yōu)勢。當(dāng)前工作仍然側(cè)重于基于兩種傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)先進的控制算法，而鮮有從改進并網(wǎng)型系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上考慮。
傳統(tǒng)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要存在的問題包括：
①各級變換器電壓等級不匹配。在低風(fēng)速條件下，風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能經(jīng)過電壓增益有限的整流器和Boost電路作用之后，輸出側(cè)直流母線電壓較低，達(dá)不到后級逆變器工作的最低電壓要求，無法實現(xiàn)系統(tǒng)的正常并網(wǎng)發(fā)電。由圖1顯示的低平均風(fēng)速特征，現(xiàn)有小型并網(wǎng)型系統(tǒng)多處于電壓不匹配工況。
②缺少微弱能量收集功能。在風(fēng)速較低、風(fēng)力發(fā)電機收集到的微弱能量無法啟動逆變器工作時，微弱的風(fēng)能將隨直流母線側(cè)電解電容的電容漏電流以熱能形式損耗。
③現(xiàn)有系統(tǒng)大多在實驗室理想環(huán)境下完成，沒有給出系統(tǒng)在實際風(fēng)場中的運行情況，其實用性仍需進一步驗證。綜上，為提高系統(tǒng)對小型風(fēng)場的適應(yīng)性，應(yīng)當(dāng)同時從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略兩個角度開發(fā)具有電壓等級匹配、微弱能量收集功能的小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。
本文提出了一種適用于小型風(fēng)場的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，所采用的基于開關(guān)電容的反激式倍壓整流變換器[13,14]不僅具有提高電壓增益的作用，還能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率及單位功率因數(shù)變換。同時，通過參數(shù)設(shè)計達(dá)到整流器的電壓增益和電流畸變設(shè)計要求。
另一方面，通過引入儲能回路，該系統(tǒng)不僅可以在低風(fēng)速下收集不能直接并網(wǎng)的微弱能量，還能夠在風(fēng)能充足條件下輔助逆變器并網(wǎng)發(fā)電，保證系統(tǒng)的整體效率。
本文主要分析了系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和整流器參數(shù)設(shè)計，由于篇幅原因，具體系統(tǒng)控制策略將另行分析。最后分別在實驗室和真實風(fēng)場中給出了基于樣機的實驗波形以驗證系統(tǒng)可靠性和實用性。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
結(jié)論
本文提出了一種小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并重點分析了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用具有高電壓增益的反激式倍壓整流電路并引入一條額外的儲能回路。在低風(fēng)速下，利用整流器的升壓作用和零電流開通軟開關(guān)特性，微弱風(fēng)能能夠以相對較高的效率儲存至電池中；在能量充足條件下，系統(tǒng)的捕獲的風(fēng)能直接傳遞至電網(wǎng)，系統(tǒng)的整體效率提高，同時輸入側(cè)和輸出側(cè)的電流畸變得到抑制。
最后通過在實驗室和真實環(huán)境下對樣機的測試，證明了理論分析的可靠性以及系統(tǒng)對小型風(fēng)場的適應(yīng)性。
