小型并网风力发电系统控制策略

天津大学智能电网教育部重点实验室的研究人员杨良、王议锋、孟准，在2017年第10期《电工技术学报》上撰文，提出一种对小型风场具有高度适应性的小型并网风力发电系统。在拓扑结构上，该系统采用一种基于开关电容的三相反激式倍压整流电路并引入储能回路，有效地改善了系统在低风速工况下的发电效果。

在控制策略上，根据不同的风速大小以及电池组荷电状态选择相应的控制方法以实现多个控制目标，包括收集微弱风能、提高系统风能利用率、拓宽可利用风>速范围以及延长电池寿命等。同时，阐述了系统在不同工况下对直流母线电压的控制方法，并基于双向DC-DC变换器采用了一种简单可靠的死区控制方法。最后，为验证系统控制方法的可靠性和实用性，分别在实验室环境和真实小型风场中对样机进行了测试。

相比技术较为成熟的大、中型风力发电，小型风力发电具有安装维护简便、成本低廉、装机容量灵活可调、对电网冲击较小等优点，非常适合作为辅助电源应用于城市建筑楼顶或山区、海岛等主网难以覆盖的区域，具有较高研究价值[1-3]。与此同时，小型风电系统所处风场往往存在平均风能偏低、波动性强等问题，限制了其广泛应用。

图1是国家气象局网站提供的2015年国内各城市的年平均风速统计图表。可知，各地区风场平均风速偏低，甚至达不到大多数现有小型风电系统风机的起动风速（一般为2～3m/s），给系统设计增加了难度。

图1 2015年我国部分城市年平均风速

为应对此问题，一些学者倾向于采用离网运行的小型风力发电系统，并在传统“三相不控整流器— Buck电路—负载”的系统结构上研究先进的控制算法[4,5]。这些工作虽然已取得了一定成果，但考虑到离网系统负载形式单一、可选择范围狭窄等问题，其应用范围依然有限。

另一些学者对小型并网风力发电系统进行了研究，基于“三相不控整流器—Boost电路—逆变器”或“PWM背靠背”的系统结构，仍然侧重于研究最大功率点跟踪（Maxium PowerPoint Tracking, MPPT）、动态响应以及高风速保护等控制策略[6-8]。文献[6]提出了一种包含MPPT功能的控制算法，分析了该算法的控制精度、追踪速度与动态响应的关系，并利用实验证明了算法的有效性。文献[7]在讨论MPPT控制的同时，重点分析了一种高风速保护的控制方法，并认为该方法可以拓宽系统的高风速有效工作范围。

虽然上述文献均在传统拓扑上取得了良好的控制效果，但是上述系统通常是在实验室环境，由理想电源提供充足能量（往往大于1kW）的条件下完成的，很少有文献讨论实际小型风场的特点并给出真实场景中的运行情况，因此其实用性仍然需要验证。同时，很多并网系统忽略了对低风速工况的分析，并未考虑小型风场如图1中表现出的低平均风速特点。此外，大多数系统多从控制策略角度出发，往往忽略了在拓扑结构上的创新，无法避免传统系统结构存在的诸如各级变换器电压等级不匹配、电压增益有限等问题。

综合考虑上述问题，本文从结构拓扑和控制策略两个方面对小型并网风力发电系统进行改进。一方面，采用具有高电压增益的反激式倍压整流器，并在直流母线上引入储能回路；另一方面，采用具有多控制目标的系统控制策略以应对不同的风速和电池荷电状态（State of Charge,SOC）。系统具有良好的低风速特性、较高的风能利用率、拓宽的系统容量以及延长的电池寿命。本文还对直流母线电压的控制方法进行了分析并给出了相关实验验证。

图2 系统结构图

结论

本文提出了一种小型并网风力发电系统，并简述了该系统在拓扑结构上的特点，包括在真实风力发电系统中采用单级三相反激式高增益整流变换器以及引入额外的储能回路。基于此结构，本文详细分析了系统的控制策略，该策略可以根据不同的电池荷电状态和不同风速调用不同的控制方法，灵活应对小型风场中可能出现的各种工况。

同时，本文对系统直流母线控制方法进行了讨论，双向DC-DC变换器所采用的死区控制器和逆变器控制器均可以在不同工况下实现对母线电压的良好控制。最后，本文给出系统的主模态控制、直流母线控制的实验波形以及系统在真实小型风场的运行情况，结果表明该系统具有对小型风场的高度适应性。