风力发电系统
2017第六届新能源发电系统技术创新大会
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
文章正文开始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2016年《电工技术学报》增刊2上撰文，提出了一种小型并网风力发电系统并重点分析了其拓扑结构。
通过采用具有高电压增益的单级三相反激式倍压整流电路，以及在直流母线处引入储能支路，系统可以在低风速条件下利用整流器的高电压增益和零电流开通特性，将微弱的风能能量以相对较高的效率存储在储能装置中以提高风能利用率；在风能充足条件下，储能装置辅助系统并网发电，使得捕获的风能直接传输至电网，以保证较高的系统整体效率。
进一步，为实现提高电压增益和抑制输入电流畸变的目标，详细分析了整流器的拓扑构成和参数设计方法；同时简要介绍了系统的控制策略，即根据电池荷电状态和风速情况灵活调用相应控制方法的策略。
最后，给出了样机在实验室和真实环境下的实验波形和运行数据，实验结果证明了理论分析的可靠性以及系统对小型风场的高度适用性。
风力发电具有清洁、无污染等优势，是新能源发电的重要一环[1-3]。相较于技术成熟的大中型风能应用[4]，小型风力发电既存在较高的研究价值，又面临许多挑战，相关技术仍待提高：一方面，小型风力发电具有装机容量灵活，运输、维护成本低廉，对电网冲击小等特点[5-7]，可以安装在城市建筑天台，以及山区、海岛等偏远地区，作为提供照明的辅助电源等；另一方面，小型风场存在着平均风速偏低，波动剧烈等问题，相关应用受到限制。
根据对天津市中新生态城风速数据的整理分析可知，其2015年年平均风速大约为1.5m/s，低于大多数现有小型风力发电机3m/s的启动风速。同时，易受地形、楼宇影响，小型风场的风速存在剧烈波动性，同样带来了系统设计难题。根据国家气象局数据分析显示，类似问题在小型风场中具有普遍性。
相关学者提出了大量可能的解决方案[8-12]，这些工作根据系统拓扑结构可以分为离网型与并网型。
小型离网风力发电系统在电力电子变换器拓扑上通常采用“三相不控整流器-Buck电路-直流负载”结构，将风力发电机收集到的风能经变换器变换直接供给负载使用，具有结构简单、成本低廉等优点[8,9]。
当前工作多集中于开发快速精确的最大功率点跟踪（Maximum Power PointTracking，MPPT）算法，并已经取得了良好效果。然而，离网型系统单一的负载形式导致其应用的局限性：负载可调范围狭窄，容量、电压等级需要特殊设计，不具有一般性。
此外，许多离网型系统采用电池作为直流负载，并将充满后的电池作为直流源使用。这样虽然可以一定程度上拓宽其应用范围，但考虑到风能传输、储存至电池过程中产生的额外变换器损耗与电池自放电损耗，系统的整体效率将会降低，风能利用率相应下降。
并网型系统可以有效拓宽负载应用范围，风力发电机输出的电能经变换器直接传输至电网，负载具有统一形式；由于没有电池环节产生的额外功率损耗，系统的整体效率得到提高[10-12]。
并网型系统通常采用“三相不控整流器-Boost电路-逆变器[10]”或“PWM背靠背[11,12]”两种拓扑，前者结构与控制相对简单且成本较低，后者具有高效、低谐波等优势。当前工作仍然侧重于基于两种传统系统结构，开发先进的控制算法，而鲜有从改进并网型系统的拓扑结构上考虑。
传统的系统拓扑结构主要存在的问题包括：
①各级变换器电压等级不匹配。在低风速条件下，风力发电机输出的电能经过电压增益有限的整流器和Boost电路作用之后，输出侧直流母线电压较低，达不到后级逆变器工作的最低电压要求，无法实现系统的正常并网发电。由图1显示的低平均风速特征，现有小型并网型系统多处于电压不匹配工况。
②缺少微弱能量收集功能。在风速较低、风力发电机收集到的微弱能量无法启动逆变器工作时，微弱的风能将随直流母线侧电解电容的电容漏电流以热能形式损耗。
③现有系统大多在实验室理想环境下完成，没有给出系统在实际风场中的运行情况，其实用性仍需进一步验证。综上，为提高系统对小型风场的适应性，应当同时从系统结构和控制策略两个角度开发具有电压等级匹配、微弱能量收集功能的小型并网风力发电系统。
本文提出了一种适用于小型风场的并网型风力发电系统，所采用的基于开关电容的反激式倍压整流变换器[13,14]不仅具有提高电压增益的作用，还能够实现较高效率及单位功率因数变换。同时，通过参数设计达到整流器的电压增益和电流畸变设计要求。
另一方面，通过引入储能回路，该系统不仅可以在低风速下收集不能直接并网的微弱能量，还能够在风能充足条件下辅助逆变器并网发电，保证系统的整体效率。
本文主要分析了系统拓扑结构和整流器参数设计，由于篇幅原因，具体系统控制策略将另行分析。最后分别在实验室和真实风场中给出了基于样机的实验波形以验证系统可靠性和实用性。
图2 系统结构
结论
本文提出了一种小型并网风力发电系统并重点分析了其拓扑结构。该系统采用具有高电压增益的反激式倍压整流电路并引入一条额外的储能回路。在低风速下，利用整流器的升压作用和零电流开通软开关特性，微弱风能能够以相对较高的效率储存至电池中；在能量充足条件下，系统的捕获的风能直接传递至电网，系统的整体效率提高，同时输入侧和输出侧的电流畸变得到抑制。
最后通过在实验室和真实环境下对样机的测试，证明了理论分析的可靠性以及系统对小型风场的适应性。
进一步阅读，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊官方网站，可下载全文PDF版。
