探究电网风力发电机接入直流微电网运转制约结论
最后更新时间：2024-02-28
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论文导读：rovideuserswithhigh-qualityelectricenergy.关键词：风力发电；BUCK变换器；PWM控制；蓄电池模型；Thevenin定理；仿真设计Keywords：windpower；BUCKconverter；PWMcontrol；batterymodel；TheveninTheorem；simulationdesign1006-4311（2013）14-0044-030引言随着社会经济的快速发展，社会工业化步伐
摘要： 本文针对目前现行风力发电机系统接入微网效率低和不易控制的问题，提出建立改进型的风力发电模型，这个系统主要包括：风力机、永磁同步发电机、三相整流桥、DC-DC变换器以及蓄电池。利用PSIM仿真软件进行等效仿真验证。仿真结果表明风力发电机通过整流变换后能很好的能接入直流微电网，为用户提供高质量的电能。
Abstract： Aiming at the problems in wind power generation， such as wind turbine access DC microgrid is inefficient and difficult to control， the paper puts for源于：论文格式范文网www.7ctime.com
ward improved wind power generation model， including wind turbine， permanent magnet synchronous generator， three-phase rectifier bridge， DC-DC converter and battery. PSIM simulation software is used to do equivalent simulation. The simulation results show that the wind generator after rectifier convert can access the DC microgrid and provide users with high-quality electric energy.
关键词： 风力发电；BUCK变换器；PWM控制；蓄电池模型；Thevenin定理；仿真设计
Key words： wind power；BUCK converter；PWM control；battery model；Thevenin Theorem；simulation design
1006-4311（2013）14-0044-03
0 引言
随着社会经济的快速发展，社会工业化步伐的加快，社会经济对能源的巨大依赖与能源储量逐渐枯萎之间的矛盾日益突出。正因为经济发展对能源的依赖，而许多国家又处在发展的大好阶段，所以能源的问题日益严重。与此同时，以化石燃料为代表的大量的常规能源的利用，给环境带来了巨大的污染，环境问题刻不容缓。在这样的一种状况下，新兴的清洁能源发电技术运应而生，风力发电技术是起步较早的一种可行性较高的发电手段，传统风力接入微电网发电仍然存在一些局限性，如转化效率低、控制不方便等诸多问题。基于此类问题，需要一种优化的系统结构和控制手段来解决以上问题。
为了减弱多个分布式电源作为多电源给电网带来的运行状况的影响，微电网的概念运用而生。美国的CERTS最早提出了“微电网”概念，微电网主要是用来对多个分布式电源进行统一的管理和控制，微电网作为一个单一的单元接入原电网，在一定程度上可以大大地降低对电网的影响，同时也解决了单个分布式电源自身能源不足等诸多的问题。微网运行灵活可靠、调度方便、投资成本低，它具有三种运行模式：①孤岛运行模式；②并网运行；③在孤岛和并网两者之间转换运行。根据资料，微网在并网运行的模式下，当电网发生事故时，微网必须脱离大电网。
微网又分为直流微网与交流微网。针对目前许多电器设备如手机、电脑等需要直流电，所以，我们的仿真是针对直流微网设计的。理论上，直流微网仅需一级变流器便能方便地实现与DER和负载的连接，具有更高转化效率；同时，直流电在传输过程中不需要考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量，线路损耗得到降低。
当直流微网处于孤岛运行模式，且DER和蓄电池提供的能量已无法满足负荷的需求，即母线电压低于预先的设定值时，需要将不重要负载脱落，最大限度地保证重要负荷供电的连续性。负载脱落需要平滑地进行，将不重要的负载分时脱落[3]。
1 风力机的工作特性
风力机将风能转化为机械功率输出的表达式：
Pm=0.5Cp？籽Av3（1）
式中，PM为风轮输出的积雪功率；CP为风能利用系数；？籽为空气密度（Kg/m3论文导读：
）；A=？仔R2为风力机扫过的面积（M2），其中R为风轮的半径，V为风速（m/s）。
把公式A=？仔R2带入式，可以很容易地得到
Pm=0.5Cp？籽A？仔R2v3（2）
从公式中，在空气密度、风力机半径以及风速一定的情况下，可以看出风力机输出的机械功率主要与风能利用系数CP有关，输出功率与风能利用系数CP成正比，而风能利用系数CP与叶尖速比？姿存在着对应的关系。所谓叶尖速比？姿就是叶片的叶尖旋转速率与上游未受干扰的风速的比值，其表达式如下：
？姿=■=■（3）
式中，N为风轮的转速（r/min），R为叶尖的半径（m），v为上游的风速（m/s），？棕为风轮旋转角速度（rad/s）。风能利用系数CP与风力机叶尖速比？姿的对应关系，如图1所示[4]。
在风能利用系数CP与风力机叶尖速比？姿的函数图中，风能利用系数CP随着风力机叶尖速比？姿变化而变化，但总存在一个叶尖速比？姿opt，使得风能利用系数CP最大，即输出的机械功率最大。
2 风电系统构成及模型
本文章描述的风电系统主要包括风力机、直驱式永磁同步发电机（PMSG）、三相整流桥模块、DC-DC变换器、蓄电池以及一些控制辅助调整模块。
系统组成框图如图2所示：
系统的组成框图如图所示，与传统的风力发电系统，本系统具有以下几个方面的优势：①三相整流部分采用三相不可控整流桥，DC-DC部分采用可控的IGBT开关管，因此整个风电系统就一个开关元器件，通过占空比来实现对开关管的控制，从而实现电压、功率上的控制。整个系统具有结构简单，动态性能好，调节方便可靠以及系统稳定等特点。②通过调节开关管的占空比可以对输出的电流和电压进行有效的控制，进而改变发电机的输出特性，实现对风力发电系统输出的功率控制。③不需要测量风速这个物理量，在控制和测量上大大简化了系统的复杂度，能够实现控制系统的输出功率的目标。3 风力机仿真模型
3.1 发电机的选取 因为是实验性的风电系统，系统将采用永磁直驱同步发电机。从励磁而论，由于省去了容易出问题的集电环、电刷等换向和引流装置，提高了电机运行的可靠性，结构大大简化，降低了加工和装配的费用和时间。结构的简化也减小了同步发电机的体积，其体积比一般的同步发电机要小5%-10%左右。还由于无励磁电流，也就没有所谓的无励磁损耗，提高了电机的效率和功率的密度[5]。在一定程度上，这也是一种有效的节能方式，因此它被越来越广泛地应用在各个领域。
3.2 BUCK斩波模块 在系统中，将采用BUCK斩波电路作为系统的DC-DC斩波模块。BUCK变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成，不含有中间部分。图3给出了它的电路原理图：
负载电压的平均值为
U0=？琢E（4）
？琢=■（5）
式中，t0n为开关管处于通态的时间；toff为开关管处于断态的时间；T为开关周期；？琢为占空比。
3.3 蓄电池模型的建立 Thevenin电池蓄电池模型也是一种比价比较常见的蓄电池模型，通常有理想电压源E。内阻Rin，电容C0和过电压电阻R0组成，其中，C0表示两级之间的容量，R0代表电极与电解质之间的非线性电阻[6]。Thevenin蓄电池的模型图大致如下[6]：
从等效的蓄电池模型图上，可以看到非线性电阻，这克服了上一个模型未能体现蓄电池在消耗过程中内阻不断变化的缺点。Thevenin蓄电模型是相当准确的，因此把这个模型添加到风力发电系统中是完全可以满足系统要求。
4 仿真系统模型
4.1 控制原理框图 对蓄电池的电流和电压的调整，依旧采用PID调节法和PWM波控制手段，流程框图如下：
通过对BUCK模块与蓄电池模块之间的电流进行采集，对采集的电流与PID控制算法中预设值比较得到电流的误差。此外，对输入到微电网的电压进行采样，将采样值与算法中预设值进行对比得到电压的误差。对上面得到的电流误差和电压误差进行PID调节，生成PWM控制波，作用于BUCK模块的开关管，实现这个对系统电流、电压的控制。
4.2 系统模型 把Thevenin蓄电池模型添加到系统中，可以得到下面的设计电路图：
摘自：毕业论文格式模板www.7ctime.com
蓄电论文导读：003，IEEEstandardforinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems.吴卫民，何远彬，耿攀，钱照明，汪槱生.直流微网研究中的关键技术.电工技术学报，2012，1（27）：99.Sch■nbergerJ，DukeR，SimonDRo.DC-bussignaling：adistributedcontrolstrategyforahybridrenewablenanogrid.I
池的充电过程是这样的：当蓄电池的电量未达到设计的容量时，用较大的电流对蓄电池充电，经过一段时间之后，蓄电池的电势达到了预设值，此时，需要减小蓄电池的充电电流，这样做是为了延长蓄电池的寿命，合理地调整蓄电池的充放电过程，减少蓄电池在满容量的情况，长时间对其充电造成的损坏。
蓄电池电流如图8所示：
输出电压波形如图9所示：
从蓄电充电电流图和系统输出电压图中，可以清晰地看到当电压达到设定值的稳态时，对蓄电池的充电电流就慢慢降到了很小的一个电流（近似等于零），从波形图上来看，系统已经能够实现对蓄电池充电电流的合理有效的控制。
5 结论
本文介绍了改进型风电系统的这个搭建过程，在现有较为常见的风电系统模型上，做出了改进型的风电系统，并对改进型的风电系统做了仿真实验，并对各个阶段得出图谱进行分析，验证了搭建的风电系统及其控制系统的可行性。本次仿真试验拓扑结构清晰明了，在一定程度上克服了传统风电系统不足之处。由于实验器材和实验条件等因素的影响，本次设计没有实物性的验证，这也是本次设计的缺陷所在。本文的仿真实验结果在某种意义上为今后风电系统研究与建立提供了一定的理论基础。
参考文献：
IEEE Std 1547-2003，IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].
吴卫民，何远彬，耿攀，钱照明，汪槱生.直流微网研究中的关键技术[J].电工技术学报，2012，1（27）：99.
[3]Sch■nberger J， Duke R， Simon D Ro. DC-bus signaling： a distributed cont rol strategy for a hybridrenewable nanogrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2006， 53（5）： 1453-1460.
[4]吴政球，干磊等.风力发电最大风能追踪综述[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（04）：89-90.
[5]佘峰.永磁直驱式风力发电系统中最大功率控制的仿真研究[D].湖南大学硕士学位论文.2009：14-16.
[6]马巍.电动汽车铅酸蓄电池特性建模与荷电状态估计[D].长安大学硕士学位论文.2009：18-25.
摘要： 本文针对目前现行风力发电机系统接入微网效率低和不易控制的问题，提出建立改进型的风力发电模型，这个系统主要包括：风力机、永磁同步发电机、三相整流桥、DC-DC变换器以及蓄电池。利用PSIM仿真软件进行等效仿真验证。仿真结果表明风力发电机通过整流变换后能很好的能接入直流微电网，为用户提供高质量的电能。
Abstract： Aiming at the problems in wind power generation， such as wind turbine access DC microgrid is inefficient and difficult to control， the paper puts for源于：论文格式范文网www.7ctime.com
ward improved wind power generation model， including wind turbine， permanent magnet synchronous generator， three-phase rectifier bridge， DC-DC converter and battery. PSIM simulation software is used to do equivalent simulation. The simulation results show that the wind generator after rectifier convert can access the DC microgrid and provide users with high-quality electric energy.
关键词： 风力发电；BUCK变换器；PWM控制；蓄电池模型；Thevenin定理；仿真设计
Key words： wind power；BUCK converter；PWM control；battery model；Thevenin Theorem；simulation design
1006-4311（2013）14-0044-03
0 引言
随着社会经济的快速发展，社会工业化步伐的加快，社会经济对能源的巨大依赖与能源储量逐渐枯萎之间的矛盾日益突出。正因为经济发展对能源的依赖，而许多国家又处在发展的大好阶段，所以能源的问题日益严重。与此同时，以化石燃料为代表的大量的常规能源的利用，给环境带来了巨大的污染，环境问题刻不容缓。在这样的一种状况下，新兴的清洁能源发电技术运应而生，风力发电技术是起步较早的一种可行性较高的发电手段，传统风力接入微电网发电仍然存在一些局限性，如转化效率低、控制不方便等诸多问题。基于此类问题，需要一种优化的系统结构和控制手段来解决以上问题。
为了减弱多个分布式电源作为多电源给电网带来的运行状况的影响，微电网的概念运用而生。美国的CERTS最早提出了“微电网”概念，微电网主要是用来对多个分布式电源进行统一的管理和控制，微电网作为一个单一的单元接入原电网，在一定程度上可以大大地降低对电网的影响，同时也解决了单个分布式电源自身能源不足等诸多的问题。微网运行灵活可靠、调度方便、投资成本低，它具有三种运行模式：①孤岛运行模式；②并网运行；③在孤岛和并网两者之间转换运行。根据资料，微网在并网运行的模式下，当电网发生事故时，微网必须脱离大电网。
微网又分为直流微网与交流微网。针对目前许多电器设备如手机、电脑等需要直流电，所以，我们的仿真是针对直流微网设计的。理论上，直流微网仅需一级变流器便能方便地实现与DER和负载的连接，具有更高转化效率；同时，直流电在传输过程中不需要考虑配电线路的涡流损耗和线路吸收的无功能量，线路损耗得到降低。
当直流微网处于孤岛运行模式，且DER和蓄电池提供的能量已无法满足负荷的需求，即母线电压低于预先的设定值时，需要将不重要负载脱落，最大限度地保证重要负荷供电的连续性。负载脱落需要平滑地进行，将不重要的负载分时脱落[3]。
1 风力机的工作特性
风力机将风能转化为机械功率输出的表达式：
Pm=0.5Cp？籽Av3（1）
式中，PM为风轮输出的积雪功率；CP为风能利用系数；？籽为空气密度（Kg/m3论文导读：
）；A=？仔R2为风力机扫过的面积（M2），其中R为风轮的半径，V为风速（m/s）。
把公式A=？仔R2带入式，可以很容易地得到
Pm=0.5Cp？籽A？仔R2v3（2）
从公式中，在空气密度、风力机半径以及风速一定的情况下，可以看出风力机输出的机械功率主要与风能利用系数CP有关，输出功率与风能利用系数CP成正比，而风能利用系数CP与叶尖速比？姿存在着对应的关系。所谓叶尖速比？姿就是叶片的叶尖旋转速率与上游未受干扰的风速的比值，其表达式如下：
？姿=■=■（3）
式中，N为风轮的转速（r/min），R为叶尖的半径（m），v为上游的风速（m/s），？棕为风轮旋转角速度（rad/s）。风能利用系数CP与风力机叶尖速比？姿的对应关系，如图1所示[4]。
在风能利用系数CP与风力机叶尖速比？姿的函数图中，风能利用系数CP随着风力机叶尖速比？姿变化而变化，但总存在一个叶尖速比？姿opt，使得风能利用系数CP最大，即输出的机械功率最大。
2 风电系统构成及模型
本文章描述的风电系统主要包括风力机、直驱式永磁同步发电机（PMSG）、三相整流桥模块、DC-DC变换器、蓄电池以及一些控制辅助调整模块。
系统组成框图如图2所示：
系统的组成框图如图所示，与传统的风力发电系统，本系统具有以下几个方面的优势：①三相整流部分采用三相不可控整流桥，DC-DC部分采用可控的IGBT开关管，因此整个风电系统就一个开关元器件，通过占空比来实现对开关管的控制，从而实现电压、功率上的控制。整个系统具有结构简单，动态性能好，调节方便可靠以及系统稳定等特点。②通过调节开关管的占空比可以对输出的电流和电压进行有效的控制，进而改变发电机的输出特性，实现对风力发电系统输出的功率控制。③不需要测量风速这个物理量，在控制和测量上大大简化了系统的复杂度，能够实现控制系统的输出功率的目标。3 风力机仿真模型
3.1 发电机的选取 因为是实验性的风电系统，系统将采用永磁直驱同步发电机。从励磁而论，由于省去了容易出问题的集电环、电刷等换向和引流装置，提高了电机运行的可靠性，结构大大简化，降低了加工和装配的费用和时间。结构的简化也减小了同步发电机的体积，其体积比一般的同步发电机要小5%-10%左右。还由于无励磁电流，也就没有所谓的无励磁损耗，提高了电机的效率和功率的密度[5]。在一定程度上，这也是一种有效的节能方式，因此它被越来越广泛地应用在各个领域。
3.2 BUCK斩波模块 在系统中，将采用BUCK斩波电路作为系统的DC-DC斩波模块。BUCK变换器是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器。它的拓扑为电压源、串联开关和电流负载组合而成，不含有中间部分。图3给出了它的电路原理图：
负载电压的平均值为
U0=？琢E（4）
？琢=■（5）
式中，t0n为开关管处于通态的时间；toff为开关管处于断态的时间；T为开关周期；？琢为占空比。
3.3 蓄电池模型的建立 Thevenin电池蓄电池模型也是一种比价比较常见的蓄电池模型，通常有理想电压源E。内阻Rin，电容C0和过电压电阻R0组成，其中，C0表示两级之间的容量，R0代表电极与电解质之间的非线性电阻[6]。Thevenin蓄电池的模型图大致如下[6]：
从等效的蓄电池模型图上，可以看到非线性电阻，这克服了上一个模型未能体现蓄电池在消耗过程中内阻不断变化的缺点。Thevenin蓄电模型是相当准确的，因此把这个模型添加到风力发电系统中是完全可以满足系统要求。
4 仿真系统模型
4.1 控制原理框图 对蓄电池的电流和电压的调整，依旧采用PID调节法和PWM波控制手段，流程框图如下：
通过对BUCK模块与蓄电池模块之间的电流进行采集，对采集的电流与PID控制算法中预设值比较得到电流的误差。此外，对输入到微电网的电压进行采样，将采样值与算法中预设值进行对比得到电压的误差。对上面得到的电流误差和电压误差进行PID调节，生成PWM控制波，作用于BUCK模块的开关管，实现这个对系统电流、电压的控制。
4.2 系统模型 把Thevenin蓄电池模型添加到系统中，可以得到下面的设计电路图：
摘自：毕业论文格式模板www.7ctime.com
蓄电论文导读：003，IEEEstandardforinterconnectingdistributedresourceswithelectricpowersystems.吴卫民，何远彬，耿攀，钱照明，汪槱生.直流微网研究中的关键技术.电工技术学报，2012，1（27）：99.Sch■nbergerJ，DukeR，SimonDRo.DC-bussignaling：adistributedcontrolstrategyforahybridrenewablenanogrid.I
池的充电过程是这样的：当蓄电池的电量未达到设计的容量时，用较大的电流对蓄电池充电，经过一段时间之后，蓄电池的电势达到了预设值，此时，需要减小蓄电池的充电电流，这样做是为了延长蓄电池的寿命，合理地调整蓄电池的充放电过程，减少蓄电池在满容量的情况，长时间对其充电造成的损坏。
4.3 仿真波形图
PWM控制形图如下：蓄电池电流如图8所示：
输出电压波形如图9所示：
从蓄电充电电流图和系统输出电压图中，可以清晰地看到当电压达到设定值的稳态时，对蓄电池的充电电流就慢慢降到了很小的一个电流（近似等于零），从波形图上来看，系统已经能够实现对蓄电池充电电流的合理有效的控制。
5 结论
本文介绍了改进型风电系统的这个搭建过程，在现有较为常见的风电系统模型上，做出了改进型的风电系统，并对改进型的风电系统做了仿真实验，并对各个阶段得出图谱进行分析，验证了搭建的风电系统及其控制系统的可行性。本次仿真试验拓扑结构清晰明了，在一定程度上克服了传统风电系统不足之处。由于实验器材和实验条件等因素的影响，本次设计没有实物性的验证，这也是本次设计的缺陷所在。本文的仿真实验结果在某种意义上为今后风电系统研究与建立提供了一定的理论基础。
参考文献：
IEEE Std 1547-2003，IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems[S].
吴卫民，何远彬，耿攀，钱照明，汪槱生.直流微网研究中的关键技术[J].电工技术学报，2012，1（27）：99.
[3]Sch■nberger J， Duke R， Simon D Ro. DC-bus signaling： a distributed cont rol strategy for a hybridrenewable nanogrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2006， 53（5）： 1453-1460.
[4]吴政球，干磊等.风力发电最大风能追踪综述[J].电力系统及其自动化学报，2009，21（04）：89-90.
[5]佘峰.永磁直驱式风力发电系统中最大功率控制的仿真研究[D].湖南大学硕士学位论文.2009：14-16.
[6]马巍.电动汽车铅酸蓄电池特性建模与荷电状态估计[D].长安大学硕士学位论文.2009：18-25.