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天津大學智能電網教育部重點實驗室的研究人員楊良、王議鋒、孟準，在2017年第10期《電工技術學報》上撰文，提出一種對小型風場具有高度適應性的小型并網風力發電系統。在拓撲結構上，該系統采用一種基于開關電容的三相反激式倍壓整流電路并引入儲能回路，有效地改善了系統在低風速工況下的發電效果。

在控制策略上，根據不同的風速大小以及電池組荷電狀態選擇相應的控制方法以實現多個控制目標，包括收集微弱風能、提高系統風能利用率、拓寬可利用風>速范圍以及延長電池壽命等。同時，闡述了系統在不同工況下對直流母線電壓的控制方法，并基于雙向DC-DC變換器采用了一種簡單可靠的死區控制方法。最后，為驗證系統控制方法的可靠性和實用性，分別在實驗室環境和真實小型風場中對樣機進行了測試。

相比技術較為成熟的大、中型風力發電，小型風力發電具有安裝維護簡便、成本低廉、裝機容量靈活可調、對電網沖擊較小等優點，非常適合作為輔助電源應用于城市建筑樓頂或山區、海島等主網難以覆蓋的區域，具有較高研究價值[1-3]。與此同時，小型風電系統所處風場往往存在平均風能偏低、波動性強等問題，限制了其廣泛應用。

圖1是國家氣象局網站提供的2015年國內各城市的年平均風速統計圖表?？芍?，各地區風場平均風速偏低，甚至達不到大多數現有小型風電系統風機的起動風速（一般為2～3m/s），給系統設計增加了難度。

圖1 2015年我國部分城市年平均風速

為應對此問題，一些學者傾向于采用離網運行的小型風力發電系統，并在傳統“三相不控整流器— Buck電路—負載”的系統結構上研究先進的控制算法[4,5]。這些工作雖然已取得了一定成果，但考慮到離網系統負載形式單一、可選擇范圍狹窄等問題，其應用范圍依然有限。

另一些學者對小型并網風力發電系統進行了研究，基于“三相不控整流器—Boost電路—逆變器”或“PWM背靠背”的系統結構，仍然側重于研究最大功率點跟蹤（Maxium PowerPoint Tracking, MPPT）、動態響應以及高風速保護等控制策略[6-8]。文獻[6]提出了一種包含MPPT功能的控制算法，分析了該算法的控制精度、追蹤速度與動態響應的關系，并利用實驗證明了算法的有效性。文獻[7]在討論MPPT控制的同時，重點分析了一種高風速保護的控制方法，并認為該方法可以拓寬系統的高風速有效工作范圍。

雖然上述文獻均在傳統拓撲上取得了良好的控制效果，但是上述系統通常是在實驗室環境，由理想電源提供充足能量（往往大于1kW）的條件下完成的，很少有文獻討論實際小型風場的特點并給出真實場景中的運行情況，因此其實用性仍然需要驗證。同時，很多并網系統忽略了對低風速工況的分析，并未考慮小型風場如圖1中表現出的低平均風速特點。此外，大多數系統多從控制策略角度出發，往往忽略了在拓撲結構上的創新，無法避免傳統系統結構存在的諸如各級變換器電壓等級不匹配、電壓增益有限等問題。

綜合考慮上述問題，本文從結構拓撲和控制策略兩個方面對小型并網風力發電系統進行改進。一方面，采用具有高電壓增益的反激式倍壓整流器，并在直流母線上引入儲能回路；另一方面，采用具有多控制目標的系統控制策略以應對不同的風速和電池荷電狀態（State of Charge,SOC）。系統具有良好的低風速特性、較高的風能利用率、拓寬的系統容量以及延長的電池壽命。本文還對直流母線電壓的控制方法進行了分析并給出了相關實驗驗證。

圖2 系統結構圖

結論

本文提出了一種小型并網風力發電系統，并簡述了該系統在拓撲結構上的特點，包括在真實風力發電系統中采用單級三相反激式高增益整流變換器以及引入額外的儲能回路?；诖私Y構，本文詳細分析了系統的控制策略，該策略可以根據不同的電池荷電狀態和不同風速調用不同的控制方法，靈活應對小型風場中可能出現的各種工況。

同時，本文對系統直流母線控制方法進行了討論，雙向DC-DC變換器所采用的死區控制器和逆變器控制器均可以在不同工況下實現對母線電壓的良好控制。最后，本文給出系統的主模態控制、直流母線控制的實驗波形以及系統在真實小型風場的運行情況，結果表明該系統具有對小型風場的高度適應性。