2017第六屆新能源發電系統技術創新大會

中國電工技術學會主辦，2017年6月21-24日在河北省張北縣舉辦，大會圍繞新能源發展戰略、系統關鍵技術、微電網及儲能等重要議題展開交流。瀏覽會議詳情和在線報名參會請長按識別二維碼。

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2016年《電工技術學報》增刊2上撰文，提出了一種小型并網風力發電系統并重點分析了其拓撲結構。

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，系統可以在低風速條件下利用整流器的高電壓增益和零電流開通特性，將微弱的風能能量以相對較高的效率存儲在儲能裝置中以提高風能利用率；在風能充足條件下，儲能裝置輔助系統并網發電，使得捕獲的風能直接傳輸至電網，以保證較高的系統整體效率。

進一步，為實現提高電壓增益和抑制輸入電流畸變的目標，詳細分析了整流器的拓撲構成和參數設計方法；同時簡要介紹了系統的控制策略，即根據電池荷電狀態和風速情況靈活調用相應控制方法的策略。

最后，給出了樣機在實驗室和真實環境下的實驗波形和運行數據，實驗結果證明了理論分析的可靠性以及系統對小型風場的高度適用性。

風力發電具有清潔、無污染等優勢，是新能源發電的重要一環[1-3]。相較于技術成熟的大中型風能應用[4]，小型風力發電既存在較高的研究價值，又面臨許多挑戰，相關技術仍待提高：一方面，小型風力發電具有裝機容量靈活，運輸、維護成本低廉，對電網沖擊小等特點[5-7]，可以安裝在城市建筑天臺，以及山區、海島等偏遠地區，作為提供照明的輔助電源等；另一方面，小型風場存在著平均風速偏低，波動劇烈等問題，相關應用受到限制。

根據對天津市中新生態城風速數據的整理分析可知，其2015年年平均風速大約為1.5m/s，低于大多數現有小型風力發電機3m/s的啟動風速。同時，易受地形、樓宇影響，小型風場的風速存在劇烈波動性，同樣帶來了系統設計難題。根據國家氣象局數據分析顯示，類似問題在小型風場中具有普遍性。

相關學者提出了大量可能的解決方案[8-12]，這些工作根據系統拓撲結構可以分為離網型與并網型。

小型離網風力發電系統在電力電子變換器拓撲上通常采用“三相不控整流器-Buck電路-直流負載”結構，將風力發電機收集到的風能經變換器變換直接供給負載使用，具有結構簡單、成本低廉等優點[8,9]。

當前工作多集中于開發快速精確的最大功率點跟蹤（Maximum Power PointTracking，MPPT）算法，并已經取得了良好效果。然而，離網型系統單一的負載形式導致其應用的局限性：負載可調范圍狹窄，容量、電壓等級需要特殊設計，不具有一般性。

此外，許多離網型系統采用電池作為直流負載，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用范圍，但考慮到風能傳輸、儲存至電池過程中產生的額外變換器損耗與電池自放電損耗，系統的整體效率將會降低，風能利用率相應下降。

并網型系統可以有效拓寬負載應用范圍，風力發電機輸出的電能經變換器直接傳輸至電網，負載具有統一形式；由于沒有電池環節產生的額外功率損耗，系統的整體效率得到提高[10-12]。

并網型系統通常采用“三相不控整流器-Boost電路-逆變器[10]”或“PWM背靠背[11,12]”兩種拓撲，前者結構與控制相對簡單且成本較低，后者具有高效、低諧波等優勢。當前工作仍然側重于基于兩種傳統系統結構，開發先進的控制算法，而鮮有從改進并網型系統的拓撲結構上考慮。

傳統的系統拓撲結構主要存在的問題包括：

①各級變換器電壓等級不匹配。在低風速條件下，風力發電機輸出的電能經過電壓增益有限的整流器和Boost電路作用之后，輸出側直流母線電壓較低，達不到后級逆變器工作的最低電壓要求，無法實現系統的正常并網發電。由圖1顯示的低平均風速特征，現有小型并網型系統多處于電壓不匹配工況。

②缺少微弱能量收集功能。在風速較低、風力發電機收集到的微弱能量無法啟動逆變器工作時，微弱的風能將隨直流母線側電解電容的電容漏電流以熱能形式損耗。

③現有系統大多在實驗室理想環境下完成，沒有給出系統在實際風場中的運行情況，其實用性仍需進一步驗證。綜上，為提高系統對小型風場的適應性，應當同時從系統結構和控制策略兩個角度開發具有電壓等級匹配、微弱能量收集功能的小型并網風力發電系統。

本文提出了一種適用于小型風場的并網型風力發電系統，所采用的基于開關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，還能夠實現較高效率及單位功率因數變換。同時，通過參數設計達到整流器的電壓增益和電流畸變設計要求。

另一方面，通過引入儲能回路，該系統不僅可以在低風速下收集不能直接并網的微弱能量，還能夠在風能充足條件下輔助逆變器并網發電，保證系統的整體效率。

本文主要分析了系統拓撲結構和整流器參數設計，由于篇幅原因，具體系統控制策略將另行分析。最后分別在實驗室和真實風場中給出了基于樣機的實驗波形以驗證系統可靠性和實用性。

圖2  系統結構

結論

本文提出了一種小型并網風力發電系統并重點分析了其拓撲結構。該系統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。在低風速下，利用整流器的升壓作用和零電流開通軟開關特性，微弱風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，系統的捕獲的風能直接傳遞至電網，系統的整體效率提高，同時輸入側和輸出側的電流畸變得到抑制。

最后通過在實驗室和真實環境下對樣機的測試，證明了理論分析的可靠性以及系統對小型風場的適應性。