基于直流母线独立风电系统研发

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1、第103／~第3期中国水利水电科学研究院学报v。1．10No．32012年9月JournalofChinaInsfiluteofWaterRes。urcesandHydr(】p。werResearchSeptember，2012文章编号：1672—3031(2012)03—0236—05基于直流母线的独立风电系统研发王春，袁恩来，冯宾春，张子皿(中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038)摘要：本文分析了独立风电系统与常规发电系统功率平衡方法的区别及蓄电池在风电系统中的作用，提出利用少量储能和调节负

2、载功率的平衡方法。介绍了基于直流母线的独立风电系统的结构、组成及控制方法。当风速高风机输入功率较大时，负载全功率运行，当风速低风机输入功率较小时，负载降功率运行，蓄电池根据风机输人总功率和负载运行功率之差进行充电或放电，保证系统稳定运行。现场运行结果表明：基于直流母线的独立风电系统运行稳定，能够保证负载正常运行。关键词：独立风电；蓄电池；直流母线；负载变功率运行中图分类号：TK82文献标识码：A所谓“独立风电”，就是风电不并人大电网，而是就地应用于一系列能适应风电特性的负载或特殊领域⋯，其母线有交流和直流之分。基于直流母线的独

3、立风电系统有如下特点：直流母线参数少，仅需控制电压即可实现多台风机并联使用；简化风机结构和风机并联的辅助设备，降低投资成本，提高风能利用率；扩展性强，规模容易扩展，同时可接入光伏等其他可再生能源。1独立风电系统功率平衡方法风力发电系统和常规发电系统均可等效为一个旋转动力机械系统，输入力矩为，负荷力矩为，设发电机的旋转角速度为，则有如下运动方程：t，=do)一一T(1)e对于常规发电系统，一般认为负荷力矩是随机波动的。当负荷变化时发电机转速(系统频率)随之变化，安装于原动机的调速器感知这一变化，自动调整原动机输入力矩的大小，以适

4、应负荷的变化，从而保证机组转速(系统频率)的稳定。即在常规发电系统中，主要依靠原动机的调节来保证系统的稳定。在风力发电系统中，风电具有间隙性和随机性，即是不可控的，上述方法不可行。要使系统功率平衡，亦即使式(1)等式成立，可以从以下几个方面考虑：(1)设法平抑的波动，而(即用电负载)仍为随机，这是目前中小型风电研究和应用的主要方向，以柴油机、蓄电池等作为支撑，以建立较为稳定的以风电和光伏为主的新能源独立供电系统为目标。但这往往需要大量蓄电池等储能设备，如文献[4]中所述，20kW风机配置蓄电池容量为300V～900Ah，若以1

5、2V～100Ah的常用蓄电池计，共需要225块；(2)随变化而变化，即风机发多少负载用多少，负载处于“随风起舞”的状态，应用和研究均较少；(3)结合前两种方法，即用少量储能“削峰填谷”，使风电较为稳定；负载具有功率可控、可调的功能，一定程度上适应风电的波动。本文依据第三种思路，研制基于直流母线独立风电系统，该系统主要为可控变负荷反渗透海水收稿日期：201l-09—27基金项目：水利部公益性行业专项(201001032)作者简介：王春(1982一)，男，江苏泗阳人，工程师，主要从事新能源应用研究。E-mail：wangch0l0

6、5@126．eom-——236·-——基于直流母线的独立风电系统研发王春袁恩来冯宾春张子皿淡化供电。2系统组成系统原理图如下：主要设备包括2台5kW风机，2台AC／DC开关电源，1台双向DC／DC开关电源，18块NP12—38Ah铅酸蓄电池组，1台降压DC／DC开关电源，1组25kW功率电阻和1套s7—300PLC组成，该系统为功率可控可调的反渗透海水淡化设备(额定功率3．9kW)供电。另外系统还配备了1台3kW的低压逆变器，用于日常生活用电。直流母线电压选取525V，这样直接逆变之后即可得三相交流380V电源，为负载供电。图

7、1基于直流母线的独立风电系统原理3系统调试直流母线系统必须保证母线电压稳定和输入输出的功率平衡，系统调试就是要确定各主要设备的性能、参数及控制子系统调试。3．1风机输出功率测试风机的输出功率是本系统进行后续控制和调节的关键。输出功率一般用风功率曲线表示。但由于风速测量成本高而且存在误差，可以通过其他参数表征功率曲线。在风电系统中，风速、风机的转速和风电的频率有如下关系：n=30。‘A／(。r)(2)-厂=n‘p／60(3)式中：n为风机转速；为风速；r为风轮半径；人为最佳叶尖速比，此处为6．39；f为输出频率，P为发电机极对数

8、。由式(2)、(3)可以将风速一输出功率曲线转化为频率一输出功率曲线。本系统采用此法确定风电输出功率曲线，现场调试结果及与厂家提供的理论功率曲线对比见图2。从图2看出，实际设定的功率曲线与理论功率曲线变化趋势一致，但功率值略小于理论功率，这是因为系统有AC／DC、DC／DC开