海岛离网型风力发电控制器模拟仿真

张原飞，王项南，崔 琳，郭 毅，薛彩霞，张 巍，夏海南

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.大连海洋大学，大连 116023）

0 引言

我国海域辽阔、海岛众多，包含数百个有常驻居民的岛屿，但是绝大部分岛屿无电网覆盖，因此电力短缺问题严重影响了岛上居民的生活和生产，制约着我国海岛的开发利用。由于海岛周围蕴藏着丰富的风能资源，而且风力发电技术较为成熟，因此风能可作为首选能源。

根据岛上的用电情况，可安装多台离网型风力发电系统，并结合蓄电池的储能技术，可以保证海岛居民的用电需求。我国离网型风力发电系统多数适用于内陆地区，如将其直接应用于海岛环境，则存在着寿命低、稳定性差、电能质量低的情况［1］。因此，针对海岛的特殊环境，需要对控制器进行可靠合理的设计，以提高输出的电能质量和运行效率，对于实现适用于海岛的离网型风力发电系统的优化配置和可靠运行有重要意义。

1 海岛离网型风力发电系统设计

选择有一定人口规模和经济基础、风资源丰富但电力短缺的岛屿作为调研对象，对岛上的用电情况和风能分布情况进行勘测与统计，并对风力资源利用的可行性进行分析，以确定供电系统的总装机容量。在总装机容量确定的情况下，进行单台风力发电系统装机容量的合理分配，尽量做到充分利用资源，保证全年均衡发电。

经过前期资源调查和站址选择，山东省即墨市大管岛目前有多户常驻居民，其风能资源反映在季风上，四季风力资源丰富。在工信部国家重大科技成果转化项目的支持下，将在大管岛上建立高可靠的独立供电系统。该供电系统由6台离网型风力发电机组构成，总装机容量为80kW，单台机组规格分别为6、12、22kW各两套；储能系统选用200块电压为2V容量为1 200A·h的铅酸蓄电池串联使用，组成充电电压为400V的储能系统；通过逆变器把直流电能转换成交流电能供用户负载使用。

2 海岛离网型风力发电控制器设计

以22kW离网型风力发电系统控制器为研究对象，对其进行特殊设计，可适应海岛环境。离网型风力发电系统控制器的装机容量为22kW，额定输出电压为430V，结构图如图1所示。控制器主要由卸荷负载、整流器和升压斩波器构成。

由于海岛周边风能的不稳定性，会使发电机的输出电压产生波动。因此，根据风速的变化设计两路输出，当风速大时，断开斩波电路，经整流器变化成直流直接给蓄电池充电，可以保护斩波电路中器件的安全；当风力小时，接通斩波电路，经斩波电路升压给蓄电池充电，可以提高风能的利用率。另外，当风速过大或蓄电池端电压过高时，可以分级接入卸荷负载，保证系统安全运行。

图1 海岛离网型风力发电控制器结构图

海岛上有代表性的环境特点是高盐雾、高湿度、海上风力的不稳定性等，对海岛风机控制器的设计提出以下特殊要求。

1）通往海岛的交通不便，不利于长期值守和经常维修，为保证风机工作的可靠性，控制器中选用器件的安全设计裕度为2倍以上［2］。

2）海岛处于海洋环境，既要保证风机控制器的元件散热，又要防止盐雾腐蚀，因此对柜内的电力元器件喷涂三防漆，对工控板采用封装的形式。

3）增加斩波电路。在低风速情况下，可以提高风能利用率，以增加风力发电机的发电总量［3］。

4）对控制器增加旁路设计。当风能足够充足时，整流后的电压满足蓄电池的充电电压，可以不经过斩波电路，经过整流后可直接为蓄电池充电，可以延长斩波电路的寿命。

5）海岛用电负荷较小，在大风情况下蓄电池很快充满，为防止蓄电池过充，开启卸荷负载。如果是多路风力发电系统共同向蓄电池充电，应该在蓄电池侧也要增加卸荷负载，以对蓄电池组进行保护。

6）增大蓄电池组的容量，采用2V的工业蓄电池进行串联。为防止蓄电池之间发生互充现象，尽可能不采用并联的方式组合蓄电池。这样不仅可以延长居民用电时间，而且可以提高储能系统的可靠性［4］。

7）风机安装在地势较高且空旷的场地。这有利于风力发电机发电，但同时也增加了风力发电机遭受雷电损害的概率，因此在控制器的输入端需要装配防雷系统。

8）海岛处于台风多发地区，发电机与控制器之间应安装空气开关，便于停机保护。

3 建立模型

利用Matlab／Simulink平台搭建22kW风力发电系统模型（见图2），其中包括风速发生模块、风机模块和电力系统模块。电力系统模块包含永磁发电机模块、电力转换模块、储能模块和卸荷负载模块。

图2 控制器仿真模型

风速发生模块会产一个随时间变化的风速序列，风速平均值为设定值，通过风机模块可将风能转化成机械能，并以机械转矩的形式传输给永磁发电机。经过电力系统模块，可将机械能转换成电能储存在蓄电池中，卸荷模块可在大风或蓄电池充满时保护系统安全运行。在电力转换模块中，控制系统为核心模块，包含3个功能：根据风速控制斩波电路的通断；根据直流母线上的电压控制卸荷负载的通断；当斩波电路工作时，控制IGBT开关的通断进行升压［5］。

22kW风力发电系统模型各模块的设计说明如下。

1）斩波电路的通断可以根据风速判断，模型中当风速小于5m／s时，接通斩波电路，为防止开关频繁通断，增加10s的时间延迟。

2）卸荷负载的仿真模型如图3所示。将卸荷负载安装在发电机与整流器之间，既可防止发电机超速，也可保证直流母线电压不超过蓄电池的浮充电压。为保证三相平衡，采用负载星形连接；考虑海岛环境和样机成本，在保证风机正常运行的情况下采用分段式调节。根据行业标准，卸荷负载的功率要按不小于风力发电机组最大输出功率的1.5倍来选型。卸荷负载的耐压值要按不小于风力发电机组最高空载电压和充电、控制系统元器件最高耐压值中最大者的1.5倍来选型［6］。对于22kW风力发电机，因为在蓄电池端还有卸荷负载进行保护，结合实际选取30kW的卸荷负载便可保护系统，按10kW分成三级分段接入。当电压高于445V接入第一级负载；当高于450V接入第二级负载；当高于460V时，接入第三级负载，但需要保证蓄电池组的端电压不超过470V的浮充电压。

图3 卸荷负载仿真模型

3）斩波电路的控制系统为双闭环结构设计（见图4），外环为电压控制环，内环为电流控制环，其中电流比较环节与PI调节器以及脉冲产生环节共同构成了电流的闭环。本环节的输入量是目标电压值420V。PI环节采用带限幅的PI调节器，而脉冲的产生环节的输入是PI调节器的限幅输出。由于采用的是电流的闭环控制策略，故闭环中PI调节器的参数必将会影响到电感电流的响应。

4 仿真运行

应用Matlab／Simulink软件对整个系统进行仿真，仿真参数如表1所示。

图4 电压电流双闭环控制结构

表1 仿真参数

为有效模拟控制器的特性，风速设定成5m／s，并在15s和40s时突升和突降。为更明显地观察蓄电池的充电状态，蓄电池的剩余容量初始值设为50%。另外，将蓄电池的剩余容量调成100%，以检验卸荷负载是否可以保证直流线电压不超过安全阀值。仿真结果如5至图11所示。

图5 平均风速为5m／s的风速序列

图6 整流器输出电压

图7 风力发电系统输出功率

图8 蓄电池的剩余容量为50%的充电情况

图9 蓄电池的剩余容量为50%的充电电压

图10 蓄电池的剩余容量为50%的充电电流

图11 蓄电池的剩余容量为100%的充电电压

在变化风速的影响下，经整流器输出的电压U1在300V左右波动，由于滤波电容的设定值较大，波动幅度不太明显，但在风速峰值处，电压仍有相应的增大或减小。风力发电机输出功率P变化完全与风速变化一致，在5m／s的风速下平均产生2kW的电能，将全部充入蓄电池中；由于电池的容量SOC较大，仿真时间较短，在60s内剩余容量由50%上升至50.3%；整流器的输出电压经斩波器升压至420V左右，满足蓄电池的充电电压要求；由于蓄电池的充电电压U2较为稳定，但风力发电机输出功率随风速波动，导致蓄电池的充电电流I也随风速变化，在仿真结果中是以负值表现的；当修改蓄电池的剩余容量SOC为100%时，蓄电池处于充满状态，此时接入一级卸荷负载，发电机所发出的电能由卸荷负载吸收，保证直流母线电压不超过阀值，确保系统安全运行。

5 结语

本文提出了将离网型风力发电技术和蓄电池供电技术相结合，在海岛建立发电系统向海岛居民供应电力。经模拟仿真验证可知，仿真结果与理论分析一致：系统输出电压质量高，动态响应好，抑制扰动能力强，可以稳定地向蓄电池充电。离网型风力发电控制器符合设计要求，可以充分利用风速较小的风资源，也可以在风速较大时实现自我保护。因此，该控制器适应于海岛风力变化不定的情况，该设计方案可以应用到样机制造中，并可以推广到其他海岛供电项目中，以解决海岛居民的用电问题。

［1］ 刘涛，于群.离网风机逆变装置测控技术的仿真研究［J］.电子质量，2012（03）：23-25.

［2］ 郭小坚.GB／T 19068.1—2003离网型风力发电机组：技术条件［S］.全国风力机械标准化技术委员会，2003.

［3］ 张义.直驱式永磁同步风力发电系统的控制研究［D］.天津：天津大学，2007.

［4］ 薛彩霞，王项南，郭毅.多能互补独立电力系统中蓄电池分组管理的研究［J］.海洋技术，2013，32（4）：107-110.

［5］ 朱亚俊.永磁同步风力发电机的控制技术［D］.广州：华南理工大学，2010.

［6］ 郭利恒，李卿韶.JB／T 6939.1—2003离网型风力发电机组用控制器：技术条件［S］.全国风力机械标准化技术委员会，2004.