李悅

【摘 要】本文首先介紹了分布式新能源電網(wǎng)系統(tǒng)的基本運行原理，以及分布式電網(wǎng)技術(shù)、新能源技術(shù)和電能質(zhì)量管理系統(tǒng)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后以某小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為基本構(gòu)架，設(shè)計建立了一套分布式新能源電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，最后從原理和功能上，論證該系統(tǒng)的可行性。

【關(guān)鍵詞】分布式電網(wǎng)；電能管理；電能質(zhì)量

0 引言

電能質(zhì)量管理，是每個電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)階段必須要面對的重要問題之一[1]。根據(jù)不同電氣系統(tǒng)的運行特點，隨著社會經(jīng)濟(jì)水平不斷的發(fā)展進(jìn)步，各企業(yè)單位對用電需求的緊迫性也日益增加，與此同時，隨著國家工業(yè)4.0戰(zhàn)略的推進(jìn)，越來越多的高精尖企業(yè)對電網(wǎng)的電能質(zhì)量提出了更高的要求，這無疑對廣大電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)人員提出了新的挑戰(zhàn)。因此，在工業(yè)用電系統(tǒng)中，建立基于負(fù)載用電需求模型，建立相應(yīng)的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，具有極其重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

另一方面，隨著全球石油、煤炭等傳統(tǒng)化石能源的枯竭，以風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)，正逐漸成為各國電氣科研人員的研究熱點。新能源發(fā)電系統(tǒng)的投放位置，一般為偏遠(yuǎn)山區(qū)或者近海區(qū)域，基本為人力覆蓋存在困難的區(qū)域[2]。因此，傳統(tǒng)的人力監(jiān)控、人工干預(yù)電力系統(tǒng)的監(jiān)控方式，很難滿足新能源發(fā)電系統(tǒng)的特殊電能質(zhì)量管理需求，因此，研發(fā)針對新能源發(fā)電系統(tǒng)特點的新型電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，是目前各國研究人員的主流研究方向。

1 新能源電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電能質(zhì)量管理系統(tǒng)是工業(yè)界最早引入機器管理、也是最活躍的研發(fā)領(lǐng)域之一。早在20世紀(jì)80年代開始，國外就出現(xiàn)了為數(shù)眾多的，并且控制性能成熟的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)。盡管各種電能質(zhì)量管理系統(tǒng)特性不一，使用場合也有所區(qū)別。但是根據(jù)其發(fā)展歷程，大致可以分為以下幾個基本階段。

20世紀(jì)80年代初到80年代中后期，是電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的第一階段，受制于電子元器件與計算機技術(shù)的瓶頸，該階段的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器組成，人工干預(yù)與人工操作較多。

20世紀(jì)90年代初到本世紀(jì)初，隨著電力電子開關(guān)器件的崛起，以繼電器接觸器為基礎(chǔ)架構(gòu)的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)逐漸被半導(dǎo)體電子開關(guān)系統(tǒng)所取代，控制效率與控制精度均有了大幅提升。

本世紀(jì)初至今，隨著計算機技術(shù)的日新月異，各種集成芯片開始介入工業(yè)控制領(lǐng)域[2]。在此基礎(chǔ)上，電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的研發(fā)、使用和維護(hù)愈加人性化，并且人工干預(yù)需求極大的減少，基本實現(xiàn)了電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的自動化運行。

新能源電網(wǎng)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)研發(fā)的另一個熱門領(lǐng)域，其中風(fēng)力發(fā)電以其清潔、存儲量大、成本低的優(yōu)勢，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究與引用。因此，本文基于分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行電網(wǎng)的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)研究與分析。

2 新能源電網(wǎng)電能質(zhì)量管理系統(tǒng)設(shè)計

本文建立的基于分布式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)如圖1所示。其基本架構(gòu)與運行原理為：由風(fēng)輪機從風(fēng)能中捕獲能量，從而帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，然后由發(fā)電機完成風(fēng)能到電能的能量轉(zhuǎn)換，直流母線構(gòu)架在發(fā)電機之后，為負(fù)載提供能量，蓄電池作為系統(tǒng)能量緩沖器存在，通過系統(tǒng)電能質(zhì)量管理控制器，最后實現(xiàn)系統(tǒng)電能質(zhì)量管理?；跓o刷直流電機的友好電氣特性，本系統(tǒng)選擇無刷直流電機作為風(fēng)力發(fā)電機，其與風(fēng)輪機之間不加裝齒輪傳動結(jié)構(gòu)，從而減少了機械系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。在蓄電池與直流母線之間，設(shè)計了一個雙向DC/DC作為能量緩沖控制載體，雙向DC/DC一般選用BUCK/BOOST拓?fù)?，其結(jié)構(gòu)簡單可靠，運行效率高，一套電路即可實現(xiàn)蓄電池電能的雙向管理，并且通過雙向DC/DC，可以調(diào)整直流母線電壓的幅值、諧波含量等電能指標(biāo)，從而最終實現(xiàn)了系統(tǒng)的電能質(zhì)量管理。

因此，雙向DC/DC，蓄電池，以及配套的電能管理系統(tǒng)控制器，是整個電能管理系統(tǒng)的核心。基于雙向BUCK/BOOST的特性，本文選擇電壓、電流雙閉環(huán)的控制策略。其中外環(huán)是母線電壓閉環(huán)，由傳感器檢測直流母線電壓幅值，與電能管理系統(tǒng)控制器給的的母線電壓幅值進(jìn)行比較，然后進(jìn)入PI閉環(huán)調(diào)節(jié)，從而得出內(nèi)環(huán)的蓄電池的運行電流給的幅值，內(nèi)環(huán)是蓄電池運行電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機捕獲的能量，與負(fù)載所需求的能量基本處于不匹配狀態(tài)，雙向DC/DC與蓄電池的作用正在于此。當(dāng)負(fù)載電能需求大于風(fēng)輪機捕獲的風(fēng)能時，電能管理系統(tǒng)控制器會調(diào)節(jié)蓄電池至充電狀態(tài)，吸收多余的風(fēng)能。當(dāng)負(fù)載電能需求小于風(fēng)輪機捕獲的風(fēng)能時，電能管理系統(tǒng)控制器會調(diào)節(jié)蓄電池至放電狀態(tài)，補充負(fù)載端不足的能量。并且，當(dāng)負(fù)載對直流母線電壓的性能有更高需求時，電能管理控制器可以在雙向DC/DC閉環(huán)調(diào)節(jié)中，加入相應(yīng)補償環(huán)節(jié)，以期更好的調(diào)節(jié)直流母線電壓電能質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文在分析分布式電網(wǎng)系統(tǒng)、電能質(zhì)量關(guān)系系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以某小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)架，基于分布式發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載的隨機性與不確定性，建立了相應(yīng)的電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，從而實時監(jiān)控、調(diào)節(jié)源端、負(fù)載端的電能需求匹配關(guān)系，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)最大電能輸出管理，系統(tǒng)欠/過載即時切投控制，最終實現(xiàn)了整個分布式電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量管理。本文僅在功能和原理上，通過理論分析論證了該系統(tǒng)的可用性，下一步需要在相關(guān)電氣仿真軟件中，建立相關(guān)仿真模型，從而驗證該系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)性，并最后用試驗樣機驗證系統(tǒng)的最終可行性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅詠.雙向DC_DC變換器及電池能量管理系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[2]馬洪飛，張薇，李偉偉，等. 基于直流電機的風(fēng)力機模擬技術(shù)研究[J].太陽能學(xué)報，2007，28（11）：1278-1283.

[責(zé)任編輯：田吉捷]