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

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【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(yùn)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(guó)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(jì)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(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)階段必須要面對(duì)的重要問(wèn)題之一[1]。根據(jù)不同電氣系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷的發(fā)展進(jìn)步，各企業(yè)單位對(duì)用電需求的緊迫性也日益增加，與此同時(shí)，隨著國(guó)家工業(yè)4.0戰(zhàn)略的推進(jìn)，越來(lái)越多的高精尖企業(yè)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量提出了更高的要求，這無(wú)疑對(duì)廣大電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)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(yáng)能發(fā)電為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)，正逐漸成為各國(guó)電氣科研人員的研究熱點(diǎn)。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(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)的新型電能質(zhì)量管理系統(tǒng)，是目前各國(guó)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(guó)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(jī)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(kāi)始，國(guó)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(chǎng)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(gè)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(jì)算機(jī)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(kāi)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(kāi)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(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，各種集成芯片開(kāi)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(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量管理系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行。

新能源電網(wǎng)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)研發(fā)的另一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域，其中風(fēng)力發(fā)電以其清潔、存儲(chǔ)量大、成本低的優(yōu)勢(shì)，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(jì)

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(yùn)行原理為：由風(fēng)輪機(jī)從風(fēng)能中捕獲能量，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后由發(fā)電機(jī)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(jī)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(guò)系統(tǒng)電能質(zhì)量管理控制器，最后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電能質(zhì)量管理。基于無(wú)刷直流電機(jī)的友好電氣特性，本系統(tǒng)選擇無(wú)刷直流電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其與風(fēng)輪機(jī)之間不加裝齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而減少了機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。在蓄電池與直流母線之間，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(jiǎn)單可靠，運(yùn)行效率高，一套電路即可實(shí)現(xiàn)蓄電池電能的雙向管理，并且通過(guò)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(shí)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(gè)電能管理系統(tǒng)的核心?；陔p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(cè)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(yùn)行電流給的幅值，內(nèi)環(huán)是蓄電池運(yùn)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(jī)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(jī)捕獲的風(fēng)能時(shí)，電能管理系統(tǒng)控制器會(huì)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(jī)捕獲的風(fēng)能時(shí)，電能管理系統(tǒng)控制器會(huì)調(diào)節(jié)蓄電池至放電狀態(tài)，補(bǔ)充負(fù)載端不足的能量。并且，當(dāng)負(fù)載對(duì)直流母線電壓的性能有更高需求時(shí)，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(bǔ)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(yǔ)

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(jī)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)最大電能輸出管理，系統(tǒng)欠/過(guò)載即時(shí)切投控制，最終實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(guò)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(yàn)證該系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)性，并最后用試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)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(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28（11）：1278-1283.

[責(zé)任編輯：田吉捷]