0　引言

近十多年来，新能源技术得到世界各国的普遍重视，尤其是风力发电技术在世界范围内已经有了很大的发展。随着风电规模的不断增长，它给电力系统带来的问题也不容忽视。众所周知，风速具有随机波动性、不可控性和不可预测性，导致风电输出功率波动大，若将其直接接入电网会对电力系统运行的稳定性及经济性带来负面影响[1]。为了弥补风力发电的波动给电网带来的各种影响，将大容量储能装置与风电场相结合是一种合适的技术选择[2]。

由于直驱永磁风力发电机可靠性高，效率高，不需要齿轮升速装置，噪声小，而且没有滑环和电刷装置，后期维护工作量小，所以在大型风电场并网系统中广泛采用[3]。此外，直驱永磁同步风力发电系统在电压跌落时，可以通过直流侧加装卸荷装置或者储能装置来提高低电压穿越能力，这也是直驱永磁风电系统优于双馈式风电系统的地方。

本文基于MATLAB/SIMULINK软件搭建了储能型直驱永磁同步风电系统并网仿真模型，并进行仿真分析，图6为系统仿真波形图。系统的参数设置分别为：①风力机，空气密度为1.225 kg/m3，风轮半径4 m，桨距角0°；②永磁同步发电机，定子电阻2.4 Ω，定子电感0.835 mH，极对数20，永磁体磁通0.45 Wb，转动惯量1.283 J(kg·m2)；③网侧，相电压311 V，电阻0.5 Ω，电感2 mH；④直流侧，直流电压700 V，电容8000 μF；⑤双向DC/DC变换器，电感1 mH，电容100 μF。

由于锂离子电池具有储能容量大、转换效率高、无污染、重量轻、寿命长、自放电系数小、温度适应范围广等优点[7]，在可再生能源发电的储能应用、电动汽车动力电池等方面还存在很大发展空间。本文引入锂离子电池作为储能系统，设计了一套基于双向DC/DC变换器的控制策略，使其与直驱永磁同步风电机组相结合，有效地抑制或缓解风电的波动性，减少风电系统对电网的不利影响。

现阶段，我国的光伏发电在农村已得到了部分利用，但尚未普及；而在城市内几乎不见开发利用。经过对石家庄本地市场调查，进行对于安装成本和成本回收周期的估算，可以略窥其一二。

此外，在随机风条件下，风力发电系统的输出特性会随着外界环境的变化而发生变化，并出现明显的振荡现象，采用最大功率跟踪技术可以充分发挥风力发电机组的效能。但是，传统的三点比较法采用整数倍增减的形式来调整步长，当风力机转速较大时，步长的扰动会使系统产生不必要的波动，导致风力机转速的收敛性达不到预期要求，从而影响到系统功率的输出[8]。本文将最优梯度法引入到风力发电的最大功率点跟踪(MPPT)控制中，可以快速准确地对最大功率点进行跟踪，提高风力发电系统的利用率。

1　风力发电系统原理

要促进云南少数民族传统体育旅游的发展，需要将少数民族传统体育旅游资源进行转化，一是严格依据市场规律，将云南丰富的少数民族传统体育旅游资源优势转化为高速增长的旅游产业优势；二是把原始山水人文优势通过挖掘、开发、雕凿转化为人们喜爱、具有极大容量的旅游产品优势，为地方和旅游企业带来一定的经济效益。三是切实转变经济发展模式，创新商业模式，不断扩大企业市场竞争优势，将零散旅游资源进行整合，实现标准化服务，提升发展能力，抢抓“桥头堡”建设机遇。

Pw=0.5πρR2v3Cp

(1)

风力机输出的机械转矩Tw为

(2)

式中：ρ为空气密度，单位为kg/m3；R为风轮半径，单位为m；v为风速，单位为m/s；Cp为风能利用系数；Tw为风力机的输出转矩，单位为N·m；ω为风力机的角速度。

风能利用系数Cp反应了风力机吸收风能的效率，与叶尖速比λ和桨距角β有关。其表达式为

Cp(λ,β)=

0.0068λ

(3)

其中

(4)

由式(3)可知，当桨距角β保持不变时，风能利用系数Cp只与叶尖速比λ有关。只要使风力机运行于最佳叶尖速比λout，便可得到最大风能利用系数Cpmax，此时风力机的转换效率达到最高。如果在随机风速情况下，风力发电机组均能运行在Cpmax点，其输出功率将大大提高。欲使风力机的工作点满足最佳功率曲线，必须在风速变化时及时调整风力机的转速，保持最佳叶尖速比[5]。

7）苗木定植。栽植深度以苗木根颈部与地面相平为准。栽植时根系要摆布均匀，填土一半时轻轻提苗，再填土与地面等平，最后灌透水，待水渗完后覆盖地膜。

ωn+1=ωn+angn(ω)

传统的爬山法采用整数倍增减的方式来调整步长，会使风力机转速的收敛性达不到预期要求，若采用指数倍增减的方式来调整步长的话，可以提高系统运行的稳定性[8]。本文引入最优梯度法跟踪最大功率曲线，在不检测风速的情况下做出合适的调整。最优梯度法是通过风力机转速扰动来搜寻最大功率点，其迭代公式为

(5)

其中

(6)

式中：ωn为第n次迭代的角速度；ωn+1为第n+1次迭代的角速度；an为一非负常数，搜索函数的最大点是沿着正梯度gn的方向进行搜索。

结合式(1)、式(3)～(6)，取桨距角β为定值β0，可以推导出第n次迭代时梯度的具体表达式为

0.0034 kb

(7)

式中k=πR2ρv3和b=R/v均为常数。

首先，将直流母线电压给定值Udc*与测量值Udc进行比较，得到电压环的控制输入量，经过PI调节器输出得到LIB充电电流给定值Ib*；将Ib*与LIB实际电流Ib作比较，经过PI调节器产生导通占空比D，再与三角波进行比较，产生2个脉冲信号PWM1和PWM2，分别触发双向DC/DC变换器的开关器件，对电池进行充放电控制。当Ib>0时，电池进行充电；否则，电池进行放电。同时，本文的方法还对电池电压Ub进行监控，若Ub>Ubmax或Ub<Ubmin，为保护蓄电池会使PWM1=0和PWM2=0，将电池组切出系统。此外，当Udc>Udcmax时，为保持直流侧电压恒定，直接输出占空比为1，电池组将以最大功率进行充电。

2　并网控制策略

储能型直驱永磁同步风电并网系统是由风力机、永磁同步发电机(PMSG)、双PWM变流器、储能系统等组成，其结构如图1所示。PMSG首先将风能转换为幅值和频率均变化的交流电，经整流后变为直流电，再经逆变后变为幅值和频率均恒定的交流电接入电网。储能系统分为2个部分，一部分是储能设备及其控制系统，负责完成电能的存储和输出；另一部分是功率转换设备及其控制系统，负责储能系统的充电和放电过程的调控。

图1　带储能系统的直驱永磁风电系统示意图

2.1　机侧变流器的控制策略

图2　机侧变流器的控制原理图

本文采用半桥型双向DC/DC变换器作为锂离子电池储能系统的稳压装置。图4为储能系统电路图，其中锂电池等效电路模型可参考文献[9]。当LIB电池组处于充电状态时，双向DC/DC变换器工作于Buck电路模式：S1导通时，并网逆变器工作在整流状态，电网电能经过电感L后给LIB充电；S1关断时，存储在电感L中的能量经过VD2继续给LIB充电。当LIB电池组处于放电状态时，双向DC/DC变换器工作于Boost电路模式：S2导通时，LIB通过S2将能量储存到电感L中，电容C与直流母线并联，稳定直流电压；S2关断时，存储在L中的能量经过VD1续流，储能电感L和电容C同时给电网提供能量。

2.2　网侧变流器的控制策略

网侧变流器采用电压定向矢量控制，其外环是直流电压环，内环是电流环。通过控制电网电流的d、q轴分量，实现有功和无功的解耦控制。网侧换流器可以实现直流侧电压稳定、有功功率的输送以及无功功率控制，并使其运行在单位功率因数状态。图3为网侧变流器的控制原理图。

考虑将网侧电压空间矢量ug定向为两相同步旋转坐标系中的d轴，使q轴分量ugq=0，于是得到网侧变流器的电压方程组

根据贝兹理论，风力机从风能中捕捉到的功率为

(8)

式中：R、L分别为网侧等效的电阻和电感；ud、uq为网侧变流器d、q轴的电压分量；id、iq为网侧变流器d、q轴的电流分量；ugd为电网电压的d轴分量。

图3　网侧变流器的控制原理图

2.3　储能系统的控制

在直驱永磁同步风电系统中，机侧变流器常采用零d轴电流控制，SVPWM触发方式。文献[5]详细介绍了发电机侧变流器的控制方法，通过控制d、q轴电流可以实现励磁与电磁转矩的解耦控制，其中外环是速度环，通过MPPT算法确定电机的转速参考值ω*；内环是电流环，采用PI调节，增加电压补偿量实现解耦，提高动态响应速度。图2为机侧变流器的控制原理图，其中usd和usq分别为发电机d、q轴电压，isd和isq分别为d、q轴电流，Ld和Lq分别为定子d、q轴电感，Ψf为永磁体励磁磁链，Ψd和Ψq分别为d、q轴磁链，ωs为电角速度，θ为发电机转子角度。

学者王雨萌、王冰丽等在《浅析解放战争时期党对农民的思想政治教育及现实意义》中对解放战争时期农民思想政治教育概况进行了一定的研究，主要关注对农民进行思想政治教育的背景、必要性、主要内容、方法和原则、现实启示等内容。[5]学者从解放战争时期党对农民的思想政治教育的背景和必要性入手，了解当时社会矛盾的变化以及农民的阶级状况，从土地改革、宣传土地政策中阐述党对农民进行思想政治教育的主要内容和方法原则，进而探究其在新时期农民教育中的现实启示。[7]

图4　半桥型双向DC/DC变换器电路图

图5为DC/DC变换器的控制原理图。

图5　DC/DC变换器的控制原理图

利用最优梯度法进行最大功率点跟踪，既保留了其它观察法的优点，又改变了风力机的转速收敛速度。通过不断地检测功率和转速变化，对转速进行实时调整，使系统输出处在最大功率状态。

1.3 规范化 规范化主要分为位置规范化、大小规范化和笔画细化处理，位置规范化和大小规范化在纸质文字转化为数字图像时，就已规范化，每个单体文字图像像素为长宽各130像素。对于细化方面，细化是指对于一个给定的模式图像，抽取其“中心骨架”的过程，细化算法可分为非迭代算法和迭代算法，而迭代算法又分为串行算法和并行算法，本文的细化处理是在不破坏原有结构配置和给定笔画连接位置关系的基础上，采取迭代扫描并删减边界像素点来完成。笔画细化方法中经典的有基于标记的并行细化算法〔14〕，改进的有自动矢量化算法〔15〕。细化后的文字消减了很多手写字体的个性化特征，为特征提取创造了有利条件。

3　仿真研究

目前，市场上主流的储能电池包括钠硫电池、液流电池、锂离子电池(LIB)等。文献[4]介绍了日本Futamata风电场采用的钠硫储能系统，其效率高达89%，可以实现多次可逆充放电循环。文献[5]提出一种新型的钒氧化还原液流电池储能装置，当电网电压发生跌落时，有效提高了低电压穿越能力。由于电池储能系统存在成本高、需定期维护以及具有环境污染性等特点，文献[6]结合飞轮储能的优点，提出了一种含飞轮储能的直驱永磁风电系统协调运行控制策略。

图6　系统仿真波形

从图6中可以看出，当风速按随机规律变化时，风能利用系数Cp基本保持在0.48左右，此时叶尖速比λ约为7.5，发电机组能够保持在最佳功率曲线上运行，说明基于最优梯度法的MPPT控制效果较好；风力机输出的转矩以及发出的功率均能随风速而变化，可以很好地跟踪给定转速；此外，在LIB储能系统作用下，直流侧电压基本稳定在700 V允许范围内，说明在直流侧增加锂离子电池储能装置可以有效地平稳直流侧电压；网侧三相电流与电压相位一致，说明网侧变流器工作在单位功率因数状态。

4　结束语

本文针对直流侧加入储能装置的直驱永磁同步风电系统的并网控制策略进行了相关仿真研究。锂离子电池储能系统能够有效地平衡直流侧电压，改善直驱风力发电系统并网运行的电能质量和稳定性，且动态响应速度快。本文还引入基于最优梯度法的MPPT，相比于传统的MPPT，既能快速锁定最大功率点，又能克服在最大功率点处的转速波动。仿真结果证实了所提出控制策略的正确性和有效性。

参考文献：

[1]　Eel-Hwan Kim,Jae-Hong Kim,Se-Ho Kim,et al.Impact analysis of wind farms in the jeju island power system [J].IEEE Systems Journal,2012,1:134-139.

[2]　胡春雨，陈强，李武峰，等.大容量电池储能技术在风电中的应用[C]//第13届中国科协年会.天津，2011.

[3]　刘军，周飞航，黄杨.永磁同步风力发电系统附加虚拟阻尼控制仿真及验证[J].农业工程学报，2016，32(15)：89-96.

[4]　刘晓林，廖强强，周国定，等.电池储能系统在风力发电中的应用[J].电器工业，2013(10)：71-74.

[5]　王文亮,葛宝明,毕大强.储能型直驱永磁同步风力发电控制系统[J].电力系统保护与控制，2010，38(14):43-48.

[6]　熊倩，廖勇，姚骏.含飞轮储能单元的直驱永磁风力发电系统有功功率平滑控制[J].电力自动化设备，2013，33(5)：97-105.

[7]　骆妮.锂离子电池储能系统及风电场储能容量配置研究[D].北京:华北电力大学，2013.

[8]　张秀玲，谭光忠，张少宇，等.采用模糊推理最优梯度法的风力发电系统最大功率点跟踪研究[J].中国电机工程学报，2011，31(2)：119-123.

[9]　童欣，郝剑波，张坤.锂电池储能在风电系统中的应用[J].电力科学与工程，2013，29(2)：5-10.