直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)直/直變換電路的設(shè)計(jì)與控制

陳 榮

（鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

在全球積極推進(jìn)風(fēng)能、太陽能等可再生能源的開發(fā)利用過程中，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)脫穎而出，成為當(dāng)今風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。相對(duì)于化石能源，風(fēng)能可再生、資源分布廣，適宜就地、零散地開發(fā)利用。但風(fēng)能隨環(huán)境條件而變化，隨機(jī)性大，將風(fēng)能饋入電網(wǎng)需要附加較多的功率變換與控制環(huán)節(jié)，方可使電能滿足并網(wǎng)條件。并且，由于風(fēng)能的隨機(jī)性，大功率風(fēng)電并網(wǎng)往往會(huì)影響所聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)變流器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行控制是風(fēng)能獲得大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵[1-4]。

在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)直接與多極永磁同步發(fā)電機(jī)偶合，風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率、幅值隨風(fēng)速變化的交流電，經(jīng)三相不控整流變成幅值變化的直流電，再通過逆變器變換成與電網(wǎng)同頻同壓的交流電，將風(fēng)能饋入電網(wǎng)。但逆變器正常工作的電壓范圍有限，電壓低了，不能將電能饋入電網(wǎng)；電壓高了，逆變器不能承受，或者為了承受最高電壓，其電壓等級(jí)配置很高，成本加大，因此，必須對(duì)逆變器的輸入電壓進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，直流環(huán)節(jié)的電壓較低，系統(tǒng)需要在逆變器前配置Boost電路將直流電壓提升[5-8]；當(dāng)風(fēng)速很高時(shí)，直流環(huán)節(jié)的電壓較高，不利于逆變器安全運(yùn)行，需要將直流電壓降低。當(dāng)然，在有偏航或者變漿距控制的系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速超過額定速度時(shí)，通過偏航或變漿距可使發(fā)電機(jī)獲得的風(fēng)能降低，直流環(huán)節(jié)電壓可以得到控制。若直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)沒有這些控制環(huán)節(jié)，隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)力機(jī)獲得的能量增大，直流環(huán)節(jié)電壓增高，這將危及逆變器的安全。為此，配置降壓變換電路針對(duì)無偏航或無變漿距風(fēng)電系統(tǒng)是必須的，通過配置升/降壓變換電路，可以使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行[9-11]。本文將討論直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直/直變換電路的設(shè)置與控制。

1 升降壓變換電路的設(shè)置及工作原理

由于需要處理的電功率較大，可以實(shí)現(xiàn)大功率電能轉(zhuǎn)換的單級(jí)直流變換電路不多，在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電壓提升的電路均采用Boost升壓變換電路，而此時(shí)系統(tǒng)需要在電壓過高的情況下實(shí)施降壓，則可以采取將升壓變換電路和降壓變換電路進(jìn)行組合，構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能轉(zhuǎn)換的升/降壓變換電路，電路如圖1(a)所示。圖1(a)中，T1、D1、L構(gòu)成降壓變換電路，T2、D2、L構(gòu)成升壓變換電路，C1、C2為輸入、輸出電路濾波電容。

若因風(fēng)速較小，直流側(cè)電壓較低時(shí)，逆變器工作將不正常。控制系統(tǒng)要求T1全通，D1截止，T2按要求作脈沖寬度(PWM)控制，T2、D2、L實(shí)現(xiàn)升壓變換，將輸入直流電升壓到設(shè)定數(shù)值，工作電路如圖1(b)所示。

若風(fēng)速較高，直流電壓在逆變器合適的電壓范圍內(nèi)，則該變換電路既不需要升壓也不需要降壓，控制系統(tǒng)要求T1全通，T2截止，直流輸入電壓直接通過T1、L、D2到輸出端，工作電路如圖1(c)所示。

若風(fēng)速很高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)一步提高（在許可范圍內(nèi)），直流側(cè)輸入電壓將變得很高，對(duì)逆變器的安全運(yùn)行不利，需要將輸入電壓降低?？刂葡到y(tǒng)要求T1作PWM控制調(diào)整輸入電壓，T2截止，T1、D1、L實(shí)現(xiàn)降壓變換，工作電路如圖1(d)所示。

2 升降壓變換電路的控制方法

為實(shí)現(xiàn)圖1所示電壓控制，設(shè)計(jì)直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)直/直變換電路，其輸入輸出特性如圖2所示。圖2中，UΔ1、UΔ2、Uo分別為變換器直通控制電壓下限、上限、變換器工作起始電壓，Vi為其輸入電壓，Vo為輸出控制狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，變換電路直流輸入電壓可能有四種情況，這四種情況可以由比較器電路給出其電路的輸入狀態(tài)，按照并網(wǎng)逆變器對(duì)輸入電壓的要求，直/直變換電路控制邏輯需要滿足以下條件。

(1)輸入電壓低于UΔ1，第一比較器輸出狀態(tài)1，第二比較器輸出狀態(tài)1，系統(tǒng)要求變換器實(shí)施升壓控制。管T1全通，管T2進(jìn)行PWM控制，按要求調(diào)整輸入電壓到指定輸出值。

(2)輸入電壓高于UΔ1，但低于UΔ2，第一比較器輸出狀態(tài)0，第二比較器輸出狀態(tài)1，系統(tǒng)要求變換器不升不降，即直通。管T1全通，管T2截止。

(3)輸入電壓高于UΔ2，第一比較器輸出狀態(tài)0，第二比較器輸出狀態(tài)0，系統(tǒng)要求變換器實(shí)施降壓控制。管T1進(jìn)行PWM控制，管T2截止。

(4)輸入電壓低于變換器起始電壓Uo，第三比較器輸出狀態(tài)1，經(jīng)過反相輸出0，可以封鎖兩只開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路不工作。

比較器設(shè)置回環(huán)的目的，是避免輸入電壓在該轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近電路工作狀態(tài)的頻繁變動(dòng)，提高電路工作可靠性。

從以上分析可見，無論什么情況，系統(tǒng)要求管T1均有控制信號(hào)，或處于全導(dǎo)通狀態(tài)，或處于PWM 控制的調(diào)整狀態(tài)（僅電源電壓低于起始電壓時(shí)例外）。而管T2在升壓控制情況下處于PWM控制狀態(tài)，其余兩種情形下均處于截止?fàn)顟B(tài)。由此可以構(gòu)成系統(tǒng)控制原理圖，如圖3所示。圖中，uΔ1、uΔ2、uo分別代表與UΔ1、UΔ2、Uo成比例的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，ui為直流輸入電壓。

管T1在任意情況下均有控制信號(hào)，其控制邏輯可以在其自身控制電路中實(shí)現(xiàn)，圖3的邏輯控制信號(hào)只作為T1驅(qū)動(dòng)電路輸入端的開門信號(hào)。

圖3中，發(fā)電機(jī)輸出的變壓變頻交流電經(jīng)三相不控整流輸出幅值隨風(fēng)速變化的直流電，該直流電經(jīng)檢測(cè)電路輸入到圖3輸入端，經(jīng)三個(gè)比較器確定輸入電源的電壓狀態(tài)。

(1)若A=1，B=1，輸入電壓低于UΔ1，系統(tǒng)要求升壓控制，T1全導(dǎo)通，T2進(jìn)行PWM控制。T1、T2控制電路如圖4所示。

圖4中，針對(duì)T2管，ugd=uΔ1，ufu為變換器實(shí)際輸出電壓的檢測(cè)反饋值。電路所產(chǎn)生的控制脈沖經(jīng)圖3門電路給T2以驅(qū)動(dòng)，實(shí)施升壓控制，T2控制電路調(diào)節(jié)器的上限限幅決定占空比最大值（可設(shè)置為0.8左右），下限可設(shè)置為0。

而對(duì)T1管，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)也來自圖4的輸出，其ugd=uΔ2，由于輸出電壓反饋值ufu小于ugd，調(diào)節(jié)器輸出向正方向變化到大于載波信號(hào)正向幅值，比較器輸出狀態(tài)為高電平，送入T1驅(qū)動(dòng)電路使其全導(dǎo)通。

(2)若A=0，B=1，輸入電壓低于UΔ2，而高于UΔ1，系統(tǒng)既不要求升壓也不要求降壓，T1全導(dǎo)通，T2截止。

對(duì)T2管，圖3與門1封鎖了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，T2管截止。圖4給定信號(hào)小于反饋，比較器輸出信號(hào)小于載波信號(hào)負(fù)向幅值，和載波信號(hào)沒有交點(diǎn)，比較器輸出低電平。

對(duì)T1管，電路輸出電壓反饋值ufu小于ugd(=uΔ2)，調(diào)節(jié)器輸出仍大于載波信號(hào)正向幅值，比較器輸出狀態(tài)為高電平，T1全導(dǎo)通。

(3)若A=0，B=0，輸入電壓高于UΔ2，系統(tǒng)要求降壓控制，T1實(shí)施PWM調(diào)制，T2截止。

對(duì)T2管，圖3與門1封鎖了驅(qū)動(dòng)信號(hào)，T2管截止。圖4輸入給定信號(hào)小于反饋，比較器輸出信號(hào)小于載波信號(hào)負(fù)向幅值，比較器輸出低電平。

對(duì)T1管，電路輸出電壓的反饋值ufu大于ugd(=uΔ2)，調(diào)節(jié)器輸出按PI控制規(guī)律從峰值以上向下變化，與載波信號(hào)相交產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)T1斷續(xù)導(dǎo)通調(diào)整輸出電壓。

此外，由于整流輸出電壓幅值與風(fēng)速有關(guān)，隨機(jī)性較大，變換器輸入電壓在不斷變動(dòng)過程中，為防止因?yàn)殡妷鹤儎?dòng)而出現(xiàn)電路工作狀態(tài)的頻繁變化，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的情況，在直通電壓上下限(UΔ1、UΔ2)均設(shè)置了電壓比較滯環(huán)。

圖2中，系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)起始電壓Uo，它表示直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓太低，不具備發(fā)電能力，數(shù)值可以根據(jù)系統(tǒng)的具體情況設(shè)置。在邏輯控制上，也設(shè)置了一個(gè)比較電路，由比較電路的輸出狀態(tài)封鎖兩調(diào)整管的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 變換電路的控制與實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)系統(tǒng)由變頻器驅(qū)動(dòng)多極異步電動(dòng)機(jī)，再由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)多極永磁同步發(fā)電機(jī)以模擬直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，變頻器頻率控制信號(hào)采用可變恒定電壓疊加小幅正弦信號(hào)來模擬環(huán)境風(fēng)速，正弦信號(hào)的頻率不可以過高，頻率過高，變頻器無法響應(yīng)。發(fā)電機(jī)所發(fā)出的變頻、變壓交流電經(jīng)不控整流電路轉(zhuǎn)換成變幅交流電，該變幅交流電作為直/直變換器的輸入電壓?？紤]到風(fēng)電機(jī)組輸出電壓變化及電機(jī)額定參數(shù)的因素，計(jì)劃設(shè)置模擬系統(tǒng)直通電壓下限滯環(huán)為250～270 V(DC)、上限滯環(huán)為350～370 V(DC)，即設(shè)置電壓回環(huán)為20 V，以避免變換器工作狀態(tài)的頻繁變化。同時(shí)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置了系統(tǒng)工作起始電壓100 V（設(shè)置回環(huán)10 V），低于該電壓，控制系統(tǒng)禁止變換器工作。

發(fā)電機(jī)參數(shù)為額定功率2.5 kW，額定電壓300 V，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，變頻器所帶異步電動(dòng)機(jī)為5對(duì)極，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50 Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速將接近600 r/min。因此，該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出工作頻率不得超過50 Hz。根據(jù)電機(jī)功率大小以及直流側(cè)電壓等級(jí)，并留有適當(dāng)余量，選取T1、T2為IGBT管，參數(shù)為50 A/1 200 V，D1、D2為快恢復(fù)二極管，參數(shù)為55 A/1 000 V，電路工作頻率設(shè)置為4 kHz，根據(jù)輸入輸出要求確定電感為42 mH，輸出濾波電容為1 000μF/900 V（兩只2 000μF/450 V電容串聯(lián)）。

系統(tǒng)從啟動(dòng)到變頻器輸出頻率達(dá)到45 Hz，發(fā)電機(jī)所發(fā)交流電經(jīng)過不控整流輸出的電壓與電流之間的關(guān)系(帶30Ω 功率電阻)如圖5所示。從圖中可見，當(dāng)變頻器運(yùn)行到45 Hz時(shí)，發(fā)電機(jī)已經(jīng)過載一倍，實(shí)際工作過程中不允許長(zhǎng)時(shí)間過載運(yùn)行。

調(diào)整好試驗(yàn)系統(tǒng)各檢測(cè)、反饋環(huán)節(jié)，按照前述控制方法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以按照要求改變變換電路的工作狀態(tài)，實(shí)際下限滯環(huán)為248～265 V(DC)，實(shí)際上限滯環(huán)為346～367 V(DC)。在實(shí)施升壓控制時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定電壓為250 V；實(shí)施降壓控制時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定電壓為350 V。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓從0上升到100 V時(shí)，變換器不工作；從100 V上升到265 V時(shí)，A=1，B=1，變換器實(shí)施升壓控制；從265 V上升到367 V，A=0，B=1，變換器直通；在367 V以上，A=0，B=0，變換器實(shí)施降壓控制。從367 V以上向下變化，在346 V以上，A=0，B=0，變換器實(shí)施降壓控制；從346 V下降到248 V，A=0，B=1，變換器直通；從248 V下降到90 V，A=1，B=1，變換器實(shí)施升壓控制；90 V以下系統(tǒng)關(guān)閉。系統(tǒng)實(shí)際控制電壓在整個(gè)工作范圍內(nèi)被限定在248～367 V。

實(shí)際控制中，像該模擬控制系統(tǒng)控制的電壓范圍較寬(248～367 V)，對(duì)后續(xù)逆變器的電壓控制提出比較高的要求，可以根據(jù)具體情況對(duì)電壓范圍予以調(diào)整，保證逆變器既可以實(shí)施風(fēng)能逆變，又可以安全可靠工作。

4 結(jié)語

根據(jù)實(shí)際直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因?yàn)轱L(fēng)速變化所引起的直流輸入電壓變化范圍太寬的問題，本文研究并設(shè)計(jì)了在后續(xù)逆變器前設(shè)置升降壓變換電路，可以將輸入直流電壓控制在規(guī)定范圍，既能拓展風(fēng)電系統(tǒng)在寬廣的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，又能保證系統(tǒng)在高風(fēng)速情況下的運(yùn)行安全，可為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行提供參考。

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