基于BOOST變換風力發(fā)電系統(tǒng)單相并網(wǎng)控制技術

高晗瓔，紀文東，宋宏明，申 娟

(哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，哈爾濱150080)

我國的風能發(fā)展?jié)摿艽?，風力發(fā)電可使風能得到最大程度的利用.并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)是將風能轉變?yōu)殡娔艿暮诵募夹g，因此針對此控制技術的研究越來越受到人們的重視[1－2].

由于外界風速不是穩(wěn)定不變的，導致風力發(fā)電機輸出的電壓會隨著風速的大小而變化，所以必須在風力發(fā)電機輸出的電能不符合并網(wǎng)標準，不能直接接入電網(wǎng)，應該在兩者之間接入一個智能控制變換器，將風機發(fā)出的不規(guī)則的電能轉換成國家規(guī)定標準的交流電能后，再源源不斷地向電網(wǎng)供電.

本文對風力發(fā)電并網(wǎng)變換器進行分析研究，在構建系統(tǒng)結構基礎上，提出了控制策略，在Matlab/Simulink仿真平臺上，根據(jù)實際情況設置模擬器件的各項參數(shù)，對系統(tǒng)的控制方案進行了驗證.

1 系統(tǒng)結構

風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電不穩(wěn)定，所以采用交—直—交的變換方式并上電網(wǎng).即三相交流電經(jīng)過不可控整流橋轉換成直流電壓，但由于電壓值波動較大，本文采用變換器[3]，將直流電升壓至并網(wǎng)逆變器所要求的直流母線電壓350 V，經(jīng)H橋逆變，再經(jīng)濾波后并上電網(wǎng)[4].系統(tǒng)結構圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

2 并網(wǎng)逆變器控制策略分析

并網(wǎng)逆變器按輸入方式可分為電流源輸入和電壓源輸入，前者控制方式需要提供穩(wěn)定的電流源，人們往往會利用電感通直阻交的特性，在逆變前端串聯(lián)一個大電感，但這會導致系統(tǒng)響應能力變差.因此以電壓源為輸入方式的并網(wǎng)逆變器最受歡迎[5].

逆變器網(wǎng)側輸出控制有電壓控制和電流控制，電網(wǎng)可視為一個定值電壓源，控制方式如果采用前者，則相當于兩個電壓源并聯(lián)運行，要使其正常運行，就必須采用鎖相控制技術來調整逆變器輸出電壓保持與電網(wǎng)同步，但存在逆變器輸出電壓大小不易受控、鎖相回路的響應時間太長等問題.控制方式如果采用后者，則只要在逆變器輸出電流的頻率和相位控制上，保證跟蹤電網(wǎng)電壓，即可同電網(wǎng)并聯(lián)運行[6－7].因此電流型并網(wǎng)控制方法相對容易實現(xiàn).

為了實現(xiàn)系統(tǒng)響應快、便于控制的目的，使逆變器輸出電流和電壓最大限度地不受到電網(wǎng)的干擾，本設計采用以電壓源輸入、電流型控制輸出的方式.并網(wǎng)逆變器的整體控制結構如圖2所示.

圖2 控制電路圖

前級升壓環(huán)節(jié)，必須滿足并網(wǎng)條件:直流母線電壓必須穩(wěn)定.采用電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，直流升壓輸出電壓經(jīng)模/數(shù)轉換后的值為Vf，V*DC為直流輸出電壓360 V所對應的一個數(shù)值，兩者作為輸入，經(jīng)模塊調節(jié)后的輸出量作為電流環(huán)中的給定量i*1，實際反饋i1和其通過滯環(huán)模塊產(chǎn)生信號，控制開關管的開斷，穩(wěn)定輸出.

后級逆變并網(wǎng)環(huán)節(jié)，必須滿足逆變器輸出電流接近正弦波，并且保證并網(wǎng)電流跟蹤電網(wǎng)電壓，達到單位功率逆變目的.鑒于此，為了達到并網(wǎng)電流的快速反應能力提高的同時，減少電網(wǎng)擾動對并網(wǎng)電流的影響，本文在網(wǎng)側采用加入電壓前饋補償?shù)碾娏鏖]環(huán)控制方式.首先通過SPLL模塊取得一個能跟蹤電網(wǎng)電壓的數(shù)值為1的正弦信號，此信號與指定的電流幅值i*L的乘積，作為逆變器輸出的交流電流指令值i*Lf，它與實際反饋的逆變器輸出電流iLf經(jīng)過運算放大器模擬PI調節(jié)后，與引入的經(jīng)A/D采樣得到的電網(wǎng)電壓前饋補償值相加，兩者之和作為調制波，再與設定的一定頻率的三角波載波信號進行比較，產(chǎn)生控制功率開關管的控制信號，最終使由逆變器輸入到電網(wǎng)的電流緊跟電網(wǎng).

3 并網(wǎng)電流控制策略分析

并網(wǎng)逆變器的控制關鍵是要實現(xiàn)并網(wǎng)電流在閉環(huán)控制的同時，不受電網(wǎng)電壓的影響下跟蹤其相位和頻率.傳統(tǒng)的并網(wǎng)電流閉環(huán)控制結構框圖如圖3所示.

圖3 傳統(tǒng)的電流閉環(huán)控制結構圖

由圖3推導，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

PI運算傳遞函數(shù)為

其中:KP是比例系數(shù)，KI是積分系數(shù).

忽略各功率開關器件因相關參數(shù)和死區(qū)時間不精準而引起的非線性影響，采用PWM控制的全橋逆變電路可近似為一個線性比例環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為

其中:KPWM為逆變運算放大倍數(shù).

濾波電感L2、L3和濾波電容C3的等效寄生電阻值很小，可忽略不計.從而得到濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

其中:

L=L2+L3，α =L2/L.

由式(1)可以看出，逆變器輸出直流電流當只有純粹的閉環(huán)控制時，其傳遞函數(shù)中存在一項跟電網(wǎng)相關的干擾量，為了消除這個影響，在電流環(huán)中加入電網(wǎng)前饋補償，如圖4所示.

圖4 加入電壓前饋的電流閉環(huán)控制圖

帶前饋控制的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為

其中:KF為電網(wǎng)電壓前饋系數(shù)

由式(5)可知，只要令KF=1/GPWM(s)，便可消除電網(wǎng)電壓對逆變器控制輸出的干擾項，其傳遞函數(shù)為

由式(6)可知，在電流環(huán)中加入電網(wǎng)電壓前饋補償后，可將跟電網(wǎng)電壓的干擾完全抵消掉.

4 仿真實驗分析

為了證明本文提出的控制方案的可行性，本文在Matlab/Simulink的仿真環(huán)境下進行仿真分析.將整個系統(tǒng)主要分為直流升壓環(huán)節(jié)和并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)兩部分進行分析研究[8].

直流升壓環(huán)節(jié)的仿真系統(tǒng)框圖如圖5所示.風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電由三相交流電壓源模塊模擬，升壓電感L1選取值為6 mH，穩(wěn)壓濾波電容C2選取值為2 200 μF，其他器件參數(shù)根據(jù)實際情況定.模塊作為電壓外環(huán)的PI調節(jié)器，模塊作為電流內(nèi)環(huán)的滯環(huán)調節(jié)器.

利用上述直流升壓仿真系統(tǒng)框圖，對于風速變化時，風力發(fā)電機輸出被整流后的電壓和升壓后的直流電壓的情況進行仿真.圖6、7是風力發(fā)電機輸出電壓為70 V時，整流后的電壓波形和升壓后的直流電壓波形.

圖5 BOOST升壓電路仿真模型

圖6 70 V時的整流波形

圖7 70 V時的BOOST輸出電壓

圖8、9是當風機發(fā)電為交流電時，整流后的電壓波形和升壓后的直流電壓波形.

圖8 100 V時的整流后波形

圖9 100 V時的BOOST輸出電壓

從以上仿真波形可得，當外界風速變化，即風機側發(fā)電量變化時，電路輸出基本穩(wěn)定在350 V左右，使得該系統(tǒng)在風速變化時也能為后級的并網(wǎng)逆變提供很好的服務.

后級并網(wǎng)逆變的仿真模型如圖10所示.用模塊來模擬逆變橋，功率器件選取，根據(jù)實際情況設置器件各參數(shù).濾波電感L2和 L3分別選取9、6 mH，濾波電容 C3選取30 μF.電網(wǎng)和同步鎖相分別由和兩個模塊來模擬實現(xiàn).電流閉環(huán)控制為控制方式，由模塊作為調節(jié)器.模塊用來產(chǎn)生控制信號，其內(nèi)部三角載波頻率被設為20 kHz.

直流母線電壓為350 V，并網(wǎng)電流參考值分別選取10、20 A時的仿真波形如圖11、12所示.

圖10 并網(wǎng)逆變仿真模型

圖11 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流10 A的波形

圖12 電網(wǎng)電壓與并網(wǎng)電流20 A的波形

仿真波形表明，并網(wǎng)逆變器開始工作后的0.1 s，電網(wǎng)電流就能迅速跟蹤上電網(wǎng)電壓，與其保持同頻同相，完全符合并網(wǎng)要求.

5 結語

本文對并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結構分成兩部分進行了詳述，提出了單相逆變系統(tǒng)并入電網(wǎng)正常運行的控制方案.同時用仿真軟件在不同風速下，對直流升壓和逆變并網(wǎng)兩部分的控制策略進行了模擬仿真，其結果具有很好的實用性，可實現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)單位功率輸出的并網(wǎng)運行.

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