直驱式风电系统中Boost电路的研究和仿真分析

河南理工大学电气学院 上官璇峰 杨慧敏

1.引言

风能作为可再生能源，前景十分看好[1-3]，而大型，高容量的风力发电系统的建设也势在必行[4]。风能经过发电机之后需要经过整流器进行整流，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置[5]，当风速比较低的情况下，整流之后的电压幅值波动比较大，这时能量无法回馈到电网中，在风电系统中为了解决以上提到的问题可以在整流之后加上一个Boost电路。Boost电路可以适用于较宽的调速范围。同时，Boost电路还能调节整流电路输入端的电流波形，用以改善电路的功率因数和谐波失真[6]。但是随着发电系统功率的不断增加，单重的Boost电路的开关器件必然要承受更高的瞬时电压和电流[7]，如果要更换电路中的器件必将面临着高成本、器件选择困难等问题，而且还将增大电路的和[8]，势必会造成严重的辐射和电磁干扰。因此为了满足发电系统的需要，本文采用了多支路Boost电路并联的方案，这种电路能够降低输入的电流纹波和电磁干扰，而且还能够降低功率器件在耐压和耐流能力方面的要求。

在风电系统并网变流器中，逆变部分控制策略目前研究较多也较成熟[9]，因此本文主要研究变流器中的Boost电路。国内在这个领域的研究[10]一般用三相交流电源来代替风力发电机而没有结合风力发电机的实际模型进行研究，而本文就在前人的基础之上建立了风机模型，并把把直驱式风力发电系统与boost电路结合起来进行系统的仿真研究。

2.boost控制系统

Boost主电路采用三重升压斩波电路并联共接一个阻感负载的形式，每一个斩波电路都采用电流电压双闭环控制系统，其控制系统图如图1所示。在图1中，boost电路控制系统采用双闭环控制；外环是Boost电路输出的电压环，内环为升压电抗器上通过的电流环。当升压斩波电路输出的电压值小于预先设定的指令电压时，则输出偏差为正，第一个PI调节器的输出将增加，然后经过限幅器限幅之后，作为流经升压电抗器上的电流指令值。设流经升压电抗器上的电流大小不变，那么偏差为正，则第二个PI调节器上的输出值也将不断的增加，最后再经过限幅器限幅并与三角载波相比较，就得到了导通比在不断增加的PWM脉冲信号；当IGBT上的导通比不断增加时，流经升压斩波电抗器的电流值也将紧跟导通比而迅速增加，这样就会使内环上的动态偏差为零。所以最后导通比只跟斩波输出的电压值有关。随着导通比的不断增加，输出电压也将会随着导通比不断增加，最后输出电压环上的偏差也将会越来越小直到为零，最终两个PI调节器上的输出都趋于一个动态的定值。这时系统就进入稳定的工作状态。

图1 boost电路控制系统

3.boost主电路

在升压斩波主电路中采用三个升压斩波电路并联的形式，每一个斩波电路都有其独立的控制系统。在Boost主电路之后又加上了一个电压钳位电路，主要作用是为了防止IGBT开关器件因输出的直流母线电压过高而造成损坏。其工作原理为：当直流母线电压小于控制电路中设置的安全电压时，电压钳位电路上的IGBT不会导通，能耗电阻上也不会有电流通过，支路不起任何作用。然而当直流母线电压大于设定的安全电压时，电压钳位电路上的IGBT导通，此时能耗电阻上就会有较大的电流流过，消耗大部分的能量，这样就使直流母线上的电压降到安全值以下。

在matlab/simulink中画出boost的主电路图，如图2所示。在图2中，前半分为永磁同步发电机模型，中间为整流电路后半部分为直流斩波电路。整流电路输出的不稳定的直流电作为boost电路的输入。图2中主电路IGBT控制信号和限压支路IGBT控制信号封装成一个独立的模块，这样可以简化电路，使电路简洁美观。

图2 boost主电路图

参照文献[11、12]计算和通过反复仿真调试得出boost电路中的参数如下：限压支路上电阻R=0.3Ω，C1=0.00075F，C2=0.1F,L1=L2=L3=0.01H，负载RL中R=1Ω，L=0.001H。在主电路IGBT控制信号中，设定给定电压指令为1150V，三角波的频率设为250Hz。在限压电路IGBT控制信号中给定限压信号设为1050V。

4.仿真分析

在matlab/simulink环境下搭建仿真模型。调整风速使发电机发出的三相电压幅值为 550V，这时系统仿真结果如图3、4所示。

图3 整流之后的输出电压波形

图4 带限压支路的boost电路输出电压形

发电机输出的三相交流电经过整流之后输出的电压波形如图3所示，从图3中可以看出输出电压变成了直流电，但是幅值却在800～900V之间不断变化，很不稳定。图4为经过boost电路之后输出的电压波形。从图4中可以看出电压在0.03S之后逐渐稳定在1000V左右，波动很小，波形基本呈一直线，并且经过boost电路之后电压有所增加，由原来的850V左右上升到了1000V。由这两组图形可以看出这种boost电路基本能满足直驱式风力发电的要求，能够连续稳定的输出逆变器所需要的直流电。如果把boost电路中的限压电路去掉那么输出波形就变成了图5所示的波形。

图5 不加限压支路的输出电压波形

图6为加上限压支路后主电路上IGBT管的电流波形。在图6中，0.01S～0.08S之间电流为零，这说明主电路上的IGBT管没有导通，而这个时间段内限压支路上的IGBT处于通态，限压支路正在发挥限压作用，此时限压之路上能耗电阻上的电流波形如图7所示。当电压回归于给定限压信号之下时也就是在0.08S之后主电路上IGBT又恢复工作。

图6 主电路IGBT电流波形

图7 限压支路能耗电阻上电

5.结束语

本文研究了一种适用于大型并网型直驱式风力发电系统的boost电路，并对原有的斩波电路进行了改进。该电路有效的解决了风力发电机发出的三相交流电经过整流之后输出电压低、幅值波动比较大的问题，还具有输出电压稳定，提升电压，过压时保持输出电压恒定，及时保护主电路中IGBT免受高压冲击的优点。本文还在matlab/simulink环境下建立了风机模型并与boost电路相结合进行了仿真分析，仿真结果能较好的满足风力发电系统的要求。

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