基于BOOST变换风力发电系统单相并网控制技术

高晗璎，纪文东，宋宏明，申 娟

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨150080)

我国的风能发展潜力很大，风力发电可使风能得到最大程度的利用.并网逆变控制系统是将风能转变为电能的核心技术，因此针对此控制技术的研究越来越受到人们的重视[1－2].

由于外界风速不是稳定不变的，导致风力发电机输出的电压会随着风速的大小而变化，所以必须在风力发电机输出的电能不符合并网标准，不能直接接入电网，应该在两者之间接入一个智能控制变换器，将风机发出的不规则的电能转换成国家规定标准的交流电能后，再源源不断地向电网供电.

本文对风力发电并网变换器进行分析研究，在构建系统结构基础上，提出了控制策略，在Matlab/Simulink仿真平台上，根据实际情况设置模拟器件的各项参数，对系统的控制方案进行了验证.

1 系统结构

风力发电机发出的三相交流电不稳定，所以采用交—直—交的变换方式并上电网.即三相交流电经过不可控整流桥转换成直流电压，但由于电压值波动较大，本文采用变换器[3]，将直流电升压至并网逆变器所要求的直流母线电压350 V，经H桥逆变，再经滤波后并上电网[4].系统结构图如图1所示.

图1 系统总体结构图

2 并网逆变器控制策略分析

并网逆变器按输入方式可分为电流源输入和电压源输入，前者控制方式需要提供稳定的电流源，人们往往会利用电感通直阻交的特性，在逆变前端串联一个大电感，但这会导致系统响应能力变差.因此以电压源为输入方式的并网逆变器最受欢迎[5].

逆变器网侧输出控制有电压控制和电流控制，电网可视为一个定值电压源，控制方式如果采用前者，则相当于两个电压源并联运行，要使其正常运行，就必须采用锁相控制技术来调整逆变器输出电压保持与电网同步，但存在逆变器输出电压大小不易受控、锁相回路的响应时间太长等问题.控制方式如果采用后者，则只要在逆变器输出电流的频率和相位控制上，保证跟踪电网电压，即可同电网并联运行[6－7].因此电流型并网控制方法相对容易实现.

为了实现系统响应快、便于控制的目的，使逆变器输出电流和电压最大限度地不受到电网的干扰，本设计采用以电压源输入、电流型控制输出的方式.并网逆变器的整体控制结构如图2所示.

图2 控制电路图

前级升压环节，必须满足并网条件:直流母线电压必须稳定.采用电压、电流双闭环控制方式，直流升压输出电压经模/数转换后的值为Vf，V*DC为直流输出电压360 V所对应的一个数值，两者作为输入，经模块调节后的输出量作为电流环中的给定量i*1，实际反馈i1和其通过滞环模块产生信号，控制开关管的开断，稳定输出.

后级逆变并网环节，必须满足逆变器输出电流接近正弦波，并且保证并网电流跟踪电网电压，达到单位功率逆变目的.鉴于此，为了达到并网电流的快速反应能力提高的同时，减少电网扰动对并网电流的影响，本文在网侧采用加入电压前馈补偿的电流闭环控制方式.首先通过SPLL模块取得一个能跟踪电网电压的数值为1的正弦信号，此信号与指定的电流幅值i*L的乘积，作为逆变器输出的交流电流指令值i*Lf，它与实际反馈的逆变器输出电流iLf经过运算放大器模拟PI调节后，与引入的经A/D采样得到的电网电压前馈补偿值相加，两者之和作为调制波，再与设定的一定频率的三角波载波信号进行比较，产生控制功率开关管的控制信号，最终使由逆变器输入到电网的电流紧跟电网.

3 并网电流控制策略分析

并网逆变器的控制关键是要实现并网电流在闭环控制的同时，不受电网电压的影响下跟踪其相位和频率.传统的并网电流闭环控制结构框图如图3所示.

图3 传统的电流闭环控制结构图

由图3推导，其闭环传递函数为

PI运算传递函数为

其中:KP是比例系数，KI是积分系数.

忽略各功率开关器件因相关参数和死区时间不精准而引起的非线性影响，采用PWM控制的全桥逆变电路可近似为一个线性比例环节，传递函数为

其中:KPWM为逆变运算放大倍数.

滤波电感L2、L3和滤波电容C3的等效寄生电阻值很小，可忽略不计.从而得到滤波环节的传递函数为

其中:

L=L2+L3，α =L2/L.

由式(1)可以看出，逆变器输出直流电流当只有纯粹的闭环控制时，其传递函数中存在一项跟电网相关的干扰量，为了消除这个影响，在电流环中加入电网前馈补偿，如图4所示.

图4 加入电压前馈的电流闭环控制图

带前馈控制的系统闭环传递函数为

其中:KF为电网电压前馈系数

由式(5)可知，只要令KF=1/GPWM(s)，便可消除电网电压对逆变器控制输出的干扰项，其传递函数为

由式(6)可知，在电流环中加入电网电压前馈补偿后，可将跟电网电压的干扰完全抵消掉.

4 仿真实验分析

为了证明本文提出的控制方案的可行性，本文在Matlab/Simulink的仿真环境下进行仿真分析.将整个系统主要分为直流升压环节和并网逆变环节两部分进行分析研究[8].

直流升压环节的仿真系统框图如图5所示.风力发电机发出的三相交流电由三相交流电压源模块模拟，升压电感L1选取值为6 mH，稳压滤波电容C2选取值为2 200 μF，其他器件参数根据实际情况定.模块作为电压外环的PI调节器，模块作为电流内环的滞环调节器.

利用上述直流升压仿真系统框图，对于风速变化时，风力发电机输出被整流后的电压和升压后的直流电压的情况进行仿真.图6、7是风力发电机输出电压为70 V时，整流后的电压波形和升压后的直流电压波形.

图5 BOOST升压电路仿真模型

图6 70 V时的整流波形

图7 70 V时的BOOST输出电压

图8、9是当风机发电为交流电时，整流后的电压波形和升压后的直流电压波形.

图8 100 V时的整流后波形

图9 100 V时的BOOST输出电压

从以上仿真波形可得，当外界风速变化，即风机侧发电量变化时，电路输出基本稳定在350 V左右，使得该系统在风速变化时也能为后级的并网逆变提供很好的服务.

后级并网逆变的仿真模型如图10所示.用模块来模拟逆变桥，功率器件选取，根据实际情况设置器件各参数.滤波电感L2和 L3分别选取9、6 mH，滤波电容 C3选取30 μF.电网和同步锁相分别由和两个模块来模拟实现.电流闭环控制为控制方式，由模块作为调节器.模块用来产生控制信号，其内部三角载波频率被设为20 kHz.

直流母线电压为350 V，并网电流参考值分别选取10、20 A时的仿真波形如图11、12所示.

图10 并网逆变仿真模型

图11 电网电压与并网电流10 A的波形

图12 电网电压与并网电流20 A的波形

仿真波形表明，并网逆变器开始工作后的0.1 s，电网电流就能迅速跟踪上电网电压，与其保持同频同相，完全符合并网要求.

5 结语

本文对并网逆变器的系统结构分成两部分进行了详述，提出了单相逆变系统并入电网正常运行的控制方案.同时用仿真软件在不同风速下，对直流升压和逆变并网两部分的控制策略进行了模拟仿真，其结果具有很好的实用性，可实现风力发电系统单位功率输出的并网运行.

[1]田 德.国内外风力发电技术的现状与发展趋势[J].新能源产业，2007(1):51－57.

[2]王大中.21世纪中国能源科技发展展望[M].北京:清华大学出版社，2007:415 －416.

[3]胡顺全.直驱式风力发电并网变流器装置[C]//第九届全国电技术节能学术会议，成都:中国电工技术学会，2007:187－189.

[4]黄 俊，王兆安.电力电子变流技术[M].3版.北京:机械工业出版社，2001.

[5]王全胜，宋建成.直驱式风力发电系统并网控制策略研究[J].煤矿机电，2008(6):38 －41.

[6]李建林，许洪华.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社，2008:246－249.

[7]许 颇，张 兴，张崇巍，等.采用Z源变换器的小型风力并网逆变系统[J].电工技术学报，2008，23(4):93 －97.

[8]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的应用技术的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社，2006.