一种适用于小型风电系统的高增益整流变换器

郄伟，李德强，杨宇全，李春晖，王议锋

（1.天津市电力公司滨海供电分公司，天津 300072；2.天津大学电气与自动化学院，天津 300072）

一种适用于小型风电系统的高增益整流变换器

郄伟1，李德强1，杨宇全1，李春晖1，王议锋2

（1.天津市电力公司滨海供电分公司，天津 300072；2.天津大学电气与自动化学院，天津 300072）

提出了一种适用于小型风力发电系统的具有高电压增益的整流变换器，该变换器在传统的三相单开关电路的基础上，在三相交流输入侧每相引入1个带有开关电容组的反激式倍压单元，倍压单元的输出电压与主电路输出电压相叠加，使变换器可以获得较高的电压增益，因此具有良好的低风速运行特性。该整流器工作在电流断续模式，并且具有固有功率因数校正的功能，交流输入电流畸变得到抑制。通过实验验证了理论分析的可靠性。

小型风力发电系统；高电压增益；反激式倍压电路；开关电容

传统化石能源在给人类带来经济飞速发展的同时，也带来许多污染问题，因此越来越多的研究者希望可以寻找新能源以部分代替传统能源。风能作为一种新能源，具有清洁无污染等优点，广泛应用在各种发电场合中。较于技术相对成熟的大中型风力发电系统，小型风电系统具有安装简易、低成本、维护方便等优点，具有较大的研究价值；然而，相关技术却不够成熟。传统小型风电系统存在一些问题，主要包括小型风场风速波动较大、平均值偏低，使得风机输出电压低于最低工作要求电压水平，无法正常运转；简单套用大中型风电系统拓扑与控制，未考虑小型风电系统存在的实际问题；风电系统配套的变流装置功率不匹配、传输效率偏低等［1］。

研究者提出了许多改进方案［2-9］。文献［2-3］以离网方式进行风力发电，采用风机、不可控整流及DC/DC变换器的结构直接向负载供电。其直流母线电压要求降低，易于实现，但是该系统一般仅适用于特定的负载。文献［4-8］提出了几种并网风力发电策略。文献［4-7］采用永磁直驱电机，三相不控整流桥，Boost变换器及并网逆变器的结构，通过优化DC/DC变换器或并网逆变器的控制策略或变换电路拓扑，获得了性能的提高，但是仍然存在一些诸如电压增益有限以及多级结构，变换效率偏低等问题。

为了解决这些问题，本文阐述了所采用的适用于小型风电系统的电路结构，并提出了一种新型基于开关电容的反激式倍压高增益整流变换器。该变换器具有较高的电压增益和较低的电流畸变，同时由于采用了两级结构，比传统3级结构减少了一级DC/DC变换器，使整个系统的效率得以提高。该变换器具有较好的低风速运行特性，非常适用于小型并网型风力发电系统中。

1　小型风力发电系统分析

本文所采用的小型风力发电系统电路结构如图1所示。该系统由风轮、发电机及电力电子装置组成。

图1　小型风力并网发电系统电路结构Fig.1　The structure of small-scaled wind grid-tie generation system

永磁直驱发电机因其没有齿轮箱及电流励磁的需要，具有控制简单、可靠性强、成本较低等诸多优点，适用于小型的风力发电应用场合。它将风轮收集到的风能转化为三相交流电能，但由于该三相交流电的频率和幅值均存在很大波动性，不宜直接提供给负载。因此，需采用电力电子设备将永磁直驱发电机产生的三相交流电能进一步变换为可供直接使用的电能形式。

该风电系统电力电子装置主要包括2个部分。具有高增益的三相整流变换器将三相交流电整流为直流，利用该整流电路固有的高电压增益特性，将电压进一步提高，以克服小型风场下电机输出电压偏低的问题，为后级单相逆变器的并网发电提供可能性；逆变器将直流电能进一步逆变为电压幅值、相位与电网同步的交流电能，并最终传递给电网。

与传统小型风力并网发电系统所采取的整流器、Boost变换器及逆变器的3级结构不同的是，本文所提出的风电系统采用双级结构，采用新型的基于开关电容的三相单开关反激式高增益整流变换器。整个系统具有低成本、高效率及良好的低风速特性等优点。下面将重点分析所提出的整流变换器，并给出具体的实验验证。

2　整流变换器分析

2.1电路拓扑结构

所述整流变换器电路拓扑如图2所示，主要包括4个部分：滤波电容Cf，三相单开关Boost单元，反激式倍压单元以及等效电阻。

滤波电容Cf的作用是滤除因整流变换器开关S1高频工作时所产生的高频信号，使得电机输出侧电流呈现较好的正弦波形状。

三相单开关Boost单元由电感Lks、不控整流桥D1～D6、功率开关管S1、二极管Do及电容Co组成，具有整流及提高电压的作用。

该整流变换器具有3个完全对称的反激式倍压单元。该单元（以A相为例）由变压器T1、开关电容组（Ca1，Ca2，Da1和Da2）、二极管Da及电容Ca组成。开关电容组起到能量缓冲器的作用，在一个开关周期内，它将从变压器T1吸收到的能量储存在开关电容（Ca1和Ca2）中，并将能量传输至倍压输出电容Ca，实现功率的传递。此外，电容Ca，Cb，Cc以并联方式连接，较之串联的连接方式，尽管不能进一步提高电压增益，但是大大减小了整流变换器直流输出侧的电压纹波，提高了母线电压稳定性。因为每相倍压单元输出电容上的纹波幅值相同，相位依次相差120°，在并联方式下，纹波相互抵消，得到抑制。

倍压输出电容组与三相单开关输出电容Co相串联，倍压电路输出电压VF与三相单开关输出电压VM相叠加并作为整流电路的总电压输出，进一步提高了整流电路的电压增益。

2.2电路模态分析

由于三相交流输入及电路结构均对称，在一个工频周期的12个对称时段之内，整流电路的工作模态及分析方法类似，因此仅取A相［π/3,π/2区间为例说明电路的工作模态。此时，三相输入电压具有以下关系：

在此时段内，忽略电压较小的C相以简化分析，且所有器件均视为理想，倍压输出电压VF及三相单开关输出电压VM为恒值。电路在1个开关周期内的主要波形如图3所示。其中，vGATE表示功率开关管控制信号，iA，iB和iC分别表示各相输入电流，ipA及ipB表示A，B两相倍压电路输入电流，uCA表示开关电容Ca1/Ca2上的电压。

图3　主要参数波形图Fig.3　Waveforms of key parameters

模态1：在t0时刻，开关管S1导通，整流桥中D1，D4及D6导通。A相电流iA从零开始上升，iB和iC反向增大，至ipB降为零的时刻，该模态结束。其中，倍压单元共有2种工作模式：A相中二极管Da1/Da2关断，开关电容Ca1/Ca2和变压器T1经过Da共同向倍压输出电容组充电，开关电容向倍压输出端释放能量，称为关断/放电状态；B相中二极管Db关断，变压器T2通过二极管Db1/Db2向开关电容Cb1/Cb2充电，开关电容组储存从电路一次侧吸收的能量，称为导通/充电状态。

模态2：在t1时刻，电路中A相倍压单元转换为导通状态，B相为关断状态，变压器原边侧电路继续向副边倍压单元传输功率，直至t2时刻，开关S1关断，电路进入下一个模态。

模态3：倍压单元保持不变，交流侧保持向倍压电路供电，同时通过Do向三相单开关输出电容Co充电。iA，iB和iC以及ipA和ipB均快速变换至零。到t3时刻，ipA，iC均等于零，此模态结束。

模态4：A相倍压单元为关断状态，B相为导通状态。iA和iB持续下降，直至t4时刻，同时下降至零，电路进入本周期的最后一个模态。

模态5：三相单开关Boost单元停止工作，倍压单元保持现有状态不变，至t5时刻，S1再次导通，整个周期结束，电路进入了下一轮工作周期。

2.3电路建模

由上述工作模态分析可以对电路的每个工作模态进行数学建模分析。以模态1为例来说明电路的分析方法。工作模态1等效电路图见图4。

图4　工作模态1等效电路Fig.4　Equivalent circuit of mode 1

根据图4所示的模态1等效电路图可以列出下列式子：

式中：VLmA为T1两端电压；iLmA为A相励磁电流，C为开关电容；N为变压器匝数；LM为励磁电感。

解得如下等式：

式中：Ka1,Ka2为模态1的模态系数；β为等效模态角频率；UCA0,IPA0分别为uCA,iPA的模态初值。

至此，模态1的电路数学模型建立。对电路所有5个模态进行相同分析，将各模态的表达式联立求解，最终获得电路参数的数值解。

2.4电路参数优化

由上述分析可得，电路的工作性能主要受变压器变比N，等效漏感Lk及占空比D的影响。

为获得较高的电压增益，希望电路具有较小的Lk及较大N和D；为减小额定工况下电路的输入电流畸变，希望电路具有较大Lk及合适的N与D。

因此，为了同时满足高增益和低畸变的效果，对电路的参数进行优化，以保证电路同时具有较高的电压增益与额定工况下较小的电流畸变。最终，电路参数为：开关电容Ca1/Ca2=2 μF，倍压输出电容Ca=40 μF，三相单开关输出电容Co= 40 μF，等效电感Lk=18 μH，变压器变比N=3，等效负载电阻R=440 Ω，开关频率fS=100 kHz。

2.5电路控制策略

为了提高风能的利用效率，很多风机系统都在整流侧采用最大功率点跟踪控制（MPPT）以获得尽可能多的风机能量输出。

MPPT控制通常有爬山法、最佳叶尖速比控制法、功率法等。爬山法因其不需要测量风速、电机转速等特点，具有较好的适应性和较低的成本，因此被广泛引用，但爬山法同时也具有响应速度慢、静态工作点波动等缺点，在风速变化较快的应用场景，无法快速有效地跟踪风速的变化［10］。

本文所采用的整流装置采用变步长爬山法来实现MPPT功能。它在距离最大功率点较远的工作点采取较大的步长变动，在接近最大功率点时采取较小的步长逼近，不仅具有爬山法的一切优点，同时还提高了控制的响应速度。该MPPT控制流程图如图5所示，其中Pn为第n次迭代母线瞬时功率，Perr为Pn与Pn-1的功率差绝对值，ΔP大与ΔP小分别表示判断步长的功率差临界值。当功率差高于ΔP大时，MPPT采用较大步长，使系统具有较快响应速度；当功率差大于ΔP小而小于ΔP大时，系统具有较小步长，能够较为精确地找到最大功率点；当功率差小于ΔP小时，此时认为系统工作在最大功率点附近，步长为零，即不调整系统的现有工作状态。

图5　MPPT控制策略Fig.5　MPPT control strategy

3　实验

为了验证所述电路的可行性及分析的可靠性，本文设计了一台额定功率为400 W的样机。

低电压输入条件下的实验波形如图6所示，图6中vBC为B相与C相间线电压，Vbus为电路总输出电压，VF为倍压单元输出电压，iA为A相输入电流。此时，电路占空比为0.7，输入相电压为AC 11.6 V，VF为34.6V，Vbus为163V，电压增益达到14倍，说明电路在低电压输入条件下具有高电压增益。

图6　低电压输入条件下实验波形图Fig.6　Experimental waveforms at low-input-voltage condition

图7　额定工况下实验波形图Fig.7　Experimental waveforms at rated condition

额定功率下实验波形如图7所示。图7a表示在交流输入相电压45 V时，直流输出电压可达420 V，升压比达9.32倍，说明电路具有提高电压增益的有益效果；同时电流波形保持正弦状，THD为7.4%，具有较小的畸变，电路的变换效率为87.6%。图7b和图7c分别表示在1个开关周期内，电路输入电流，倍压电路输入电流/开关电容电压的波形，均与图3中理论分析波形相一致，表明了理论分析的可靠性。

4　结论

本文提出了一种基于开关电容的三相单开关反激式高增益整流变换器，通过在输入侧引入带开关电容组的倍压单元，将倍压单元输出电压与主电路输出电压叠加，实现了高电压增益变换。同时，电路工作在断续模式，具有固有功率因数校正功能，能够实现单位功率因数变换，具有相对较高的变换效率。系统采用了具有变步长MPPT的控制策略，在保证快速捕捉变换器最大功率点的同时，削弱了工作点在最大功率点附近的波动，使得该控制策略具有快速性和准确性的优点。

综上所述，本文所提出的高增益电路同时具有高电压增益、高功率因数、体积小重量轻等特点，可以有效提高变换器在较低风速下运行的性能，非常适合应用于小型风力发电系统。最后，为验证电路设计和理论分析的可行性和可靠性，制作出1台额定功率400 W的样机并记录实验波形和实验数据，实验结果表明其结果与理论分析具有一致性。

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Novel High Step-up Rectifier for Small-scaled Wind Generation System

QIE Wei1，LI Deqiang1，YANG Yuquan1，LI Chunhui1，WANG Yifeng2
（1.State Grid Tianjin Binhai Electric Power Supply Company，Tianjin 300072，China；2.School of Electrical Engineering&Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A novel AC/DC converter with high voltage gain suitable for small-scaled wind power generation system was proposed.Based on the traditional three-phase single-switched Boost circuit，the converter introduced a flyback cell with switched capacitors for each phase into the AC input side.High voltage gain was obtained because the output voltage of flyback cells and that of the main circuit part will be added together，and outstanding performance under low wind speed was also achieved.The converter worked under discontinuous current mode and could realize power factor correction，thus the distortions in the input current was restrained.At last，experiments were implemented to verify the theoretical analysis.

small-scaled wind generation system；high voltage gain；flyback circuit；switched capacitor

TM464

A

2015-08-31

修改稿日期：2016-03-19

国网天津市电力公司科学技术项目（KJ15-1-33）

郄伟（1982-），女，硕士，工程师，Email：450505901@qq.com