小型并网风力发电变流器控制系统探究

李康

摘 要：和大型风力发电系统比较来看，小型风力并网发电又不论是在安装上十分的方便，同时还具有建设周期较短，成本不高，应用非常便捷等优势，所以对其进行发展和推广具有较高的经济效益和社会效益。因此，利用并网逆变器将电能从小型风力发电机组进行输出，并将其并到低压电网中是当前对小型风力发电进行应用的重要研究趋势，受到了越来越多研究人员的关注。本文首先介绍了电流型逆变器在小型并网风力发电系统中应用的重要价值，之后阐述了小型风力发电逆变器并网控制策略特点及目标，最后介绍了小型风力发电逆变器并网控制系统主要软硬件设计。

关键词：小型风力发电；变流器；控制系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.171

0 引言

当前，人们的环保意识越来越强，而能源危机却日益严重，因此找到以后总可以替代能源成了一个非常重要的课题。不论是在国外，还是我国，对于太阳能、风能以及地热等可再生能源都得到了较快的发展，这不但能够使得煤以及石油等消耗得以降低，同时也使得对一次性能源具有的依赖得以降低，极大的推动了能源的多样化和自主性发展；此外，可再生能源还可以使环境不断恶化的趋势得到一定的缓解，进而追求更为环保的绿色生活方式。再这样的背景下，风力发电发展突飞猛进。风力，从大自然中来，用之不竭、取之不尽。通过风力发电，不能可以使能源不足的状况得意缓解，还具有一定的经济效益，同时也不会导致温室效应和环境污染问题的出现。因为风力发电容易受到天气的影响，所以具有间歇性和不稳定性的特征，导致发电机转子的效率以及发电量都受到影响，所以，在对风力发电系统进行设计时，应该充分利用软硬件设备使得风力发电可以获取稳定的电能。

1 电流型逆变器在小型并网风力发电系统中应用的重要价值

小型风力发电机在进行运作的过程中，无需使用燃料，而且也不会给环境带来什么有害的物质，具有极高的环保价值，是受到越来越多关注的绿色能源。然而，和小型离网型风力系统比较来看，并网型风力发电不用通过储能装置就可以进行电量的输出，具有更为节能、经济、环保的特征。而和大型风力发电系统比较来看，小型风力并网发电又不论是在安装上十分的方便，同时还具有建设周期较短，成本不高，应用非常便捷等优势，所以对其进行发展和推广具有较高的经济效益和社会效益。因此，利用并网逆变器将电能从小型风力发电机组进行输出，并将其并到低压电网中是当前对小型风力发电进行应用的重要研究趋势，受到了越来越多研究人员的关注。但是，应该看到，在对小型风力并网发电技术进行研究的过程中，电力电子变换器拓扑及其控制策略问题是其中的难点，所以研发出成本较低、实用高效的新型拓扑结构和控制策略将对于风力发电技术的发展影响较为深远。

2 小型风力发电逆变器并网控制策略特点及目标

当前，在小型风力发电系统当中所应用的并网逆变器常常具有一些问题。首先，能够进行利用的风速范围较小。因为当前并网逆变器所具有的使用条件导致风力发电机组并网发电所需的最低发切入风速受到限制，结果导致并网系统的输出功率受到影响，这必然会使得整个系统的成本受到影响，使得小型并网风机的推广受到阻碍。而电流型逆变器的并网控制以及最大功跟踪是小型风力并网发电系统的关键控制技术，因此，对于电流型逆变器的控制策略进行研究和探讨非常的重要。

2.1 电流型逆变器的控制的特点

在小型并网风力发电系统当中，对电流型逆变器的控制研究是其中的重难点问题，通常是通过对逆变器进行控制而实现并网输出电流的。所以，要使得系统单相电流源型逆变器并网得以实现，就一定要结合所输出功率的大小来对逆变器所要输出电流的幅值进行确定。而将电网电压的同步信号直接进行检测，并将其当作变流器并网输出电流的跟踪信号，不仅能够让系统并网快速的输出电流，对电网电压信号进行跟踪，同时还可以实现同相位运行，进而使得单位功率因数输出得以实现，且此控制策略的原理十分的简单，很容易就可以达到。

2.2 电流型变流器并网控制的目标及要求

从目标上来看，小型风力并网发电要对逆变器输出的并网电流进行控制，使其可以成为质量较高且十分稳定的正弦波，得到和电网电压同相同频，进而达到并网单位功率因数运行。

从要求上来看，小型并网风力发电系统当中，电流型变流器的并网控制要达到两个方面的要求，第一，就控制原理而言，作为扰动量，电网要和并网逆变器的输出端直接相连；第二，逆变器的并网输出电流应该和电网电压做到同相同频。

3 小型风力发电逆变器并网控制系统主要软硬件设计

3.1 系统硬件电路设计

3.1.1 逆变主电路

逆变主电路在控制系统主电路中有最为重要的作用，担负着直流到交流的变换任务。四象限变流器形式的逆变主电路和一般电压型主电路有所不同，见图1。 在实验的初期，为了确保逆变器不会由此而受到损害，将2?的保护电压串联到直流母线上，并且监视电阻的压降，这样能够对直流母线电流情况实时进行获悉。在实际的实验过程中，Udc电网电压是通过调压器进行整流之后而输出的，这样不但能够使系统的电压等级降低，同时也能够逐步对系统的问题进行排查。由于Udc是通过调压器而得到的，所以无法起到隔离的功效，因此逆变器交流输出侧是不可以直接并网的，在实验当中是通过隔离变压器隔离以后在通过调压器实现并网的。

3.1.2 主电路总体结构

为了确保系统安全，同时方便进行实验的调试，实验主电路通常选取的是对电压等级进行降低，隔离变压器的手段。为了可以更为便利的获取改变的直流电压，在主电路系统当中选取了调压器和二极管整流的方法，当进到逆变器以后，通过控制算法，系统将信号输出，之后在通过隔离变压器，进而达到把设备和电网进行隔离的目的。在这种状况下，假如设备发生了短路等故障，就不会由于混乱而造成危险；假如电网在小幅度上发生波动，也不会让设备的运行受到影响。最后，通过调压器的调节以后并到电网当中。从实际上来看，系统能够在处于直流电压存在波动的状况下自动进行调节，而输出与要求相符的并网电压。因此在这里面所加的网侧调压器目的是为了配合实验调试。

3.1.3 DSP控制单元

在控制系统当中，DSP是其中的核心，不论是在对系统进行的实时保护上，还是系统的运行上都是通过DSP芯片来实现的。在控制系统的微处理器上本研究选取的时具有性能较高的16位定点DSP TMS320LF2407A，其中包括两个专门对电动机进行控制的事件管理器，这两个可以完成PWM的波形输出、对能够进行编程的PWM进行死区控制。此外，事件管理器还能够出现对称和不对称的PWM信号，由于可以带来更小的电流谐波，因此在此设计当中采取的是对称的PWM信号。

3.1.4 对电路设计进行检测和保护

在实际应用计算机控制系统的过程中，一定要考虑是否具有可靠性，特别是在工业应用当中，系统抗干扰能力尤为明显。为了避免发生出现并解决干扰现象，不但要适当的处理干扰源，同时还要多采取防范的手段，进而方式因为外界干扰而导致出现程序“死机”或是“跑飞”问题，而造成系统工作发生异常。另外，系统一定要具备对外部环境的干扰以及影响进行抵抗的能力，是否具有可靠性是对系统进行评判的重要指标之一。在本设计当中，为了使系统具有更高的可靠性，同时使用了硬件看门狗和软件看门狗。

3.2 系统主要软件设计

3.2.1 蓄电池

蓄电池可以为独立运行的小型风力发电系统提供其所需要的能量，因为需求不同，负载功率也会有所变化，同时受到大气环境的影响，风能大小也会也有所差异，所以，为了能够让负载的端电压保持稳定，一定要加入蓄电池，从而达到系统输入和输出能量之间的平衡状态，实现对系统功率进行调节的目标。

3.2.2 对键盘操作程序进行设计

在整个程序设计当中，键盘操作程序必不可少，如果用户想要更为便捷的控制系统的运行参数，就需要键盘在其中发挥作用。因此，在键盘程序中，可以对一些常规的操作，例如起动、停止以及复位按键等进行设计。

3.2.3 对采样以及保护程序进行设计

尽管在整个程序当中，系统采样以及保护程序相对在设计上要相对简单。然而，其所具有的重要作用和地位则不能忽略。通过采样获取的数据是否准确与整个系统能否正常输出，系统是否稳定具有直接的影响。而保护程序设计上则和系统设备的安全性具有直接的影响，在这方面，主要是对硬件看门狗电路进行配合程序，同时对孤岛效应进行简单的检测。

3.2.4 对主程序进行设计

系统主程序是系统的核心，接收采集信号，对采集信号进行处理，实现算法，输出控制信号，输出保护信号等。控制程序要求有固定的采样周期，所以主程序放在定时器中断中执行。这样主控制程序就不会受到诸如程序延时、键盘扫描、串行显示的影响而准确地定时执行。

参考文献：

[1]王瑞.小型风力发电变流器控制系统[D].山东建筑大学，2013.

[2]喻莉.小型风力发电并网系统变流器的控制研究[D].合肥工业大学，2010.