小型并网风力发电变流器控制系统探究

小型并网风力发电变流器控制系统探究

赵林林

江苏国信东凌风力发电有限公司，江苏226400

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：小型并网；风力发电；变流器；控制系统

中图分类号：TM614文献标识码：A

引言

新能源发电是当前面对能源危机挑战下，科学家们寻找到的一条重要的解决道路。通常，新能源应具有清洁无污染，可再生，可持续等显著特点，而风能作为其中的一个重要组成部分，不仅拥有上述所有优点，还具有成本低廉，储量丰富等优势，具有研究和应用价值。根据风机系统的容量不同，风力发电可以被分为大、中、小型系统，考虑到小型风电系统装机容量灵活，安装维护简易，便于户用发电等特点，对于相关技术的研究仍然具有较大意义。

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小型并网风力发电变流器控制系统

2.1系统结构

小型并网型风力发电系统的电力电子变换器由3部分组成，包括新型整流变换器，双Buck高频逆变器，双向DC/DC储能变换器以及配套电池。与传统的三级变换器结构相比，本文所提及系统具有以下优点：新型整流变换器兼具整流与升压两种作用。更容易满足后级逆变器对于输入侧直流母线电压的要求；相较于传统结构先整流后升压的双级结构，单级式整流器还可以保证较高的变换效率；系统引入储能元件，可以实现在风能不足条件下，收集并储存微弱能量的功能；当电池储能充足时，可由电池直接向逆变器供能，相较于波动较大的风能，系统可以在一段时间内提供稳定、波动较小的能量供应。整流变换器是在传统的三相单开关Boost整流变换器的基础上，在三相交流输入侧处每相引入1个带开关电容组的反激式倍压单元，并将倍压单元输出电容先并联，再与主电路输出电容串联的形式，将倍压单元输出电压与主电路输出电压相叠加，以达到提高电压增益的目的。反激式倍压单元由变压器、开关电容组、输出二极管以及输出电容组成。它由变压器原边吸取能量，并暂时储存在开关电容之中，在1个工作周期内，将储存的能量重新释放至输出电容，向后级变换器供电。

2.2SMR工作原理

逆变器交流输出电流并网得以实现，与逆变器的特性密切相关。逆变器把由可再生能源得到的直流电或来自蓄电池的直流电，变换成频率非常稳定，输出电流受电网影响小，波形畸变满足设计要求的交流电，并且输出交流电的相位和频率紧密跟踪电网，实现可再生能源以高功率因数回馈入电网。目前，在并网逆变器的设计中，逆变原理普遍采用脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)技术。

2.3电流型逆变器的并网控制

电流型逆变器的控制策略的研究是小型并网风力发电系统中的难点，一般通过对变流器的并网输出电流来实现对逆变器的控制。要实现系统单相电流源型逆变器的并网，必须根据输出功率大小确定逆变器所要输出电流的幅值，直接通过对电网电压的同步信号进行检测作为变流器并网输出电流的跟踪信号，这样可以使得系统并网输出电流快速地跟踪电网电压信号，实现同相位运行，从而实现单位功率因数输出。该控制策略原理简单，易于实现。

小型风力并网发电系统的主要控制目标是：控制逆变器输出的并网电流为稳定且高质量的正弦波，与电网电压同频同相，从而实现并网单位功率因数运行。依据电流空间矢量对电流源型逆变器(CSI)进行控制，可以获得较好的输出效果。仿照VSI的空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法，对于CSI也能得到PWM运行的开关函数。然而在风力发电系统中，恒定的直流电流要比恒定的直流电压难于获得，而且直流环节电流的脉动也更为显著。这使常规的电流矢量调制方法性能下降。另一方面，采用常规的电流矢量调制方法或载波调制方法，容易产生一系列固定频率的高次电流谐波，构成系统谐振的潜在危险。

2.4展望

通过对基于高电感小型并网单相电流型逆变器风力发电系统控制的研究，目前取得了一些阶段性成果：(1)对国内外小型并网风力发电的研究现状和发展前景作了简要而全面的综述；指出了推广本文提出的基于新型电流型变流器的小型并网风电系统的目的和意义。(2)明确了新型高电感永磁风力发电机的特性，并提出了设计思想和原理，分析了SMR的工作原理，并且通过仿真实验对系统工作原理进行阐述。(3)提出一种新型电流型SPWM并网控制策略，并对其理论进行推导，并且通过仿真实验进行说明，和验证。(4)将上述并网控制策略应用于本课题所提出的系统中与带boost变换器的小型风力发电系统进行比较，并通过仿真实验结果进行说明。

结束语

综合考虑小型离网型和并网型风力发电系统的特点和不足，本文提出了一种新型的小型并网型风力发电系统，采用包括高电压增益整流器，双向DC/DC变换器及其配套储能电池，高频并网逆变器的电路结构，并根据小型风场的特点，采用具有针对性的控制策略，经试验验证，该小型风电系统可以同时实现保证电池使用寿命及适应不同风速工况，进一步验证了理论分析的可靠性。

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