直驅風電系統直/直變換電路的設計與控制

陳 榮

（鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

在全球積極推進風能、太陽能等可再生能源的開發利用過程中，直驅風力發電系統脫穎而出，成為當今風力發電系統的研究熱點。相對于化石能源，風能可再生、資源分布廣，適宜就地、零散地開發利用。但風能隨環境條件而變化，隨機性大，將風能饋入電網需要附加較多的功率變換與控制環節，方可使電能滿足并網條件。并且，由于風能的隨機性，大功率風電并網往往會影響所聯電網的穩定運行。因此，直驅風電系統并網變流器的設計與運行控制是風能獲得大規模應用的關鍵[1-4]。

在直驅風力發電系統中，風力機直接與多極永磁同步發電機偶合，風力機驅動發電機發出頻率、幅值隨風速變化的交流電，經三相不控整流變成幅值變化的直流電，再通過逆變器變換成與電網同頻同壓的交流電，將風能饋入電網。但逆變器正常工作的電壓范圍有限，電壓低了，不能將電能饋入電網；電壓高了，逆變器不能承受，或者為了承受最高電壓，其電壓等級配置很高，成本加大，因此，必須對逆變器的輸入電壓進行調整。當風速較低時，直流環節的電壓較低，系統需要在逆變器前配置Boost電路將直流電壓提升[5-8]；當風速很高時，直流環節的電壓較高，不利于逆變器安全運行，需要將直流電壓降低。當然，在有偏航或者變漿距控制的系統中，當風速超過額定速度時，通過偏航或變漿距可使發電機獲得的風能降低，直流環節電壓可以得到控制。若直驅風電系統沒有這些控制環節，隨著風速的增加，風力機獲得的能量增大，直流環節電壓增高，這將危及逆變器的安全。為此，配置降壓變換電路針對無偏航或無變漿距風電系統是必須的，通過配置升/降壓變換電路，可以使風力發電系統在很寬的風速范圍內運行[9-11]。本文將討論直驅風力發電系統直/直變換電路的設置與控制。

1 升降壓變換電路的設置及工作原理

由于需要處理的電功率較大，可以實現大功率電能轉換的單級直流變換電路不多，在直驅風力發電系統中實現電壓提升的電路均采用Boost升壓變換電路，而此時系統需要在電壓過高的情況下實施降壓，則可以采取將升壓變換電路和降壓變換電路進行組合，構成能夠實現大功率電能轉換的升/降壓變換電路，電路如圖1(a)所示。圖1(a)中，T1、D1、L構成降壓變換電路，T2、D2、L構成升壓變換電路，C1、C2為輸入、輸出電路濾波電容。

若因風速較小，直流側電壓較低時，逆變器工作將不正常。控制系統要求T1全通，D1截止，T2按要求作脈沖寬度(PWM)控制，T2、D2、L實現升壓變換，將輸入直流電升壓到設定數值，工作電路如圖1(b)所示。

若風速較高，直流電壓在逆變器合適的電壓范圍內，則該變換電路既不需要升壓也不需要降壓，控制系統要求T1全通，T2截止，直流輸入電壓直接通過T1、L、D2到輸出端，工作電路如圖1(c)所示。

若風速很高，風力發電機運行速度進一步提高（在許可范圍內），直流側輸入電壓將變得很高，對逆變器的安全運行不利，需要將輸入電壓降低。控制系統要求T1作PWM控制調整輸入電壓，T2截止，T1、D1、L實現降壓變換，工作電路如圖1(d)所示。

2 升降壓變換電路的控制方法

為實現圖1所示電壓控制，設計直驅風電系統直/直變換電路，其輸入輸出特性如圖2所示。圖2中，UΔ1、UΔ2、Uo分別為變換器直通控制電壓下限、上限、變換器工作起始電壓，Vi為其輸入電壓，Vo為輸出控制狀態。

當系統啟動時，變換電路直流輸入電壓可能有四種情況，這四種情況可以由比較器電路給出其電路的輸入狀態，按照并網逆變器對輸入電壓的要求，直/直變換電路控制邏輯需要滿足以下條件。

(1)輸入電壓低于UΔ1，第一比較器輸出狀態1，第二比較器輸出狀態1，系統要求變換器實施升壓控制。管T1全通，管T2進行PWM控制，按要求調整輸入電壓到指定輸出值。

(2)輸入電壓高于UΔ1，但低于UΔ2，第一比較器輸出狀態0，第二比較器輸出狀態1，系統要求變換器不升不降，即直通。管T1全通，管T2截止。

(3)輸入電壓高于UΔ2，第一比較器輸出狀態0，第二比較器輸出狀態0，系統要求變換器實施降壓控制。管T1進行PWM控制，管T2截止。

(4)輸入電壓低于變換器起始電壓Uo，第三比較器輸出狀態1，經過反相輸出0，可以封鎖兩只開關管的驅動信號，電路不工作。

比較器設置回環的目的，是避免輸入電壓在該轉折點附近電路工作狀態的頻繁變動，提高電路工作可靠性。

從以上分析可見，無論什么情況，系統要求管T1均有控制信號，或處于全導通狀態，或處于PWM 控制的調整狀態（僅電源電壓低于起始電壓時例外）。而管T2在升壓控制情況下處于PWM控制狀態，其余兩種情形下均處于截止狀態。由此可以構成系統控制原理圖，如圖3所示。圖中，uΔ1、uΔ2、uo分別代表與UΔ1、UΔ2、Uo成比例的基準電壓信號，ui為直流輸入電壓。

管T1在任意情況下均有控制信號，其控制邏輯可以在其自身控制電路中實現，圖3的邏輯控制信號只作為T1驅動電路輸入端的開門信號。

圖3中，發電機輸出的變壓變頻交流電經三相不控整流輸出幅值隨風速變化的直流電，該直流電經檢測電路輸入到圖3輸入端，經三個比較器確定輸入電源的電壓狀態。

(1)若A=1，B=1，輸入電壓低于UΔ1，系統要求升壓控制，T1全導通，T2進行PWM控制。T1、T2控制電路如圖4所示。

圖4中，針對T2管，ugd=uΔ1，ufu為變換器實際輸出電壓的檢測反饋值。電路所產生的控制脈沖經圖3門電路給T2以驅動，實施升壓控制，T2控制電路調節器的上限限幅決定占空比最大值（可設置為0.8左右），下限可設置為0。

而對T1管，其驅動信號也來自圖4的輸出，其ugd=uΔ2，由于輸出電壓反饋值ufu小于ugd，調節器輸出向正方向變化到大于載波信號正向幅值，比較器輸出狀態為高電平，送入T1驅動電路使其全導通。

(2)若A=0，B=1，輸入電壓低于UΔ2，而高于UΔ1，系統既不要求升壓也不要求降壓，T1全導通，T2截止。

對T2管，圖3與門1封鎖了驅動信號，T2管截止。圖4給定信號小于反饋，比較器輸出信號小于載波信號負向幅值，和載波信號沒有交點，比較器輸出低電平。

對T1管，電路輸出電壓反饋值ufu小于ugd(=uΔ2)，調節器輸出仍大于載波信號正向幅值，比較器輸出狀態為高電平，T1全導通。

(3)若A=0，B=0，輸入電壓高于UΔ2，系統要求降壓控制，T1實施PWM調制，T2截止。

對T2管，圖3與門1封鎖了驅動信號，T2管截止。圖4輸入給定信號小于反饋，比較器輸出信號小于載波信號負向幅值，比較器輸出低電平。

對T1管，電路輸出電壓的反饋值ufu大于ugd(=uΔ2)，調節器輸出按PI控制規律從峰值以上向下變化，與載波信號相交產生PWM信號，經驅動電路驅動T1斷續導通調整輸出電壓。

此外，由于整流輸出電壓幅值與風速有關，隨機性較大，變換器輸入電壓在不斷變動過程中，為防止因為電壓變動而出現電路工作狀態的頻繁變化，導致系統工作不穩定的情況，在直通電壓上下限(UΔ1、UΔ2)均設置了電壓比較滯環。

圖2中，系統設置了一個起始電壓Uo，它表示直驅風力發電系統輸出電壓太低，不具備發電能力，數值可以根據系統的具體情況設置。在邏輯控制上，也設置了一個比較電路，由比較電路的輸出狀態封鎖兩調整管的門極驅動信號。

3 變換電路的控制與實現

試驗系統由變頻器驅動多極異步電動機，再由異步電動機驅動多極永磁同步發電機以模擬直驅風力發電系統，變頻器頻率控制信號采用可變恒定電壓疊加小幅正弦信號來模擬環境風速，正弦信號的頻率不可以過高，頻率過高，變頻器無法響應。發電機所發出的變頻、變壓交流電經不控整流電路轉換成變幅交流電，該變幅交流電作為直/直變換器的輸入電壓。考慮到風電機組輸出電壓變化及電機額定參數的因素，計劃設置模擬系統直通電壓下限滯環為250～270 V(DC)、上限滯環為350～370 V(DC)，即設置電壓回環為20 V，以避免變換器工作狀態的頻繁變化。同時，對該實驗系統設置了系統工作起始電壓100 V（設置回環10 V），低于該電壓，控制系統禁止變換器工作。

發電機參數為額定功率2.5 kW，額定電壓300 V，額定轉速300 r/min，變頻器所帶異步電動機為5對極，當變頻器輸出頻率達到50 Hz時，電動機同步轉速將接近600 r/min。因此，該系統運行時，變頻器輸出工作頻率不得超過50 Hz。根據電機功率大小以及直流側電壓等級，并留有適當余量，選取T1、T2為IGBT管，參數為50 A/1 200 V，D1、D2為快恢復二極管，參數為55 A/1 000 V，電路工作頻率設置為4 kHz，根據輸入輸出要求確定電感為42 mH，輸出濾波電容為1 000μF/900 V（兩只2 000μF/450 V電容串聯）。

系統從啟動到變頻器輸出頻率達到45 Hz，發電機所發交流電經過不控整流輸出的電壓與電流之間的關系(帶30Ω 功率電阻)如圖5所示。從圖中可見，當變頻器運行到45 Hz時，發電機已經過載一倍，實際工作過程中不允許長時間過載運行。

調整好試驗系統各檢測、反饋環節，按照前述控制方法對該系統進行實驗。實驗表明：系統的運行狀態可以按照要求改變變換電路的工作狀態，實際下限滯環為248～265 V(DC)，實際上限滯環為346～367 V(DC)。在實施升壓控制時，系統設定電壓為250 V；實施降壓控制時，系統設定電壓為350 V。當發電機輸出電壓從0上升到100 V時，變換器不工作；從100 V上升到265 V時，A=1，B=1，變換器實施升壓控制；從265 V上升到367 V，A=0，B=1，變換器直通；在367 V以上，A=0，B=0，變換器實施降壓控制。從367 V以上向下變化，在346 V以上，A=0，B=0，變換器實施降壓控制；從346 V下降到248 V，A=0，B=1，變換器直通；從248 V下降到90 V，A=1，B=1，變換器實施升壓控制；90 V以下系統關閉。系統實際控制電壓在整個工作范圍內被限定在248～367 V。

實際控制中，像該模擬控制系統控制的電壓范圍較寬(248～367 V)，對后續逆變器的電壓控制提出比較高的要求，可以根據具體情況對電壓范圍予以調整，保證逆變器既可以實施風能逆變，又可以安全可靠工作。

4 結語

根據實際直驅風力發電系統因為風速變化所引起的直流輸入電壓變化范圍太寬的問題，本文研究并設計了在后續逆變器前設置升降壓變換電路，可以將輸入直流電壓控制在規定范圍，既能拓展風電系統在寬廣的風速范圍內運行，又能保證系統在高風速情況下的運行安全，可為實際系統的設計與運行提供參考。

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