基于BOOST變阻抗的最大輸出功率的跟隨控制研究

黃泳波

摘 要：分析風電機的輸出功率特性，建立了其等效數學模型，利用Boost電路的變換阻抗的特性，通過調節變換器的阻抗，采用PI閉環控制器控制發電機跟隨風速變化，輸出最大輸出功率。建模仿真表明，該控制策略是可行的。

關鍵詞：Boost；變換阻抗；PI控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.172

0 引言

隨著MOSFET，IGBT等電力電子器件的控制技術的迅猛發展，在永磁發電機的輸出功率控制應用中，可以不必進行磁場控制而只進行電機輸出阻抗的控制，就可以改變發電機的輸出功率。直流電壓變換器（Boost或者Buck等電路）具有變換阻抗的作用。

另一方面，風力發電機的輸出功率隨著風速的變化而在不斷的改變。當風速較低時，輸出電壓低，電流也小，當風速較高時，輸出電壓較大，電流也較大。如果連接的輸出負載內阻恒定時，就無法獲得最大化的輸出功率。

為了獲得最大輸出功率，采用了基于Boost升壓電路對風機輸出側進行變阻抗控制，并利用檢測電路，檢測輸出電流與電壓，利用輸出電流和電壓相乘得到輸出功率。把輸出功率作為反饋信號，采用PI調節器，調節Boost升壓電路的占空比，改變風電機的連接電路的輸出阻抗，使得輸出功率跟隨風速變化調節到最大輸出。

1 建立系統數學模型

本文以小功率永磁同步發電機作為研究對象，該發電機輸出的電壓一般比蓄能電池的電源稍低些，因此采用Boost升壓電路作為電源變換器，進行阻抗匹配變換，建立系統的數學模型。風力機用理想電壓源E加內阻Rr來等效，蓄電池用理想恒壓源Ud加內阻r來等效，發電機的負載用純電阻RL來等效。在以上等效的基礎上，建立了風力發電系統的等效電路模型。其中U1為風力機的輸出電壓，U2位經Boost電路變換后加載在負載上的電源。

針對上述Boos t變換器電路模型，應用基爾霍夫電壓定律與電流定律，當MOSFET導通時，由電路模型，列寫出系統的狀態方程。

利用BOOST升壓電路的占空比d作為導通和關斷兩個狀態的權值因子，把MOSFET導通的式（1）和MOSFET關斷的式（2）進行一個開關周期的疊加，得到疊加后的系統狀態平均方程。

2 MATLAB仿真分析

根據系統建立數學模型的方程（3）和系統輸出方程（4），利用MATLAB軟件的電路仿真模塊，建立Boost Subsystem控制電路模塊，如圖2所示。把風速產生的電壓源E和Boost電路的占空比d作為該模塊的輸入信號，把流過電感的輸出電流Out（iL），負載電壓out1和輸出電壓out（u1）作為該模塊的3個輸出信號。

把輸出電壓和電流反饋值進行相乘，得到輸出功率，加入最大輸出功率的PI控制調節器，設計出如圖3所示的最大輸出功率閉環跟隨控制的系統電路。設定實驗系統參數為：電機內阻Rr=1Ω，電機感抗L=10uH，濾波電容C=400uF，電池內阻r=0.1Ω，等效負載內阻RL=4.8Ω，蓄電池電壓Ud=96V，風機輸出電壓的變化E=80～100V。

仿真時，先假定開始時穩定工作在某一風速下，然后改變風速，過渡到另一個風速狀態，電壓E變化如圖4（a）所示，E從80V升為100V。得到輸出電流的變化曲線如圖4（b）所示。

3 結論

從以上仿真結果可以看出，隨著E突然發生變化，系統PI控制器能夠自動調節Boost電路的占空比，改變阻抗特性，使的系統工作輸出電流跟隨風速增大，由于電池電壓恒定，因此，輸出功率也跟隨風速條件增大。仿真結果顯示該系統可以實現最大輸出功率的跟隨控制。

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