風力發電中逆變系統分析與設計

李愛欽，王海濤

（青島恒星科技學院，山東青島，266100）

0 引言

逆變流器的逆變換，逆變器是一種把直流電轉化成交流電的裝置。現在應用比較廣泛的還是全橋逆變電路和半橋逆變電路，全橋逆變電路是由四個驅動管在正弦波的固定波段周期性循環工作的逆變電路。研究大功率高性能逆變器對我國能源利用和工業節能具有重要意義。在小型風力發電系統中，逆變將DC電調制成穩壓穩頻的AC電直接供給負載，或安全并聯到交流電網。考慮到它的應用范圍不但有城市，還有郊區和農村地區，所以它需要有比較高的穩定性。對逆變器的要求更高。當前由于現有技術不足，研究成本較高。所以高效率、低噪音、和適中的價格的逆變電路具有非常重要的意義。

1 逆變系統組成

■1.1 系統總體結構設計

風力逆變器重點是由以下幾個模塊組成的：輸入電路、輸出電路、電源模塊（輔助電源）、控制電路、保護電路（電壓電流采樣模塊）和逆變電路。如圖1所示。

圖1 逆變系統結構圖參數設置模塊

逆變主電路輸入由風機整流降壓提供。控制電路的功能是根據需要產生和調節一系列控制脈沖以控制逆變器開關管的接通和斷開，從而完成逆變器主電路的逆變功能[1]。在逆變系統中，控制電路和逆變器電路同樣非常重要。采樣電路的功能是為了穩定輸出電壓。另有保護電路起到限流和過熱保護的功能。

■1.2 逆變主電路設計

圖2是風力發電逆變并網變流器的主電路結構圖。該電路把風電機組輸出的直流電能通過三相半橋逆變電路轉換成工頻50 Hz的交流電能饋入450 V三相交流電網。

圖2 逆變電路框圖塊

2 逆變原理

逆變是整流的逆過程，整流裝置在滿足一定條件下可以作為逆變裝置應用。即同一套電路，既可以工作在整流狀態，也可以工作在逆變狀態， 這樣的電路統稱為變流裝置。變流裝置如果工作在逆變狀態，其交流側接在交流電網上，電網成為負載， 在運行中將直流電能變換為交流電能并回送到電網中去， 這樣的逆變稱為“有源逆變”。 風力發電逆變系統是把風力發電機產生的直流電變換成交流電并入電網，所以是有源逆變。

■2.1 有源逆變電路的工作原理

對于單相全控整流橋，當控制角α在0～π/2之間的某個對應角度觸發晶閘管時，工作在整流狀態，當π/2＜α＜π時，工作在逆變狀態。例如在卷揚系統中，當重物放下時，由于重力對重物的作用， 必將牽動電機使之向與重物上升相反的方向轉動，電機產生的反電勢ED的極性也將與提升時反相。這時電動機為發電狀態運行，對外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流電網去，此時的電路進入到有源逆變工作狀態。如圖3所示。

圖3 有源逆變電路

■2.2 三相橋式逆變電路的工作原理

三相橋式逆變電路如圖4所示，工作原理如圖5所示。一個周期中的輸出電壓由6個形狀相同的波頭組成，其形狀隨β的不同而不同。該電路要求6個脈沖，兩脈沖之間的間隔為π/3， 分別按照1， 2， 3， …， 6的順序依次發出，其脈沖寬度應大于π/3或者采用“雙窄脈沖”輸出。

圖4 三相有源逆變電

圖5 三相有源逆變電路工作原理

■2.3 控制電路設計

采用AT89C51單片機控制系統控制逆變電路中的可控元件的通斷，以達到逆變效果。控制電路包括單片機最小系統電路、時鐘振蕩電路復位電路、按鍵電路及電源電路等。在本文里不做詳述。

3 逆變系統仿真設計

本文仿真選用的軟件是MATLAB中的一種可視化仿真工具simulink，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，在simulink中能夠提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具。

■3.1 控制模塊分析

在進行控制電路建模時，最重要的就是它的控制/測量轉換模塊用來執行從三相（abc）信號到dq0旋轉參考幀或反向的轉換，其變換旋轉框架如圖6所示。

圖6 變換旋轉框架

該塊支持Park變換中使用的兩個約定：

(1)旋轉框架在t=0時與A軸對齊，即在t=0時，d軸與a軸對齊。這種類型的Park變換也稱為基于余弦的Park變換。

(2)旋轉框架在A軸后面90度對齊，即在t=0時，q軸與a軸對齊。這種類型的Park變換也稱為基于正弦的Park變換。在Simscap Power System三相同步和異步電機模型中使用它。

通過在固定參考系中執行abc到αβ0Clarke變換，從abc信號中減去dq0分量。然后在旋轉參考系中執行αβ0到dq0變換，即，對空間矢量Us=uα+j·uβ的ω.t旋轉。abc-to-dq0變換取決于t=0時的dq幀對齊。旋轉幀的位置由ω.t給出（其中ω表示dq幀旋轉速度t為時間）。當旋轉框架與A軸對齊時，獲得以下關系，從而測量出相應的電壓。

■3.2 參數設置模塊建模

經過對單片機執行程序分析建立出模型如果模擬時間小于步時間參數值，則塊的輸出為初始值參數值。對于大于或等于步進時間的模擬時間，輸出為最終值參數值。下面則是從多維信號中選擇輸入元素，根據為“輸入維度數”參數輸入的值，將顯示索引設置表，可以使用“索引選項”參數為每個維度選擇索引方法。這次設置的參考步長一秒，在0.4秒的時候改變輸入。之后通過拉普拉斯域變量s的傳遞函數對線性系統建模由此傳遞到之前的控制模塊[2]。

■3.3 逆變模塊建模

由AT89C51單片機控制的逆變系統在進行仿真研究時，為了直觀方便給它后面做一個并網同時進行一下測量。逆變模塊最左邊便相當于電路的半橋逆變部分，其g口的接入便是由單片機建模后控制的，之后是三相的電壓電流測量模塊對其進行瞬時采樣，當與三相元件串聯連接時，它返回三個相對地或相間峰值電壓和電流。該塊可以以每單位（pu）值或以V和A為單位輸出電壓和電流。如果選擇測量每單位的相對地電壓，則該模塊會根據標稱相對地電壓的峰值轉換測量電壓如下公式。

如果選擇測量每單位的相間電壓，則模塊會根據標稱相間電壓的峰值轉換測量電壓如下公式。

如果您選擇測量每單位的電流，則該塊會根據額定電流的峰值轉換測量的電流：如下公式。

注：Vnom和P基礎在三相電壓電流測量塊對話框中指定。

4 仿真結果分析

在對電路在MATLAB的simulink模塊建模后，對逆變電路并網并采樣進行測量。對母線電壓和電流進行采樣，接入示波器。以在模擬過程中顯示所選的測量值。示波器顯示的波形中，看到從開始電流增大之后維持在50A左右，電壓減小維持在415V左右之后在0.4s的時候風力增大，可以看到電流是隨之增大的，而母線電壓則減小[3]。

5 總結

本文以風力發電系統逆變電路為目標，從系統的結構、控制方法以及仿真結果總結這幾個方面對逆變系統進行了詳細的研究和設計，以實現系統的可靠運行。重點介紹了逆變電路的原理及仿真，從仿真結果來看，電路工作穩定，輸出電壓波形平滑，抗干擾能力強，具有較好的正弦度。