風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換裝置設(shè)計(jì)方案

2．3 控制策略的分析設(shè)計(jì)

在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)輪機(jī)對(duì)風(fēng)能的捕獲及其電能變換裝置的控制策略在整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中決定風(fēng)電轉(zhuǎn)換的效率，根據(jù)風(fēng)速的變化，負(fù)載的變化以及儲(chǔ)能裝置容量的變化，來(lái)研究風(fēng)電系統(tǒng)的控制策略對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及最大化的利用風(fēng)能有著重要的意義。由于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多用于農(nóng)區(qū)、牧區(qū)等遠(yuǎn)離常規(guī)電網(wǎng)的場(chǎng)所，風(fēng)力發(fā)電是主要的供電形式，根據(jù)這一地區(qū)用戶負(fù)載的用電情況，在常規(guī)情況下可以設(shè)負(fù)載的電流閾值為Io，儲(chǔ)能裝置蓄電池SoC的閾值為Co，實(shí)測(cè)風(fēng)速的閾值為Vo。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在切入風(fēng)速與切出風(fēng)速之間時(shí)，設(shè)定風(fēng)力發(fā)電體系中用戶負(fù)載電流、蓄電池SoC及實(shí)測(cè)風(fēng)速分別大于各自設(shè)定的閾值時(shí)，為1狀態(tài)；小于設(shè)定閾值時(shí)為0狀態(tài)，則可列出表1。

在表中開(kāi)關(guān)狀態(tài)一行中數(shù)值位是“1”的，表示在圖2中的Tx開(kāi)關(guān)接通，為“0”的這一路表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，供電模式下的1～8種狀態(tài)分別表示為：T2接通，風(fēng)機(jī)供電；T1，T2接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池充電；T2，T3接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池放電；T2，T4接通，風(fēng)機(jī)供電，泄能負(fù)載介入；T2，T3接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池放電；T2接通，風(fēng)機(jī)供電；T2，T3接通，風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電，蓄電池放電；T2接通，風(fēng)機(jī)供電。

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供電能為主，蓄電池放電為輔，上述幾種形式為風(fēng)速達(dá)到風(fēng)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的切入風(fēng)速，且未超出切出風(fēng)速，在穩(wěn)定的工作風(fēng)速內(nèi)，并未提及無(wú)風(fēng)以及風(fēng)速過(guò)大，超出風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受的最大風(fēng)速，那時(shí)將要啟動(dòng)機(jī)械剎車裝置，將風(fēng)輪機(jī)鎖住，保護(hù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

3 風(fēng)電體系下的電能變換電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3．1 控制系統(tǒng)方案的確定

風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能電壓為三相交流電，且輸出電壓較低，需經(jīng)過(guò)整流器進(jìn)行整流，得到的直流電在經(jīng)過(guò)控制器的作用下對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，設(shè)計(jì)中采用的是三相橋式不可控整流。而對(duì)于直流變換電路主要功能是：調(diào)節(jié)直流輸出電壓使之恒定，以達(dá)到后級(jí)逆變電路輸入要求；提高逆變電路的功率因數(shù)并抑制高次諧波，完成功率因數(shù)的校正，所以可采用直流Boost升壓斬波電路。選用全橋逆變電路，其特點(diǎn)為帶負(fù)載能力強(qiáng)，電路容易達(dá)到大功率；又由于LC濾波器有著對(duì)輸出波形中的高次諧波進(jìn)行濾波處理的能力，因此選用了輸出端帶LC濾波器的單相全橋逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以使逆變電路輸出高質(zhì)量的正弦波形。

3．2 電能變換電路的控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出電壓在18～50 V之間變化時(shí)，經(jīng)過(guò)電能變換電路的處理得到穩(wěn)定的220 V電壓，通過(guò)研究得出在設(shè)計(jì)整流及Boost升壓變換電路的控制策略時(shí)，應(yīng)該以控制輸出電壓為出發(fā)點(diǎn)，使輸出電壓保持恒定為目的，且同時(shí)要保證系統(tǒng)功率因數(shù)盡可能的接近于1，綜合風(fēng)電系統(tǒng)特殊環(huán)境及Boost變換的電路CCM工作特性的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了平均電流控制技術(shù)，結(jié)構(gòu)上為電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)；而對(duì)于逆變電路部分則在電路的控制方式上選用正弦脈寬調(diào)制方式對(duì)逆變電路進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了采用PI調(diào)節(jié)器及PWM控制的電路控制策略。在確定了系統(tǒng)中電路的運(yùn)行狀態(tài)后，確定了電路參數(shù)，并利用Matlab＼Sireulink搭建了電能變換電路逆變部分的仿真模型，如圖4所示。

仿真結(jié)果如圖5所示。在圖5中從上至下分別為未經(jīng)過(guò)濾波的負(fù)載電流波形、經(jīng)過(guò)濾波后的負(fù)載電流電壓波形，仿真結(jié)果可見(jiàn)在允許的范圍內(nèi)達(dá)到了負(fù)載要求的工作電壓。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電體系下的電能變換電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的控制策略及方案在Matlab軟件下應(yīng)用Simulink來(lái)完成的模型搭建和仿真調(diào)試。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的電能變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性及控制策略的合理性，為直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換的研究提供了一定的信息。