小型并網風力發電變流器控制系統淺析范文

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摘要：

和大型風力發電系統比較來看，小型風力并網發電又不論是在安裝上十分的方便，同時還具有建設周期較短，成本不高，應用非常便捷等優勢，所以對其進行發展和推廣具有較高的經濟效益和社會效益。因此，利用并網逆變器將電能從小型風力發電機組進行輸出，并將其并到低壓電網中是當前對小型風力發電進行應用的重要研究趨勢，受到了越來越多研究人員的關注。本文首先介紹了電流型逆變器在小型并網風力發電系統中應用的重要價值，之后闡述了小型風力發電逆變器并網控制策略特點及目標，最后介紹了小型風力發電逆變器并網控制系統主要軟硬件設計。

關鍵詞：

小型風力發電；變流器；控制系統

0引言

當前，人們的環保意識越來越強，而能源危機卻日益嚴重，因此找到以后總可以替代能源成了一個非常重要的課題。不論是在國外，還是我國，對于太陽能、風能以及地熱等可再生能源都得到了較快的發展，這不但能夠使得煤以及石油等消耗得以降低，同時也使得對一次性能源具有的依賴得以降低，極大的推動了能源的多樣化和自主性發展；此外，可再生能源還可以使環境不斷惡化的趨勢得到一定的緩解，進而追求更為環保的綠色生活方式。再這樣的背景下，風力發電發展突飛猛進。風力，從大自然中來，用之不竭、取之不盡。通過風力發電，不能可以使能源不足的狀況得意緩解，還具有一定的經濟效益，同時也不會導致溫室效應和環境污染問題的出現。因為風力發電容易受到天氣的影響，所以具有間歇性和不穩定性的特征，導致發電機轉子的效率以及發電量都受到影響，所以，在對風力發電系統進行設計時，應該充分利用軟硬件設備使得風力發電可以獲取穩定的電能。

1電流型逆變器在小型并網風力發電系統中應用的重要價值

小型風力發電機在進行運作的過程中，無需使用燃料，而且也不會給環境帶來什么有害的物質，具有極高的環保價值，是受到越來越多關注的綠色能源。然而，和小型離網型風力系統比較來看，并網型風力發電不用通過儲能裝置就可以進行電量的輸出，具有更為節能、經濟、環保的特征。而和大型風力發電系統比較來看，小型風力并網發電又不論是在安裝上十分的方便，同時還具有建設周期較短，成本不高，應用非常便捷等優勢，所以對其進行發展和推廣具有較高的經濟效益和社會效益。因此，利用并網逆變器將電能從小型風力發電機組進行輸出，并將其并到低壓電網中是當前對小型風力發電進行應用的重要研究趨勢，受到了越來越多研究人員的關注。但是，應該看到，在對小型風力并網發電技術進行研究的過程中，電力電子變換器拓撲及其控制策略問題是其中的難點，所以研發出成本較低、實用高效的新型拓撲結構和控制策略將對于風力發電技術的發展影響較為深遠。

2小型風力發電逆變器并網控制策略特點及目標

當前，在小型風力發電系統當中所應用的并網逆變器常常具有一些問題。首先，能夠進行利用的風速范圍較小。因為當前并網逆變器所具有的使用條件導致風力發電機組并網發電所需的最低發切入風速受到限制，結果導致并網系統的輸出功率受到影響，這必然會使得整個系統的成本受到影響，使得小型并網風機的推廣受到阻礙。而電流型逆變器的并網控制以及最大功跟蹤是小型風力并網發電系統的關鍵控制技術，因此，對于電流型逆變器的控制策略進行研究和探討非常的重要。

2.1電流型逆變器的控制的特點

在小型并網風力發電系統當中，對電流型逆變器的控制研究是其中的重難點問題，通常是通過對逆變器進行控制而實現并網輸出電流的。所以，要使得系統單相電流源型逆變器并網得以實現，就一定要結合所輸出功率的大小來對逆變器所要輸出電流的幅值進行確定。而將電網電壓的同步信號直接進行檢測，并將其當作變流器并網輸出電流的跟蹤信號，不僅能夠讓系統并網快速的輸出電流，對電網電壓信號進行跟蹤，同時還可以實現同相位運行，進而使得單位功率因數輸出得以實現，且此控制策略的原理十分的簡單，很容易就可以達到。

2.2電流型變流器并網控制的目標及要求

從目標上來看，小型風力并網發電要對逆變器輸出的并網電流進行控制，使其可以成為質量較高且十分穩定的正弦波，得到和電網電壓同相同頻，進而達到并網單位功率因數運行。從要求上來看，小型并網風力發電系統當中，電流型變流器的并網控制要達到兩個方面的要求，第一，就控制原理而言，作為擾動量，電網要和并網逆變器的輸出端直接相連；第二，逆變器的并網輸出電流應該和電網電壓做到同相同頻。

3小型風力發電逆變器并網控制系統主要軟硬件設計

3.1系統硬件電路設計

3.1.1逆變主電路

逆變主電路在控制系統主電路中有最為重要的作用,擔負著直流到交流的變換任務。四象限變流器形式的逆變主電路和一般電壓型主電路有所不同,見圖1。 在實驗的初期，為了確保逆變器不會由此而受到損害,將2Ω的保護電壓串聯到直流母線上,并且監視電阻的壓降，這樣能夠對直流母線電流情況實時進行獲悉。在實際的實驗過程中,Udc電網電壓是通過調壓器進行整流之后而輸出的,這樣不但能夠使系統的電壓等級降低，同時也能夠逐步對系統的問題進行排查。由于Udc是通過調壓器而得到的,所以無法起到隔離的功效，因此逆變器交流輸出側是不可以直接并網的,在實驗當中是通過隔離變壓器隔離以后在通過調壓器實現并網的。

3.1.2主電路總體結構

為了確保系統安全，同時方便進行實驗的調試，實驗主電路通常選取的是對電壓等級進行降低，隔離變壓器的手段。為了可以更為便利的獲取改變的直流電壓,在主電路系統當中選取了調壓器和二極管整流的方法,當進到逆變器以后，通過控制算法，系統將信號輸出，之后在通過隔離變壓器，進而達到把設備和電網進行隔離的目的。在這種狀況下，假如設備發生了短路等故障，就不會由于混亂而造成危險；假如電網在小幅度上發生波動，也不會讓設備的運行受到影響。最后,通過調壓器的調節以后并到電網當中。從實際上來看，系統能夠在處于直流電壓存在波動的狀況下自動進行調節，而輸出與要求相符的并網電壓。因此在這里面所加的網側調壓器目的是為了配合實驗調試。

3.1.3DSP控制單元

在控制系統當中，DSP是其中的核心，不論是在對系統進行的實時保護上，還是系統的運行上都是通過DSP芯片來實現的。在控制系統的微處理器上本研究選取的時具有性能較高的16位定點DSP TMS320LF2407A，其中包括兩個專門對電動機進行控制的事件管理器，這兩個可以完成PWM的波形輸出、對能夠進行編程的PWM進行死區控制。此外，事件管理器還能夠出現對稱和不對稱的PWM信號，由于可以帶來更小的電流諧波，因此在此設計當中采取的是對稱的PWM信號。

3.1.4對電路設計進行檢測和保護

在實際應用計算機控制系統的過程中，一定要考慮是否具有可靠性，特別是在工業應用當中，系統抗干擾能力尤為明顯。為了避免發生出現并解決干擾現象，不但要適當的處理干擾源，同時還要多采取防范的手段，進而方式因為外界干擾而導致出現程序“死機”或是“跑飛”問題，而造成系統工作發生異常。另外，系統一定要具備對外部環境的干擾以及影響進行抵抗的能力，是否具有可靠性是對系統進行評判的重要指標之一。在本設計當中，為了使系統具有更高的可靠性，同時使用了硬件看門狗和軟件看門狗。

3.2系統主要軟件設計

3.2.1蓄電池

蓄電池可以為獨立運行的小型風力發電系統提供其所需要的能量，因為需求不同，負載功率也會有所變化，同時受到大氣環境的影響，風能大小也會也有所差異，所以，為了能夠讓負載的端電壓保持穩定，一定要加入蓄電池，從而達到系統輸入和輸出能量之間的平衡狀態，實現對系統功率進行調節的目標。

3.2.2對鍵盤操作程序進行設計

在整個程序設計當中，鍵盤操作程序必不可少，如果用戶想要更為便捷的控制系統的運行參數，就需要鍵盤在其中發揮作用。因此，在鍵盤程序中，可以對一些常規的操作，例如起動、停止以及復位按鍵等進行設計。

3.2.3對采樣以及保護程序進行設計

盡管在整個程序當中，系統采樣以及保護程序相對在設計上要相對簡單。然而，其所具有的重要作用和地位則不能忽略。通過采樣獲取的數據是否準確與整個系統能否正常輸出，系統是否穩定具有直接的影響。而保護程序設計上則和系統設備的安全性具有直接的影響，在這方面，主要是對硬件看門狗電路進行配合程序，同時對孤島效應進行簡單的檢測。

3.2.4對主程序進行設計

系統主程序是系統的核心,接收采集信號,對采集信號進行處理,實現算法,輸出控制信號,輸出保護信號等。控制程序要求有固定的采樣周期,所以主程序放在定時器中斷中執行。這樣主控制程序就不會受到諸如程序延時、鍵盤掃描、串行顯示的影響而準確地定時執行。

參考文獻：

[1]王瑞.小型風力發電變流器控制系統[D].山東建筑大學,2013.

[2]喻莉.小型風力發電并網系統變流器的控制研究[D].合肥工業大學,2010.

作者:李康 單位:曲阜師范大學日照校區工學院