基于风力发电系统的电能变换装置研究

O 引言
伴随着经济的发展及人口的增长，人类对能源的需求增加，而以煤炭、石油为主的常规能源存在有限性，且污染和破坏自然环境。风能是一种清洁的可再生能源，并且资源丰富，有着无需开采、运输的特点。目前风力发电系统分非直驱风力发电系统和直驱风力发电系统，前者主要采用齿轮箱对风轮机提速后，驱动常规异步发电机，而直驱风力发电在整个体系结构中，由于省去了增速齿轮箱，减小了风力发电机的体积和重量，省去了维护，降低了风力发电机的运行噪声，所以研究直驱风力发电系统的电能变换装置对提高风电转换效率及开发风力发电技术的推广，有着重要的社会效益和经济效益。

1 常规直驱风力发电系统的特性
直驱风力发电系统采用低速的永磁同步发电机取代了异步发电机，在永磁直驱风力发电系统中，风轮机将捕获的风能以机械能的形式驱动永磁发电机，永磁发电机的转速随着风速的变化而进行变化，发出电压和频率都变化的电能，需要经过电能变换电路输出恒压恒频的电能。现阶段常规离网型户用风力发电系统的基本结构如图1所示。

风速的时变性，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，所以目前的独立运行风力发电系统通过“交流-直流-交流”的转换方式供电，且要考虑风速很弱及无风的情况，系统的装置中使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电，再用逆变器将直流电变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用。系统的能量传输分配中要经过两次能量转换：电能-化学能-电能，能量的利用率偏低，且由于风力发电发出的能量较小，往往达不到负载需求的电能。

2 改造后的直驱风力发电系统
2．1 风力发电系统的基本组成
针对直驱风力发电的特性，研究设计的风力发电系统应由风轮机、永磁同步发电机、电能变换装置(整流器、直流调压装置、逆变器)、控制器、泄能负载、蓄电池、制动刹车装置和用户负载等组成，其设计研究的永磁直驱风力发电系统的结构组成原理图如图2所示。

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2．2 能量传输分配分析
分析在正常情况下的能量流动路径，由图2所列出的风电系统的供电模式可知，在考虑风速大于切入风速及小于切出风速时，风力发电控制系统中的能量传输的关系大体上分4种情况如图3所示。

正常启动风速到达后，风轮机开始运行，当风速较大时，风力发电机组发出的电能，经过电能变换装置调节后，得到用户负载所需要的交流电，多余的电能经过蓄电池储存起来；当风速不足时，风力发电机组发出的电能较小或则不发电能，此时由蓄电池发电给电能变换装置，进而变换后，供给用户负载；当风力发电机组发出的电能远大于用户所需的电能，且在蓄电池电量已被充满的情况下，采用泄能负载控制器对多余的电能放电。
2．3 控制策略的分析设计
在直驱风力发电系统中，风轮机对风能的捕获及其电能变换装置的控制策略在整个风电系统运行过程中决定风电转换的效率，根据风速的变化，负载的变化以及储能装置容量的变化，来研究风电系统的控制策略对风力发电系统的稳定运行以及最大化的利用风能有着重要的意义。由于离网型风力发电系统多用于农区、牧区等远离常规电网的场所，风力发电是主要的供电形式，根据这一地区用户负载的用电情况，在常规情况下可以设负载的电流阈值为Io，储能装置蓄电池SoC的阈值为Co，实测风速的阈值为Vo。当风力发电机运行在切入风速与切出风速之间时，设定风力发电体系中用户负载电流、蓄电池SoC及实测风速分别大于各自设定的阈值时，为1状态；小于设定阈值时为0状态，则可列出表1。

在表中开关状态一行中数值位是“1”的，表示在图2中的Tx开关接通，为“0”的这一路表示开关断开，供电模式下的1～8种状态分别表示为：T2接通，风机供电；T1，T2接通，风力发电机供电，蓄电池充电；T2，T3接通，风力发电机供电，蓄电池放电；T2，T4接通，风机供电，泄能负载介入；T2，T3接通，风力发电机供电，蓄电池放电；T2接通，风机供电；T2，T3接通，风力发电机供电，蓄电池放电；T2接通，风机供电。
在风力发电系统中，以风力发电机提供电能为主，蓄电池放电为辅，上述几种形式为风速达到风轮机运转的切入风速，且未超出切出风速，在稳定的工作风速内，并未提及无风以及风速过大，超出风力发电机承受的最大风速，那时将要启动机械刹车装置，将风轮机锁住，保
护风力发电系统。

3 风电体系下的电能变换电路控制系统设计
3．1 控制系统方案的确定
风力发电机发出的电能电压为三相交流电，且输出电压较低，需经过整流器进行整流，得到的直流电在经过控制器的作用下对蓄电池进行充电，设计中采用的是三相桥式不可控整流。而对于直流变换电路主要功能是：调节直流输出电压使之恒定，以达到后级逆变电路输入要求；提高逆变电路的功率因数并抑制高次谐波，完成功率因数的校正，所以可采用直流Boost升压斩波电路。选用全桥逆变电路，其特点为带负载能力强，电路容易达到大功率；又由于LC滤波器有着对输出波形中的高次谐波进行滤波处理的能力，因此选用了输出端带LC滤波器的单相全桥逆变电路的拓扑结构，以使逆变电路输出高质量的正弦波形。[p]
3．2 电能变换电路的控制器设计
设计的永磁直驱风力发电系统发出电压在18～50 V之间变化时，经过电能变换电路的处理得到稳定的220 V电压，通过研究得出在设计整流及Boost升压变换电路的控制策略时，应该以控制输出电压为出发点，使输出电压保持恒定为目的，且同时要保证系统功率因数尽可能的接近于1，综合风电系统特殊环境及Boost变换的电路CCM工作特性的基础上，控制系统的设计中采用了平均电流控制技术，结构上为电流内环和电压外环构成双闭环结构；而对于逆变电路部分则在电路的控制方式上选用正弦脉宽调制方式对逆变电路进行控制，设计了采用PI调节器及PWM控制的电路控制策略。在确定了系统中电路的运行状态后，确定了电路参数，并利用Matlab＼Sireulink搭建了电能变换电路逆变部分的仿真模型，如图4所示。

仿真结果如图5所示。在图5中从上至下分别为未经过滤波的负载电流波形、经过滤波后的负载电流电压波形，仿真结果可见在允许的范围内达到了负载要求的工作电压。

4 结语
针对永磁直驱风力发电体系下的电能变换电路进行了设计，并对所设计的控制策略及方案在Matlab软件下应用Simulink来完成的模型搭建和仿真调试。通过仿真，验证了设计的电能变换电路拓扑结构的正确性及控制策略的合理性，为直驱风力发电系统的电能变换的研究提供了一定的信息。