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小型风力发电并网逆变系统的研究

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EI正CTRIC DRIVE 2013 Vo1.43 No.7 电气传动2013年 第43卷 第7期 小型风力发电并网逆变系统的研究 张纪杰t,张春香z,车延博 ,马利勇。,吴红波 ,郑志刚 (1.智能电网教育部重点实验室,天津300072; 2.天津电气传动设计研究所有限公司,天津300180; 3.吉林通钢冷轧板有限公司,吉林通化134003) 摘要:为了充分利用风能、提高小型风力发电系统对低风速风能的利用率,并考虑变换电路的电压利用 率.采用带Boost变换器的两级式电压型并网逆变器,前级部分进行MPPT调节实现风能的最大功率跟踪;控 制部分采用电压外环和电流内环分别进行PI控制,实现前后两个功率级控制上解耦和并网逆变器的双向功率 流动。经过实验结果分析,输出电流能够较好地跟踪电网电压,输出电流波形平滑,输出波形符合要求,证明了 该方法的可行性。该控制策略应用于小型风力发电系统可以极大提高风能利用率,提高对低风速风能的利用 效率.对推广小型风力发电系统.充分利用可再生清洁能源具有重要的现实意义。 关键词:风力发电;并网逆变;利用率 中图分类号:TM614 文献标识码:A Research of Small Wind Power Grid—connected Inverter System ZHANG Ji ̄ie ,ZHANG Chun-xiang2,CHE Yan-bo ,MA Li-yong2,WU Hong-bo ,ZHENG Zhi—sans ̄ (1.Key Laboratory ofSmart Grid ofMinistry foEducation,Tianjin 300072,China; 2.Tianjin Design&Research Institute foElectric Drive Co.,Ltd.,Tianjin 300180,China: 3.ColdRoleld Strip Co.,Ltd.fo TISCO Tonghua,Jilin 134003,ro ̄ghuaChina) Abstract:Considering the wind power utilization of low wind speed of small wind power generation system and hte voltage utilization of conversion circuit,new strategy was adopted to make full use of the energy.Two levels voltage grid-connected inverter with Boost converter was used.The MPPT control was realized in the front-end circuit to track the maximum power.The PI control was adopted in the control part for the voltage outer loop and current inner loop respectively.And the decoupling control and bidirectional power flow are realized in the inverter. Through the analysis of experimental results,the output current can better track the d voltage timely and the output current waveform confonTls to the requirements.So the feasibility of this method is proved.This control strategy which applied in small wind power generation system can greatly improve the utilization rate of wind energy. And improve the use efficiency of low wind speed,on the promotion of small wind power generation system,make full use of renewable clean energy has important practical significance・ Key words:wind power generation;grid-connected inverter;utilization 1 引言 中的变换电路采用带Boost变换器的两级式电压 型并网用逆变器… 目前,小型风力并网发电以更经济、方便、实 小型风力发电系统应用的核心是并网用逆 用的特点成为新能源发电中的一个重要方向。由 变器。随着新型电力电子器件的不断涌现.以及 于风速的大范围波动性.风力发电机的输出电 现代控制理论的发展.各种针对单相并网用逆变 压、频率和能量也随之大范围波动,为了充分利 器的控制策略与方案相继被提出[21 目前常用的 用风能并考虑变换电路的电压利用率.采用 电流控制模式有滞环控制、PI控制等多种方案[ 。 MP 调节实现风能的最大功率跟踪.因此系统 滞环控制具有实现简单和动态响应快的特点。但 作者简介:张纪杰(1986一),男,硕士研究生,Email:zhangjijiede@126.corn 35 电气传动2013年 第43卷 第7期 是开关频率、损耗及控制精度受滞环宽度的影 响;PI控制具有算法简单和可靠性高的特点.因 此被广泛应用于工业过程控制.但常规的PI控制 对正弦的参考电流却难以达到理想的控制效 果 。本设计在后级全桥逆变部分采用适合小型 风力发电系统的电压电流双闭环控制.对电压外 环和电流内环分别进行PI控制.实现前后两个功 率级控制上解耦 本文设计的单相并网用逆变器.其功率主电 路采用常规二极管整流、标准的Boost升压加单 相全桥式逆变电路:就其末级逆变器而言.它属 于电压源输入、电流输出的控制方式:中间直流 母线额定电压稳定在400 V:逆变产生的AC 220 V电压经过滤波电感和并网开关输出到电网[5] 控制电路部分采用高性能的数字信号处理芯片 (DSP),采用载波比固定的SPWM调制方式,控 制部分输出的开关信号的频率为12.8 kHz 采用 基于该电路结构的控制方式实现了前后两个功 率级控制上解耦:前级实现对风能的最大功率跟 踪.后级实现并网逆变。该控制策略应用于小型 风力发电系统.可以极大提高风能利用率¨6_.提高 对低风速风能的利用效率.对推广小型风力发电 系统.充分利用可再生清洁能源具有重要的现实 意义。 2单相并网用逆变器主电路拓扑结 构及控制策略 2.1主电路拓扑结构 风力发电单相并网逆变器系统主电路拓扑 结构如图l所示 风机输出 躲 : r】 。 三相不控整流 直流 单相 变换器 逆变电路 图1小型风力发电系统拓扑结构 Fig.1 Topdogy of smM1 wind power system 风力发电机发出的三相交流电经过二极管 整流单元变换成低压直流电.该低压直流电经由 Boost电路升压稳定在400 V.然后通过单相全 桥逆变器得到交流电.最后经过电感滤波后并入 36 张纪杰.等:小型风力发电并网逆变系统的研究 电网。 该系统硬件拓扑电路包括整流电路、直流侧 Boost升压电路、逆变电路和并网电路 硬件部 分主要采集的信号包括:直流电压、直流电流、交 流电压、交流电流。其检测的直流信号用于实现 最大功率跟踪:交流信号作为反馈用于系统控 制。在交流电压的检测过程中同时产生并网同步 信号,控制输出电流与电网电压的同步。检测的 电网电压信号也用于对电网状况进行判断.当电 网异常时系统停止工作 2.2系统控制策略 2.2.1前级MPPT控制 最大功率跟踪控制(MPPT)主要有扰动观察 法和电导增量法 电导增量法需要对输入风能 的电压和电流进行采样.通过比较风能的电导增 量和瞬时电导来改变控制信号 这种跟踪法最大 的优点,就是当风力发电机端的能量发生变化 时.其输出电压能被控平稳地跟随其变化.电压 晃动也较小:并且电导增量法控制精确.响应速 度较快,适用于风力变化快的场合 本文即采用 电导增量法对获取的风能来进行最大功率点的 跟踪控制 2.2.2并网逆变控制 本文采用适合中小型分布式并网逆变系统 的电压外环电流内环双闭环控制.如图2所示 电压外环用来控制直流母线电压的稳定.其电压 值必须满足并网所需的最小逆变电压要求 由于 被控量直流母线电压是直流量.因此利用PI控制 器就可实现良好的跟踪性能。电流内环完成并网 电流幅值和相位的控制.以实现将风力发电机发 出的电能稳定安全地馈送到电网 图2双闭环控制框图 Fig.2 Double closed loop contorl block diagram 逆变器的输出控制方式主要有2种:间接电 流控制和直接电流控制。间接电流控制方式不引 入交流电流反馈.而是通过控制逆变器的输出电 压来实现对并网电流的控制:直接电流控制方式 则是通过引入交流电流反馈,I与交流电流的指 令值 进行比较运算,然后控制逆变器使其输出 张纪杰.等:小型风力发电并网逆变系统的研究 电气传动2013年 第43卷第7期 电流跟踪电流指令值 直接电流控制方式的电流 响应比间接电流控制动态响应快.不存在瞬时直 流电流偏移问题.并且控制相对简单.因此应用 最为广泛[8]。本文便采用直接电流控制模式 并网逆变器系统要求其馈人电网的电流能 够快速跟踪参考电流的瞬时变化.这是电流内环 的设计关键.也是整个控制系统设计的重点 值跳跃的现象 所谓不对称规则采样.是指既在三角波的顶 点位置对正弦波采样又在谷点位置对正弦波进 行采样的方法,这样所得到的脉宽,在一个三角 波周期内的位置是不对称的。在这里。采样周期 是三角波周期Tt的1/2,即 T,/2。 由相似三角形原理可推导出采样脉宽时间: 电流环的输出为正弦波信号.它作为调制波 与三角载波进行比较.产生SPWM控制脉冲驱动 tonl=争×[I+MX sin(to,t1)] 二 IPM功率开关管.产生与电网同频率同相位的等 效正弦波电流_9].再经电感滤波后得到纯正的正 弦并网电流 2.2.3 SPWM算法的实现原理 用软件方式实现SPWM的算法通常使用[-o] 自然采样法。规则采样法(对称规则采样法.不对 称规则采样法)等。但在实际应用中,为减少系统 的谐波分量.多采用不对称规则采样法.其原理 图及流程图如图3、图4所示。 / X-- ——- 一 , ,/_ \\  / - / \ /  ./, ,』L ‘l ÷一f一 图3不对称规则采样原理图 Fig.3 Asymmetric regular sampling schematics 图4不对称规则采样流程图 Fig.4 Asymmetric regular sampling lfow 实践证明,不对称规则采样法所产生的等效 正弦波比对称规则采样法产生的等效正弦波谐 波含量更低,特别是当载波比Ⅳ为3或3的倍数 时,前者的输出中不存在偶次谐波分量.其它高 次谐振波分量的幅值也较小 特别是在逐渐增大 调制率,使脉宽调制向输出方波过渡时.采用不 对称规则采样,不会像自然采样那样产生基波幅 ton2= I s×[1+ ×sin(to ̄t2)] 式中: 为调制度,M=U./U ̄,Us为正弦调制波最 大幅值, 为三角载波幅值; 为采样周期;tO。为 正弦调制波角频率,∞ =2 。 由于在每个载波周期中采样2次.并设载波 比N=f ̄/f. 为三角载波频率 为正弦调制波频 率),则有: tl=2"rrf ̄×K1× l二  a 11T×手 1‘,。 1T/Ⅳ K1=0,2,4,…,2Ⅳ_2 h=2"rrf ̄XK1x争=K2,rrX争=K2"rr/N K2=1,3,5,…,2Ⅳ-1 因此tanl= ×[1+ ×sin(K1IvlN)] te ̄2= ×[1埘×sin(Kz'rr/N)] = 0Il∞l+ 0n2 3 系统硬件电路和控制框图 3.1系统硬件电路 电流采样电路如图5所示.电流互感器采 用LTS15一NP,输入电流范围O~7.5 A,对应输出 (2.5+0.625)V,当输出电流为7.5 A时。输出电压 最大值为3.125 V。输出电流经过电流互感器后输 GI 图5电流检测硬件电路 Fig.5 Current detection hardware circuit 37 电气传动2013年 第43卷 第7期 张纪杰。等:小型风力发电并网逆变系统的研究 出交流电流信号.当输出电流大于上限值,经过 过零基准信号;另一路是输出电网电压实际值信号。 比较电路输出故障信号,用于保障系统工作安全。 电网电压经过图6电路后得到的过零信号 电网同步电路由电网电压过零检测电路构 和电压实际值波形如图7所示.图7中的方波即 成 该电路将经电压互感器隔离转换后的电网电 电网电压过零信号,正弦波为电压实际值。电网 压信号.变换成与电网电压同频同相位的方波信 电压正弦波信号经过零检测电路后变成了rrI’L 号.再通过光耦隔离送入DSP的捕获单元,为输 信号.实现了与DSP的电平对接。 出电流提供标准正弦信号过零基准 该信号同时 用于计算基波电压频率及采样频率 同步过零检 测电路如图6所示。 图7 电网电压过零检测输出信号 Fig.7 Grid voltage Zero crossing detector output signal 3.2控制流程图 并网逆变器系统对控制的实时性要求较高. 图6过零信号检测硬件电路 因此.将系统软件设计成由主程序和中断服务子 Fig.6 Zero—crossing signal detection hardware circuit 程序构成的结构。主程序及中断程序流程图如图 图6电路中有两路输出:一路是输出电网电压 8所示 图8主程序及中断程序流程图 Fig.8 Main program and interrupt program lfow chart 主程序中放置的是对于时间要求不高的部 足中断触发条件,该部分程序将立即得到执行, 分程序.它们按条件顺序循环执行。中断服务程 从而保证了并网控制的实时性和高效性。 序中放置对实时性要求较高的部分,这样一旦满 主程序主要完成特殊寄存器以及外部事 38 张纪杰.等:小型风力发电并网逆变系统的研究 件管理.并循环检测系统状态,实现系统开机 检测 而中断服务程序只有在外设中断源产生 中断时才运行,主要包括 周期中断子程序、 下溢中断子程序、AD中断和捕获中断子 程序。 下溢中断子程序的任务是启动AD转换; AD中断子程序的任务主要是根据A/D转换结 果计算下一采样周期参考电流信号值:T1周期中 断子程序的任务是完成下一采样周期脉冲宽度 的计算和比较寄存器的赋值:捕获中断子程序的 主要任务是实现参考电流信号对电网电压频率 和相位的跟踪 4 系统实验测试结果 在实验系统的软硬件研制完成后.经过闭环 调试.得到了并网运行的输出电流和电网电压的 波形,如图9所示。 图9系统并网运行电网电压输出电流波形 Fig.9 System d—conneected operation d voltage output current waveforms 从实验结果可以看出.输出电流能够较好地 跟踪电网电压.输出电流波形平滑.并网运行时 的输出波形符合要求 本设计采用适合小型风力发电系统的带 Boost变换器的两级式电压型并网逆变器 目前 小型风力发电并网逆变器大多采用单电流环控 制的方法.该方法不能使前后两个功率级在控制 上解耦。针对该方法的不足,本设计采用适合小 型风力发电系统的电压电流双闭环控制 本文采用电压电流双闭环控制策略.实现前 后两个功率级控制上解耦:前级实现对风能的最 大功率跟踪.后级实现并网逆变。该控制策略应 用于小型风力发电系统.可以极大提高风能利用 率。提高对低风速风能的利用效率.对推广小型 风力发电系统。充分利用可再生清洁能源具有重 电气传动2013年 第43卷第7期 要的现实意义。 5 结论 本文设计了一种基于DSP控制的小型风力 发电机单相并网逆变器。采用带Boost升压的电 压型单相全桥逆变器电路.电流控制的方式设 计。引入固定载波频率的SPWM调制模式、强迫 电流跟踪控制等技术.完美地使逆变器输出了与 电网电压同频同相的并网电流.实现对低风速风 能类可再生能源以高功率因数回馈电网的设计 目标。系统并网运行实验结果表明:该系统输出 的交流电流功率因数高.输出电流波形平滑,符 合系统设计要求.实现了响应速度快、功率因 数高及控制方便的目标.为系统安全并网提供 了保障 参考文献 [1]许颇,张兴,张崇巍,等.基于BOOST变换器的小型风力机并网 逆变控制系统设计[J].太阳能学报,2007,28(3):274— 279. 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