直驅式風電系統中Boost電路的研究和仿真分析

河南理工大學電氣學院 上官璇峰 楊慧敏

1.引言

風能作為可再生能源，前景十分看好[1-3]，而大型，高容量的風力發(fā)電系統的建設也勢在必行[4]。風能經過發(fā)電機之后需要經過整流器進行整流，整流器是較早應用的一種AC/DC變換裝置[5]，當風速比較低的情況下，整流之后的電壓幅值波動比較大，這時能量無法回饋到電網中，在風電系統中為了解決以上提到的問題可以在整流之后加上一個Boost電路。Boost電路可以適用于較寬的調速范圍。同時，Boost電路還能調節(jié)整流電路輸入端的電流波形，用以改善電路的功率因數和諧波失真[6]。但是隨著發(fā)電系統功率的不斷增加，單重的Boost電路的開關器件必然要承受更高的瞬時電壓和電流[7]，如果要更換電路中的器件必將面臨著高成本、器件選擇困難等問題，而且還將增大電路的和[8]，勢必會造成嚴重的輻射和電磁干擾。因此為了滿足發(fā)電系統的需要，本文采用了多支路Boost電路并聯的方案，這種電路能夠降低輸入的電流紋波和電磁干擾，而且還能夠降低功率器件在耐壓和耐流能力方面的要求。

在風電系統并網變流器中，逆變部分控制策略目前研究較多也較成熟[9]，因此本文主要研究變流器中的Boost電路。國內在這個領域的研究[10]一般用三相交流電源來代替風力發(fā)電機而沒有結合風力發(fā)電機的實際模型進行研究，而本文就在前人的基礎之上建立了風機模型，并把把直驅式風力發(fā)電系統與boost電路結合起來進行系統的仿真研究。

2.boost控制系統

Boost主電路采用三重升壓斬波電路并聯共接一個阻感負載的形式，每一個斬波電路都采用電流電壓雙閉環(huán)控制系統，其控制系統圖如圖1所示。在圖1中，boost電路控制系統采用雙閉環(huán)控制；外環(huán)是Boost電路輸出的電壓環(huán)，內環(huán)為升壓電抗器上通過的電流環(huán)。當升壓斬波電路輸出的電壓值小于預先設定的指令電壓時，則輸出偏差為正，第一個PI調節(jié)器的輸出將增加，然后經過限幅器限幅之后，作為流經升壓電抗器上的電流指令值。設流經升壓電抗器上的電流大小不變，那么偏差為正，則第二個PI調節(jié)器上的輸出值也將不斷的增加，最后再經過限幅器限幅并與三角載波相比較，就得到了導通比在不斷增加的PWM脈沖信號；當IGBT上的導通比不斷增加時，流經升壓斬波電抗器的電流值也將緊跟導通比而迅速增加，這樣就會使內環(huán)上的動態(tài)偏差為零。所以最后導通比只跟斬波輸出的電壓值有關。隨著導通比的不斷增加，輸出電壓也將會隨著導通比不斷增加，最后輸出電壓環(huán)上的偏差也將會越來越小直到為零，最終兩個PI調節(jié)器上的輸出都趨于一個動態(tài)的定值。這時系統就進入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖1 boost電路控制系統

3.boost主電路

在升壓斬波主電路中采用三個升壓斬波電路并聯的形式，每一個斬波電路都有其獨立的控制系統。在Boost主電路之后又加上了一個電壓鉗位電路，主要作用是為了防止IGBT開關器件因輸出的直流母線電壓過高而造成損壞。其工作原理為：當直流母線電壓小于控制電路中設置的安全電壓時，電壓鉗位電路上的IGBT不會導通，能耗電阻上也不會有電流通過，支路不起任何作用。然而當直流母線電壓大于設定的安全電壓時，電壓鉗位電路上的IGBT導通，此時能耗電阻上就會有較大的電流流過，消耗大部分的能量，這樣就使直流母線上的電壓降到安全值以下。

在matlab/simulink中畫出boost的主電路圖，如圖2所示。在圖2中，前半分為永磁同步發(fā)電機模型，中間為整流電路后半部分為直流斬波電路。整流電路輸出的不穩(wěn)定的直流電作為boost電路的輸入。圖2中主電路IGBT控制信號和限壓支路IGBT控制信號封裝成一個獨立的模塊，這樣可以簡化電路，使電路簡潔美觀。

圖2 boost主電路圖

參照文獻[11、12]計算和通過反復仿真調試得出boost電路中的參數如下：限壓支路上電阻R=0.3Ω，C1=0.00075F，C2=0.1F,L1=L2=L3=0.01H，負載RL中R=1Ω，L=0.001H。在主電路IGBT控制信號中，設定給定電壓指令為1150V，三角波的頻率設為250Hz。在限壓電路IGBT控制信號中給定限壓信號設為1050V。

4.仿真分析

在matlab/simulink環(huán)境下搭建仿真模型。調整風速使發(fā)電機發(fā)出的三相電壓幅值為 550V，這時系統仿真結果如圖3、4所示。

圖3 整流之后的輸出電壓波形

圖4 帶限壓支路的boost電路輸出電壓形

發(fā)電機輸出的三相交流電經過整流之后輸出的電壓波形如圖3所示，從圖3中可以看出輸出電壓變成了直流電，但是幅值卻在800～900V之間不斷變化，很不穩(wěn)定。圖4為經過boost電路之后輸出的電壓波形。從圖4中可以看出電壓在0.03S之后逐漸穩(wěn)定在1000V左右，波動很小，波形基本呈一直線，并且經過boost電路之后電壓有所增加，由原來的850V左右上升到了1000V。由這兩組圖形可以看出這種boost電路基本能滿足直驅式風力發(fā)電的要求，能夠連續(xù)穩(wěn)定的輸出逆變器所需要的直流電。如果把boost電路中的限壓電路去掉那么輸出波形就變成了圖5所示的波形。

圖5 不加限壓支路的輸出電壓波形

圖6為加上限壓支路后主電路上IGBT管的電流波形。在圖6中，0.01S～0.08S之間電流為零，這說明主電路上的IGBT管沒有導通，而這個時間段內限壓支路上的IGBT處于通態(tài)，限壓支路正在發(fā)揮限壓作用，此時限壓之路上能耗電阻上的電流波形如圖7所示。當電壓回歸于給定限壓信號之下時也就是在0.08S之后主電路上IGBT又恢復工作。

圖6 主電路IGBT電流波形

圖7 限壓支路能耗電阻上電

5.結束語

本文研究了一種適用于大型并網型直驅式風力發(fā)電系統的boost電路，并對原有的斬波電路進行了改進。該電路有效的解決了風力發(fā)電機發(fā)出的三相交流電經過整流之后輸出電壓低、幅值波動比較大的問題，還具有輸出電壓穩(wěn)定，提升電壓，過壓時保持輸出電壓恒定，及時保護主電路中IGBT免受高壓沖擊的優(yōu)點。本文還在matlab/simulink環(huán)境下建立了風機模型并與boost電路相結合進行了仿真分析，仿真結果能較好的滿足風力發(fā)電系統的要求。

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