小型離網(wǎng)式正弦波風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高素玲，張庭亮，楊軍平

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

小型離網(wǎng)式正弦波風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高素玲，張庭亮，楊軍平

(安陽工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，河南 安陽 455000)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與其它的可再生能源發(fā)電技術(shù)相比有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此有其獨(dú)特的消費(fèi)群，擁有很大的潛力和輝煌的未來。分析了正弦波風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及原理，設(shè)計(jì)了以PIC單片機(jī)為核心的小型單相正弦波風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)，重點(diǎn)對控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。通過Matlab仿真分析,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性,該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，其穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能良好。

風(fēng)力發(fā)電；自舉電路；全橋逆變；脈寬調(diào)制

0 引 言

目前，隨著各國對清潔能源產(chǎn)業(yè)的重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。國際上許多大的投資公司和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造企業(yè)正在對大型風(fēng)電設(shè)備進(jìn)行投資和技術(shù)研發(fā)。世界上已運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)最大容量已達(dá)5 MW，且單機(jī)容量還在不斷地提高。但大容量的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電集中供電也受到很多不利因素限制，如風(fēng)機(jī)安裝地要求風(fēng)速高、資金投入大、電網(wǎng)輸送問題、風(fēng)機(jī)安裝不方便、電力調(diào)度控制困難等。而與大型風(fēng)力發(fā)電方式相比，中小型風(fēng)力發(fā)電在這方面有一定的優(yōu)越性。對風(fēng)速要求較低，平均風(fēng)速達(dá)到4 m/s(測風(fēng)高度10 m)即可；占地面積小，路邊、房屋都能安裝；機(jī)組部件少，運(yùn)輸、安裝都很方便。因而中小型風(fēng)力發(fā)電逐漸受到人們的重視，其市場和應(yīng)用前景廣闊。開展中小型風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)的研究，對風(fēng)能的開發(fā)利用、相關(guān)技術(shù)水平的提升、能源的優(yōu)化配置和環(huán)境污染問題的解決，具有重大意義[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由IR2110自舉升壓(驅(qū)動(dòng)電路)、單相全橋逆變、欠壓、過流、過載檢測以及PIC18F2331單片機(jī)核心控制單元等幾部分構(gòu)成。利用IR2110自舉升壓為逆變橋MOSFET供電，可節(jié)省兩個(gè)電源。PIC18F2331單片機(jī)輸出互補(bǔ)的方波和SPWM波以控制逆變橋中功率管MOSFET開通和關(guān)斷，產(chǎn)生所需SPWM波形[2]，再通過LC濾波系統(tǒng)，得到正弦波。系統(tǒng)采用閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，利用PIC18F2331單片機(jī)軟件控制PI調(diào)節(jié)得到所需要的正弦波幅值，并檢測電壓電流是否超過系統(tǒng)允許的范圍。系統(tǒng)總體方案框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System overall structure block diagram

2 系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)為獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。一套獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、耗能負(fù)載、整流器、控制器、蓄電池、逆變器和負(fù)載等組成[3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出交流電，通過整流變?yōu)橹绷麟?，?jīng)控制器的控制，將直流電儲(chǔ)存在蓄電池中。通過單片機(jī)控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷發(fā)出PWM波，變?yōu)榻涣麟?，通過LC濾波，輸出所需要的正弦交流電?？刂破鞒丝刂骑L(fēng)力發(fā)電機(jī)對蓄電池的充電外，還包括對蓄電池向負(fù)載放電的管理。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of system working principle

任何電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)都以電壓為給定量，輸出電壓實(shí)時(shí)跟隨給定值變化。一般來說，電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)可以是單閉環(huán)系統(tǒng)，也可以是雙閉環(huán)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制采用的是電壓單閉環(huán)系統(tǒng)。

電壓調(diào)節(jié)器的作用是對給定電壓與反饋電壓值差按一定規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算，并通過運(yùn)算結(jié)果對輸出電壓進(jìn)行控制。在電壓的閉環(huán)控制中，電壓調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器。常規(guī)的模擬PI控制系統(tǒng)原理框圖見圖3。該系統(tǒng)由模擬PI調(diào)節(jié)器和被控對象組成。圖3中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差e(t)。

(1)

e(t)作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，u(t)作為PI調(diào)節(jié)器的輸出和被控對象的輸入。模擬PI控制器的控制規(guī)律為：

(2)

式中KP為比例系數(shù)；TI為積分常數(shù)。

圖3 模擬PI控制原理圖Fig.3 Simulation PI control diagram

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制是用計(jì)算機(jī)軟件來實(shí)現(xiàn)的，因此它的靈活性很大，一些原來模擬PID控制器中無法實(shí)現(xiàn)的問題，在引入計(jì)算機(jī)后，只要通過軟件處理就可解決。本系統(tǒng)中使用的是數(shù)字PI調(diào)節(jié)器，用程序取代PI模擬電路，用軟件取代硬件。

將式(2)離散化處理就可得到數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的算法：

(3)

或：

(4)

式中k為采樣序號(hào)，k=0，1，2，…；uk為第k次采樣時(shí)刻的輸出值；ek為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；KI為積分系數(shù)，KI=KP/TI；u0為開始進(jìn)行PI控制時(shí)的原始初值。

為了消除積分飽和帶來的不利影響，可使用防積分飽和PI調(diào)節(jié)器，見圖4，算法見式(5)。

圖4 防積分飽和PI調(diào)節(jié)器Fig.4 Anti integral saturation and PI regulator

(5)

式中K1=KPT/T1；積分飽和修正系數(shù)KC=K1/

KP=T/T1。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PIC核心控制單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以PIC18F2331單片機(jī)為核心控制單元。利用PIC單片機(jī)的軟件編程實(shí)現(xiàn)SPWM波的輸出，A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換，PID反饋調(diào)節(jié)等功能。PIC18F2331單片機(jī)為28引腳封裝，其除去4個(gè)電源引腳外，其余引腳均為復(fù)用引腳，因此在使用時(shí)，應(yīng)使用軟件對其復(fù)用功能進(jìn)行編程，屏蔽其它功能，保證單片機(jī)的正確運(yùn)行[4]。本系統(tǒng)核心控制單元PIC18F2331單片機(jī)的電路接線圖見圖5。

圖5 系統(tǒng)核心控制單元Fig.5 System core control unit

3.2 反饋單元設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中由于風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能不穩(wěn)定，要求蓄電池儲(chǔ)能的電壓控制在80～120 V，超過此范圍時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生A/D中斷，禁止發(fā)PWM波[5]。反饋環(huán)節(jié)原理圖見圖6。Ud即為蓄電池儲(chǔ)能，將蓄電池中的直流電壓通過逆變后，經(jīng)升壓變壓器輸出220 V交流電，交流220 V經(jīng)降壓變壓器變?yōu)榻涣?7 V，通過整流后輸出直流電壓，經(jīng)過電阻分壓以及穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓使其得到穩(wěn)定的5 V電壓信號(hào)，從而送入單片機(jī)的RA3口的A/D轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，通過單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)控制開關(guān)管的通斷。即當(dāng)直流側(cè)的電壓升高時(shí)，經(jīng)過上述一系列電能的變換，單片機(jī)發(fā)出的PWM控制信號(hào)控制開關(guān)管的通斷時(shí)間，從而降低逆變輸出電壓，使負(fù)載側(cè)電壓穩(wěn)定在220 V。

3.3 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變系統(tǒng)的核心是完成逆變功能的逆變電路，此外逆變系統(tǒng)還需要產(chǎn)生和調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)脈沖的電路即控制電路，還要有保護(hù)電路、輔助電源電路、輸入電路和輸出電路等。這些電路構(gòu)成了逆變系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)[6-7]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖7。

逆變電路的工作原理見圖8。單相正弦逆變電路主要由開關(guān)器件構(gòu)成的逆變橋和LC輸出濾波器組成。當(dāng)開關(guān)管VT2和VT3導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為

圖6 PWM控制信號(hào)的反饋環(huán)節(jié)Fig.6 Feedback link of PWM control signal

圖7 逆變控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.7 Basic structure of inverter control system

圖8 單相逆變電路圖Fig.8 Single-phase inverter circuit diagram

正，其幅值為Ud；當(dāng)開關(guān)管VT1和VT3導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為負(fù)，其幅值也為Ud，這樣通過對開關(guān)管通斷控制，逆變電路輸出正負(fù)交替的交流電壓。

要VT1、VT2不同時(shí)導(dǎo)通，因此要保證上下兩管發(fā)互補(bǔ)方波，VT3、VT4發(fā)互補(bǔ)的PWM波，為防止同一橋臂上的兩個(gè)功率開關(guān)管同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)而出現(xiàn)短路，要加入死區(qū)電路，即同一橋臂的開關(guān)管關(guān)斷延遲幾微秒后，另一管才導(dǎo)通，此時(shí)需要由二極管D1～D4進(jìn)行續(xù)流。逆變后的輸出電壓要經(jīng)過濾波器濾波，濾除高頻分量，從而形成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓。

3.4 LC濾波電路設(shè)計(jì)

在PWM逆變電路輸出經(jīng)升壓后的電壓有很多諧波成分，需要用LC濾波電路濾除諧波。而LC濾波的截止頻率一般為基波頻率的10～15倍[8]。

圖9 濾波電路Fig.9 Filter circuit

3.5 保護(hù)單元設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)離不開完善的保護(hù)措施，保護(hù)電路主要有直流側(cè)過壓保護(hù)、直流側(cè)欠壓保護(hù)、過載保護(hù)、短路保護(hù)等。過流保護(hù)電路見圖10。

圖10 過流保護(hù)電路Fig.10 Overcurrent protection circuit

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序開始前首先關(guān)閉中斷，同時(shí)對A/D、PWM等功能模塊和變量進(jìn)行初始化，對程序中所涉及到的變量進(jìn)行定義，之后打開中斷，開始循環(huán)等待中斷事件的發(fā)生。

4.2 PI調(diào)節(jié)子程序

計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多采樣數(shù)字控制系統(tǒng)。進(jìn)入計(jì)算機(jī)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過采樣和量化后變成數(shù)字量，方能進(jìn)入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器和寄存器。程序中利用給定值來判斷是否含有偏差，從而更新狀態(tài)變量，求取偏差值，根據(jù)所得偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，更改占空比寄存器。PI調(diào)節(jié)程序框圖見圖11。

4.3 A/D轉(zhuǎn)化及故障保護(hù)子程序

程序中利用TIMER5定時(shí)器啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果右對齊。PIC18F2331單片機(jī)將電壓或電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)加以檢測是否過流、欠壓或過載。然后通過PI調(diào)節(jié)使電流電壓穩(wěn)定在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)，從而達(dá)到故障保護(hù)的目的，并在

故障發(fā)生時(shí)有指示燈的提示[9]。A/D轉(zhuǎn)換與故障調(diào)節(jié)程序流程見圖12。

圖11 PI調(diào)節(jié)子程序框圖Fig.11 PI regulation subroutine block diagram

圖12 A/D轉(zhuǎn)換與故障保護(hù)程序流程圖Fig.12 A/D conversion and fault protection program flow chart

5 系統(tǒng)仿真

在風(fēng)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完之后，對系統(tǒng)的部分原理圖進(jìn)行了軟件仿真。其原理見圖13。

圖13 帶PI調(diào)節(jié)的PWM逆變電路仿真原理圖Fig.13 Simulation principle diagram of PWM inverter circuit with PI

直流電源U=85 V；R=10Ω；L=6.2 mH;C=10 μF；給定正弦波幅值為80 V。

直流信號(hào)經(jīng)逆變電路輸出的SPWM波形和經(jīng)過LC濾波后的正弦波仿真結(jié)果見圖14。

圖14 直流側(cè)逆變后濾波前后的仿真波形Fig.14 Simulation waveform of DC side inverter before and after filtering

由圖14可見，SPWM波經(jīng)濾波后生成平穩(wěn)的正弦波，從波形可見濾波器濾波效果良好。經(jīng)測試證明當(dāng)輸入直流電壓85～120 V時(shí)電路輸出電壓仍然非常平穩(wěn)并運(yùn)行正常，說明在程序中PI調(diào)節(jié)發(fā)揮了作用，電路閉環(huán)控制效果良好，達(dá)到了預(yù)期目的。

6 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)在對系統(tǒng)工作原理進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。硬件部分由PIC核心控制單元、反饋單元、逆變單元、基于自舉技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路、電源電路及保護(hù)電路等組成；控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序，PI調(diào)節(jié)子程序，A/D轉(zhuǎn)換模塊及故障保護(hù)子程序設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行了Matlab仿真，結(jié)果表明，此系統(tǒng)安全可靠，性能良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Design of small off-grid type sine wave control system of wind power

GAO Su-Ling, ZHANG Ting-Liang,YANG Jun-Ping

(Electronic Information and Electrical Engineering College, Anyang Institute of Technology,Anyang 455000,Henan,China)

Wind power technology has its unique advantages compared with other renewable energy power generation technology, so has its own unique consumer group,own great potential and glorious future. The structure and principle of sine wave wind power control system are analyzed, a small single phase sine wave wind power control system based on PIC microcontroller is designed,and the control system is optimized.The feasibility of the system is verified by Matlab simulation, the system run reliably, and its steady-state performance and dynamic performance is good.

wind power; bootstrap circuit; full-bridge inverter; pulse width modulation

10.13524/j.2095-008x.2015.04.066

2015-09-16;

2015-10-12

安陽工學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目(QJJ2014018)

高素玲(1983-)，女，河南滑縣人，講師，碩士，研究方向：風(fēng)力發(fā)電、電子電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真，E-mail:gaosuling163@163.com。

TP273

A

2095-008X(2015)04-0062-06