風(fēng)力發(fā)電中逆變系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

李愛欽，王海濤

（青島恒星科技學(xué)院，山東青島，266100）

0 引言

逆變流器的逆變換，逆變器是一種把直流電轉(zhuǎn)化成交流電的裝置?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的還是全橋逆變電路和半橋逆變電路，全橋逆變電路是由四個(gè)驅(qū)動(dòng)管在正弦波的固定波段周期性循環(huán)工作的逆變電路。研究大功率高性能逆變器對我國能源利用和工業(yè)節(jié)能具有重要意義。在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，逆變將DC電調(diào)制成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的AC電直接供給負(fù)載，或安全并聯(lián)到交流電網(wǎng)。考慮到它的應(yīng)用范圍不但有城市，還有郊區(qū)和農(nóng)村地區(qū)，所以它需要有比較高的穩(wěn)定性。對逆變器的要求更高。當(dāng)前由于現(xiàn)有技術(shù)不足，研究成本較高。所以高效率、低噪音、和適中的價(jià)格的逆變電路具有非常重要的意義。

1 逆變系統(tǒng)組成

■1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

風(fēng)力逆變器重點(diǎn)是由以下幾個(gè)模塊組成的：輸入電路、輸出電路、電源模塊（輔助電源）、控制電路、保護(hù)電路（電壓電流采樣模塊）和逆變電路。如圖1所示。

圖1 逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖參數(shù)設(shè)置模塊

逆變主電路輸入由風(fēng)機(jī)整流降壓提供。控制電路的功能是根據(jù)需要產(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列控制脈沖以控制逆變器開關(guān)管的接通和斷開，從而完成逆變器主電路的逆變功能[1]。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變器電路同樣非常重要。采樣電路的功能是為了穩(wěn)定輸出電壓。另有保護(hù)電路起到限流和過熱保護(hù)的功能。

■1.2 逆變主電路設(shè)計(jì)

圖2是風(fēng)力發(fā)電逆變并網(wǎng)變流器的主電路結(jié)構(gòu)圖。該電路把風(fēng)電機(jī)組輸出的直流電能通過三相半橋逆變電路轉(zhuǎn)換成工頻50 Hz的交流電能饋入450 V三相交流電網(wǎng)。

圖2 逆變電路框圖塊

2 逆變原理

逆變是整流的逆過程，整流裝置在滿足一定條件下可以作為逆變裝置應(yīng)用。即同一套電路，既可以工作在整流狀態(tài)，也可以工作在逆變狀態(tài)， 這樣的電路統(tǒng)稱為變流裝置。變流裝置如果工作在逆變狀態(tài)，其交流側(cè)接在交流電網(wǎng)上，電網(wǎng)成為負(fù)載， 在運(yùn)行中將直流電能變換為交流電能并回送到電網(wǎng)中去， 這樣的逆變稱為“有源逆變”。 風(fēng)力發(fā)電逆變系統(tǒng)是把風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的直流電變換成交流電并入電網(wǎng)，所以是有源逆變。

■2.1 有源逆變電路的工作原理

對于單相全控整流橋，當(dāng)控制角α在0～π/2之間的某個(gè)對應(yīng)角度觸發(fā)晶閘管時(shí)，工作在整流狀態(tài)，當(dāng)π/2＜α＜π時(shí)，工作在逆變狀態(tài)。例如在卷揚(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物放下時(shí)，由于重力對重物的作用， 必將牽動(dòng)電機(jī)使之向與重物上升相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢ED的極性也將與提升時(shí)反相。這時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，對外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流電網(wǎng)去，此時(shí)的電路進(jìn)入到有源逆變工作狀態(tài)。如圖3所示。

圖3 有源逆變電路

■2.2 三相橋式逆變電路的工作原理

三相橋式逆變電路如圖4所示，工作原理如圖5所示。一個(gè)周期中的輸出電壓由6個(gè)形狀相同的波頭組成，其形狀隨β的不同而不同。該電路要求6個(gè)脈沖，兩脈沖之間的間隔為π/3， 分別按照1， 2， 3， …， 6的順序依次發(fā)出，其脈沖寬度應(yīng)大于π/3或者采用“雙窄脈沖”輸出。

圖4 三相有源逆變電

圖5 三相有源逆變電路工作原理

■2.3 控制電路設(shè)計(jì)

采用AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)控制逆變電路中的可控元件的通斷，以達(dá)到逆變效果?？刂齐娐钒▎纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)電路、時(shí)鐘振蕩電路復(fù)位電路、按鍵電路及電源電路等。在本文里不做詳述。

3 逆變系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

本文仿真選用的軟件是MATLAB中的一種可視化仿真工具simulink，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，在simulink中能夠提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。

■3.1 控制模塊分析

在進(jìn)行控制電路建模時(shí)，最重要的就是它的控制/測量轉(zhuǎn)換模塊用來執(zhí)行從三相（abc）信號到dq0旋轉(zhuǎn)參考幀或反向的轉(zhuǎn)換，其變換旋轉(zhuǎn)框架如圖6所示。

圖6 變換旋轉(zhuǎn)框架

該塊支持Park變換中使用的兩個(gè)約定：

(1)旋轉(zhuǎn)框架在t=0時(shí)與A軸對齊，即在t=0時(shí)，d軸與a軸對齊。這種類型的Park變換也稱為基于余弦的Park變換。

(2)旋轉(zhuǎn)框架在A軸后面90度對齊，即在t=0時(shí)，q軸與a軸對齊。這種類型的Park變換也稱為基于正弦的Park變換。在Simscap Power System三相同步和異步電機(jī)模型中使用它。

通過在固定參考系中執(zhí)行abc到αβ0Clarke變換，從abc信號中減去dq0分量。然后在旋轉(zhuǎn)參考系中執(zhí)行αβ0到dq0變換，即，對空間矢量Us=uα+j·uβ的ω.t旋轉(zhuǎn)。abc-to-dq0變換取決于t=0時(shí)的dq幀對齊。旋轉(zhuǎn)幀的位置由ω.t給出（其中ω表示dq幀旋轉(zhuǎn)速度t為時(shí)間）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)框架與A軸對齊時(shí)，獲得以下關(guān)系，從而測量出相應(yīng)的電壓。

■3.2 參數(shù)設(shè)置模塊建模

經(jīng)過對單片機(jī)執(zhí)行程序分析建立出模型如果模擬時(shí)間小于步時(shí)間參數(shù)值，則塊的輸出為初始值參數(shù)值。對于大于或等于步進(jìn)時(shí)間的模擬時(shí)間，輸出為最終值參數(shù)值。下面則是從多維信號中選擇輸入元素，根據(jù)為“輸入維度數(shù)”參數(shù)輸入的值，將顯示索引設(shè)置表，可以使用“索引選項(xiàng)”參數(shù)為每個(gè)維度選擇索引方法。這次設(shè)置的參考步長一秒，在0.4秒的時(shí)候改變輸入。之后通過拉普拉斯域變量s的傳遞函數(shù)對線性系統(tǒng)建模由此傳遞到之前的控制模塊[2]。

■3.3 逆變模塊建模

由AT89C51單片機(jī)控制的逆變系統(tǒng)在進(jìn)行仿真研究時(shí)，為了直觀方便給它后面做一個(gè)并網(wǎng)同時(shí)進(jìn)行一下測量。逆變模塊最左邊便相當(dāng)于電路的半橋逆變部分，其g口的接入便是由單片機(jī)建模后控制的，之后是三相的電壓電流測量模塊對其進(jìn)行瞬時(shí)采樣，當(dāng)與三相元件串聯(lián)連接時(shí)，它返回三個(gè)相對地或相間峰值電壓和電流。該塊可以以每單位（pu）值或以V和A為單位輸出電壓和電流。如果選擇測量每單位的相對地電壓，則該模塊會(huì)根據(jù)標(biāo)稱相對地電壓的峰值轉(zhuǎn)換測量電壓如下公式。

如果選擇測量每單位的相間電壓，則模塊會(huì)根據(jù)標(biāo)稱相間電壓的峰值轉(zhuǎn)換測量電壓如下公式。

如果您選擇測量每單位的電流，則該塊會(huì)根據(jù)額定電流的峰值轉(zhuǎn)換測量的電流：如下公式。

注：Vnom和P基礎(chǔ)在三相電壓電流測量塊對話框中指定。

4 仿真結(jié)果分析

在對電路在MATLAB的simulink模塊建模后，對逆變電路并網(wǎng)并采樣進(jìn)行測量。對母線電壓和電流進(jìn)行采樣，接入示波器。以在模擬過程中顯示所選的測量值。示波器顯示的波形中，看到從開始電流增大之后維持在50A左右，電壓減小維持在415V左右之后在0.4s的時(shí)候風(fēng)力增大，可以看到電流是隨之增大的，而母線電壓則減小[3]。

5 總結(jié)

本文以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變電路為目標(biāo)，從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、控制方法以及仿真結(jié)果總結(jié)這幾個(gè)方面對逆變系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。重點(diǎn)介紹了逆變電路的原理及仿真，從仿真結(jié)果來看，電路工作穩(wěn)定，輸出電壓波形平滑，抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的正弦度。