直驱风电系统直/直变换电路的设计与控制

2013-07-05陈荣

电源技术 2013年2期

陈荣

（盐城工学院，江苏盐城 224051）

在全球积极推进风能、太阳能等可再生能源的开发利用过程中，直驱风力发电系统脱颖而出，成为当今风力发电系统的研究热点。相对于化石能源，风能可再生、资源分布广，适宜就地、零散地开发利用。但风能随环境条件而变化，随机性大，将风能馈入电网需要附加较多的功率变换与控制环节，方可使电能满足并网条件。并且，由于风能的随机性，大功率风电并网往往会影响所联电网的稳定运行。因此，直驱风电系统并网变流器的设计与运行控制是风能获得大规模应用的关键[1-4]。

在直驱风力发电系统中，风力机直接与多极永磁同步发电机偶合，风力机驱动发电机发出频率、幅值随风速变化的交流电，经三相不控整流变成幅值变化的直流电，再通过逆变器变换成与电网同频同压的交流电，将风能馈入电网。但逆变器正常工作的电压范围有限，电压低了，不能将电能馈入电网；电压高了，逆变器不能承受，或者为了承受最高电压，其电压等级配置很高，成本加大，因此，必须对逆变器的输入电压进行调整。当风速较低时，直流环节的电压较低，系统需要在逆变器前配置Boost电路将直流电压提升[5-8]；当风速很高时，直流环节的电压较高，不利于逆变器安全运行，需要将直流电压降低。当然，在有偏航或者变浆距控制的系统中，当风速超过额定速度时，通过偏航或变浆距可使发电机获得的风能降低，直流环节电压可以得到控制。若直驱风电系统没有这些控制环节，随着风速的增加，风力机获得的能量增大，直流环节电压增高，这将危及逆变器的安全。为此，配置降压变换电路针对无偏航或无变浆距风电系统是必须的，通过配置升/降压变换电路，可以使风力发电系统在很宽的风速范围内运行[9-11]。本文将讨论直驱风力发电系统直/直变换电路的设置与控制。

1 升降压变换电路的设置及工作原理

由于需要处理的电功率较大，可以实现大功率电能转换的单级直流变换电路不多，在直驱风力发电系统中实现电压提升的电路均采用Boost升压变换电路，而此时系统需要在电压过高的情况下实施降压，则可以采取将升压变换电路和降压变换电路进行组合，构成能够实现大功率电能转换的升/降压变换电路，电路如图1(a)所示。图1(a)中，T1、D1、L构成降压变换电路，T2、D2、L构成升压变换电路，C1、C2为输入、输出电路滤波电容。

若因风速较小，直流侧电压较低时，逆变器工作将不正常。控制系统要求T1全通，D1截止，T2按要求作脉冲宽度(PWM)控制，T2、D2、L实现升压变换，将输入直流电升压到设定数值，工作电路如图1(b)所示。

若风速较高，直流电压在逆变器合适的电压范围内，则该变换电路既不需要升压也不需要降压，控制系统要求T1全通，T2截止，直流输入电压直接通过T1、L、D2到输出端，工作电路如图1(c)所示。

若风速很高，风力发电机运行速度进一步提高（在许可范围内），直流侧输入电压将变得很高，对逆变器的安全运行不利，需要将输入电压降低。控制系统要求T1作PWM控制调整输入电压，T2截止，T1、D1、L实现降压变换，工作电路如图1(d)所示。

2 升降压变换电路的控制方法

为实现图1所示电压控制，设计直驱风电系统直/直变换电路，其输入输出特性如图2所示。图2中，UΔ1、UΔ2、Uo分别为变换器直通控制电压下限、上限、变换器工作起始电压，Vi为其输入电压，Vo为输出控制状态。

当系统启动时，变换电路直流输入电压可能有四种情况，这四种情况可以由比较器电路给出其电路的输入状态，按照并网逆变器对输入电压的要求，直/直变换电路控制逻辑需要满足以下条件。

(1)输入电压低于UΔ1，第一比较器输出状态1，第二比较器输出状态1，系统要求变换器实施升压控制。管T1全通，管T2进行PWM控制，按要求调整输入电压到指定输出值。

(2)输入电压高于UΔ1，但低于UΔ2，第一比较器输出状态0，第二比较器输出状态1，系统要求变换器不升不降，即直通。管T1全通，管T2截止。

(3)输入电压高于UΔ2，第一比较器输出状态0，第二比较器输出状态0，系统要求变换器实施降压控制。管T1进行PWM控制，管T2截止。

(4)输入电压低于变换器起始电压Uo，第三比较器输出状态1，经过反相输出0，可以封锁两只开关管的驱动信号，电路不工作。

比较器设置回环的目的，是避免输入电压在该转折点附近电路工作状态的频繁变动，提高电路工作可靠性。

从以上分析可见，无论什么情况，系统要求管T1均有控制信号，或处于全导通状态，或处于PWM 控制的调整状态（仅电源电压低于起始电压时例外）。而管T2在升压控制情况下处于PWM控制状态，其余两种情形下均处于截止状态。由此可以构成系统控制原理图，如图3所示。图中，uΔ1、uΔ2、uo分别代表与UΔ1、UΔ2、Uo成比例的基准电压信号，ui为直流输入电压。

管T1在任意情况下均有控制信号，其控制逻辑可以在其自身控制电路中实现，图3的逻辑控制信号只作为T1驱动电路输入端的开门信号。

图3中，发电机输出的变压变频交流电经三相不控整流输出幅值随风速变化的直流电，该直流电经检测电路输入到图3输入端，经三个比较器确定输入电源的电压状态。

(1)若A=1，B=1，输入电压低于UΔ1，系统要求升压控制，T1全导通，T2进行PWM控制。T1、T2控制电路如图4所示。

图4中，针对T2管，ugd=uΔ1，ufu为变换器实际输出电压的检测反馈值。电路所产生的控制脉冲经图3门电路给T2以驱动，实施升压控制，T2控制电路调节器的上限限幅决定占空比最大值（可设置为0.8左右），下限可设置为0。

而对T1管，其驱动信号也来自图4的输出，其ugd=uΔ2，由于输出电压反馈值ufu小于ugd，调节器输出向正方向变化到大于载波信号正向幅值，比较器输出状态为高电平，送入T1驱动电路使其全导通。

(2)若A=0，B=1，输入电压低于UΔ2，而高于UΔ1，系统既不要求升压也不要求降压，T1全导通，T2截止。

对T2管，图3与门1封锁了驱动信号，T2管截止。图4给定信号小于反馈，比较器输出信号小于载波信号负向幅值，和载波信号没有交点，比较器输出低电平。

对T1管，电路输出电压反馈值ufu小于ugd(=uΔ2)，调节器输出仍大于载波信号正向幅值，比较器输出状态为高电平，T1全导通。

(3)若A=0，B=0，输入电压高于UΔ2，系统要求降压控制，T1实施PWM调制，T2截止。

对T2管，图3与门1封锁了驱动信号，T2管截止。图4输入给定信号小于反馈，比较器输出信号小于载波信号负向幅值，比较器输出低电平。

对T1管，电路输出电压的反馈值ufu大于ugd(=uΔ2)，调节器输出按PI控制规律从峰值以上向下变化，与载波信号相交产生PWM信号，经驱动电路驱动T1断续导通调整输出电压。

此外，由于整流输出电压幅值与风速有关，随机性较大，变换器输入电压在不断变动过程中，为防止因为电压变动而出现电路工作状态的频繁变化，导致系统工作不稳定的情况，在直通电压上下限(UΔ1、UΔ2)均设置了电压比较滞环。

图2中，系统设置了一个起始电压Uo，它表示直驱风力发电系统输出电压太低，不具备发电能力，数值可以根据系统的具体情况设置。在逻辑控制上，也设置了一个比较电路，由比较电路的输出状态封锁两调整管的门极驱动信号。

3 变换电路的控制与实现

试验系统由变频器驱动多极异步电动机，再由异步电动机驱动多极永磁同步发电机以模拟直驱风力发电系统，变频器频率控制信号采用可变恒定电压叠加小幅正弦信号来模拟环境风速，正弦信号的频率不可以过高，频率过高，变频器无法响应。发电机所发出的变频、变压交流电经不控整流电路转换成变幅交流电，该变幅交流电作为直/直变换器的输入电压。考虑到风电机组输出电压变化及电机额定参数的因素，计划设置模拟系统直通电压下限滞环为250～270 V(DC)、上限滞环为350～370 V(DC)，即设置电压回环为20 V，以避免变换器工作状态的频繁变化。同时，对该实验系统设置了系统工作起始电压100 V（设置回环10 V），低于该电压，控制系统禁止变换器工作。

发电机参数为额定功率2.5 kW，额定电压300 V，额定转速300 r/min，变频器所带异步电动机为5对极，当变频器输出频率达到50 Hz时，电动机同步转速将接近600 r/min。因此，该系统运行时，变频器输出工作频率不得超过50 Hz。根据电机功率大小以及直流侧电压等级，并留有适当余量，选取T1、T2为IGBT管，参数为50 A/1 200 V，D1、D2为快恢复二极管，参数为55 A/1 000 V，电路工作频率设置为4 kHz，根据输入输出要求确定电感为42 mH，输出滤波电容为1 000μF/900 V（两只2 000μF/450 V电容串联）。

系统从启动到变频器输出频率达到45 Hz，发电机所发交流电经过不控整流输出的电压与电流之间的关系(带30Ω 功率电阻)如图5所示。从图中可见，当变频器运行到45 Hz时，发电机已经过载一倍，实际工作过程中不允许长时间过载运行。

调整好试验系统各检测、反馈环节，按照前述控制方法对该系统进行实验。实验表明：系统的运行状态可以按照要求改变变换电路的工作状态，实际下限滞环为248～265 V(DC)，实际上限滞环为346～367 V(DC)。在实施升压控制时，系统设定电压为250 V；实施降压控制时，系统设定电压为350 V。当发电机输出电压从0上升到100 V时，变换器不工作；从100 V上升到265 V时，A=1，B=1，变换器实施升压控制；从265 V上升到367 V，A=0，B=1，变换器直通；在367 V以上，A=0，B=0，变换器实施降压控制。从367 V以上向下变化，在346 V以上，A=0，B=0，变换器实施降压控制；从346 V下降到248 V，A=0，B=1，变换器直通；从248 V下降到90 V，A=1，B=1，变换器实施升压控制；90 V以下系统关闭。系统实际控制电压在整个工作范围内被限定在248～367 V。

实际控制中，像该模拟控制系统控制的电压范围较宽(248～367 V)，对后续逆变器的电压控制提出比较高的要求，可以根据具体情况对电压范围予以调整，保证逆变器既可以实施风能逆变，又可以安全可靠工作。