小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電變流器控制系統(tǒng)探究

李康

摘 要：和大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較來(lái)看，小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電又不論是在安裝上十分的方便，同時(shí)還具有建設(shè)周期較短，成本不高，應(yīng)用非常便捷等優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)其進(jìn)行發(fā)展和推廣具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，利用并網(wǎng)逆變器將電能從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行輸出，并將其并到低壓電網(wǎng)中是當(dāng)前對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行應(yīng)用的重要研究趨勢(shì)，受到了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。本文首先介紹了電流型逆變器在小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的重要價(jià)值，之后闡述了小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制策略特點(diǎn)及目標(biāo)，最后介紹了小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要軟硬件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：小型風(fēng)力發(fā)電；變流器；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.171

0 引言

當(dāng)前，人們的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，而能源危機(jī)卻日益嚴(yán)重，因此找到以后總可以替代能源成了一個(gè)非常重要的課題。不論是在國(guó)外，還是我國(guó)，對(duì)于太陽(yáng)能、風(fēng)能以及地?zé)岬瓤稍偕茉炊嫉玫搅溯^快的發(fā)展，這不但能夠使得煤以及石油等消耗得以降低，同時(shí)也使得對(duì)一次性能源具有的依賴(lài)得以降低，極大的推動(dòng)了能源的多樣化和自主性發(fā)展；此外，可再生能源還可以使環(huán)境不斷惡化的趨勢(shì)得到一定的緩解，進(jìn)而追求更為環(huán)保的綠色生活方式。再這樣的背景下，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展突飛猛進(jìn)。風(fēng)力，從大自然中來(lái)，用之不竭、取之不盡。通過(guò)風(fēng)力發(fā)電，不能可以使能源不足的狀況得意緩解，還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和環(huán)境污染問(wèn)題的出現(xiàn)。因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電容易受到天氣的影響，所以具有間歇性和不穩(wěn)定性的特征，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的效率以及發(fā)電量都受到影響，所以，在對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分利用軟硬件設(shè)備使得風(fēng)力發(fā)電可以獲取穩(wěn)定的電能。

1 電流型逆變器在小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的重要價(jià)值

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在進(jìn)行運(yùn)作的過(guò)程中，無(wú)需使用燃料，而且也不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)什么有害的物質(zhì)，具有極高的環(huán)保價(jià)值，是受到越來(lái)越多關(guān)注的綠色能源。然而，和小型離網(wǎng)型風(fēng)力系統(tǒng)比較來(lái)看，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電不用通過(guò)儲(chǔ)能裝置就可以進(jìn)行電量的輸出，具有更為節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特征。而和大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較來(lái)看，小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電又不論是在安裝上十分的方便，同時(shí)還具有建設(shè)周期較短，成本不高，應(yīng)用非常便捷等優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)其進(jìn)行發(fā)展和推廣具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，利用并網(wǎng)逆變器將電能從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行輸出，并將其并到低壓電網(wǎng)中是當(dāng)前對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行應(yīng)用的重要研究趨勢(shì)，受到了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注。但是，應(yīng)該看到，在對(duì)小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究的過(guò)程中，電力電子變換器拓?fù)浼捌淇刂撇呗詥?wèn)題是其中的難點(diǎn)，所以研發(fā)出成本較低、實(shí)用高效的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略將對(duì)于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展影響較為深遠(yuǎn)。

2 小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制策略特點(diǎn)及目標(biāo)

當(dāng)前，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中所應(yīng)用的并網(wǎng)逆變器常常具有一些問(wèn)題。首先，能夠進(jìn)行利用的風(fēng)速范圍較小。因?yàn)楫?dāng)前并網(wǎng)逆變器所具有的使用條件導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電所需的最低發(fā)切入風(fēng)速受到限制，結(jié)果導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率受到影響，這必然會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的成本受到影響，使得小型并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的推廣受到阻礙。而電流型逆變器的并網(wǎng)控制以及最大功跟蹤是小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制技術(shù)，因此，對(duì)于電流型逆變器的控制策略進(jìn)行研究和探討非常的重要。

2.1 電流型逆變器的控制的特點(diǎn)

在小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)電流型逆變器的控制研究是其中的重難點(diǎn)問(wèn)題，通常是通過(guò)對(duì)逆變器進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)輸出電流的。所以，要使得系統(tǒng)單相電流源型逆變器并網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，就一定要結(jié)合所輸出功率的大小來(lái)對(duì)逆變器所要輸出電流的幅值進(jìn)行確定。而將電網(wǎng)電壓的同步信號(hào)直接進(jìn)行檢測(cè)，并將其當(dāng)作變流器并網(wǎng)輸出電流的跟蹤信號(hào)，不僅能夠讓系統(tǒng)并網(wǎng)快速的輸出電流，對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行跟蹤，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)同相位運(yùn)行，進(jìn)而使得單位功率因數(shù)輸出得以實(shí)現(xiàn)，且此控制策略的原理十分的簡(jiǎn)單，很容易就可以達(dá)到。

2.2 電流型變流器并網(wǎng)控制的目標(biāo)及要求

從目標(biāo)上來(lái)看，小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電要對(duì)逆變器輸出的并網(wǎng)電流進(jìn)行控制，使其可以成為質(zhì)量較高且十分穩(wěn)定的正弦波，得到和電網(wǎng)電壓同相同頻，進(jìn)而達(dá)到并網(wǎng)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

從要求上來(lái)看，小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，電流型變流器的并網(wǎng)控制要達(dá)到兩個(gè)方面的要求，第一，就控制原理而言，作為擾動(dòng)量，電網(wǎng)要和并網(wǎng)逆變器的輸出端直接相連；第二，逆變器的并網(wǎng)輸出電流應(yīng)該和電網(wǎng)電壓做到同相同頻。

3 小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 逆變主電路

逆變主電路在控制系統(tǒng)主電路中有最為重要的作用，擔(dān)負(fù)著直流到交流的變換任務(wù)。四象限變流器形式的逆變主電路和一般電壓型主電路有所不同，見(jiàn)圖1。 在實(shí)驗(yàn)的初期，為了確保逆變器不會(huì)由此而受到損害，將2?的保護(hù)電壓串聯(lián)到直流母線上，并且監(jiān)視電阻的壓降，這樣能夠?qū)χ绷髂妇€電流情況實(shí)時(shí)進(jìn)行獲悉。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Udc電網(wǎng)電壓是通過(guò)調(diào)壓器進(jìn)行整流之后而輸出的，這樣不但能夠使系統(tǒng)的電壓等級(jí)降低，同時(shí)也能夠逐步對(duì)系統(tǒng)的問(wèn)題進(jìn)行排查。由于Udc是通過(guò)調(diào)壓器而得到的，所以無(wú)法起到隔離的功效，因此逆變器交流輸出側(cè)是不可以直接并網(wǎng)的，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中是通過(guò)隔離變壓器隔離以后在通過(guò)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的。

3.1.2 主電路總體結(jié)構(gòu)

為了確保系統(tǒng)安全，同時(shí)方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的調(diào)試，實(shí)驗(yàn)主電路通常選取的是對(duì)電壓等級(jí)進(jìn)行降低，隔離變壓器的手段。為了可以更為便利的獲取改變的直流電壓，在主電路系統(tǒng)當(dāng)中選取了調(diào)壓器和二極管整流的方法，當(dāng)進(jìn)到逆變器以后，通過(guò)控制算法，系統(tǒng)將信號(hào)輸出，之后在通過(guò)隔離變壓器，進(jìn)而達(dá)到把設(shè)備和電網(wǎng)進(jìn)行隔離的目的。在這種狀況下，假如設(shè)備發(fā)生了短路等故障，就不會(huì)由于混亂而造成危險(xiǎn)；假如電網(wǎng)在小幅度上發(fā)生波動(dòng)，也不會(huì)讓設(shè)備的運(yùn)行受到影響。最后，通過(guò)調(diào)壓器的調(diào)節(jié)以后并到電網(wǎng)當(dāng)中。從實(shí)際上來(lái)看，系統(tǒng)能夠在處于直流電壓存在波動(dòng)的狀況下自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而輸出與要求相符的并網(wǎng)電壓。因此在這里面所加的網(wǎng)側(cè)調(diào)壓器目的是為了配合實(shí)驗(yàn)調(diào)試。

3.1.3 DSP控制單元

在控制系統(tǒng)當(dāng)中，DSP是其中的核心，不論是在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)時(shí)保護(hù)上，還是系統(tǒng)的運(yùn)行上都是通過(guò)DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)的微處理器上本研究選取的時(shí)具有性能較高的16位定點(diǎn)DSP TMS320LF2407A，其中包括兩個(gè)專(zhuān)門(mén)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的事件管理器，這兩個(gè)可以完成PWM的波形輸出、對(duì)能夠進(jìn)行編程的PWM進(jìn)行死區(qū)控制。此外，事件管理器還能夠出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)的PWM信號(hào)，由于可以帶來(lái)更小的電流諧波，因此在此設(shè)計(jì)當(dāng)中采取的是對(duì)稱(chēng)的PWM信號(hào)。

3.1.4 對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)

在實(shí)際應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的過(guò)程中，一定要考慮是否具有可靠性，特別是在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，系統(tǒng)抗干擾能力尤為明顯。為了避免發(fā)生出現(xiàn)并解決干擾現(xiàn)象，不但要適當(dāng)?shù)奶幚砀蓴_源，同時(shí)還要多采取防范的手段，進(jìn)而方式因?yàn)橥饨绺蓴_而導(dǎo)致出現(xiàn)程序“死機(jī)”或是“跑飛”問(wèn)題，而造成系統(tǒng)工作發(fā)生異常。另外，系統(tǒng)一定要具備對(duì)外部環(huán)境的干擾以及影響進(jìn)行抵抗的能力，是否具有可靠性是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)判的重要指標(biāo)之一。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，為了使系統(tǒng)具有更高的可靠性，同時(shí)使用了硬件看門(mén)狗和軟件看門(mén)狗。

3.2 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 蓄電池

蓄電池可以為獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供其所需要的能量，因?yàn)樾枨蟛煌?fù)載功率也會(huì)有所變化，同時(shí)受到大氣環(huán)境的影響，風(fēng)能大小也會(huì)也有所差異，所以，為了能夠讓負(fù)載的端電壓保持穩(wěn)定，一定要加入蓄電池，從而達(dá)到系統(tǒng)輸入和輸出能量之間的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

3.2.2 對(duì)鍵盤(pán)操作程序進(jìn)行設(shè)計(jì)

在整個(gè)程序設(shè)計(jì)當(dāng)中，鍵盤(pán)操作程序必不可少，如果用戶(hù)想要更為便捷的控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，就需要鍵盤(pán)在其中發(fā)揮作用。因此，在鍵盤(pán)程序中，可以對(duì)一些常規(guī)的操作，例如起動(dòng)、停止以及復(fù)位按鍵等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.3 對(duì)采樣以及保護(hù)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)

盡管在整個(gè)程序當(dāng)中，系統(tǒng)采樣以及保護(hù)程序相對(duì)在設(shè)計(jì)上要相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，其所具有的重要作用和地位則不能忽略。通過(guò)采樣獲取的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確與整個(gè)系統(tǒng)能否正常輸出，系統(tǒng)是否穩(wěn)定具有直接的影響。而保護(hù)程序設(shè)計(jì)上則和系統(tǒng)設(shè)備的安全性具有直接的影響，在這方面，主要是對(duì)硬件看門(mén)狗電路進(jìn)行配合程序，同時(shí)對(duì)孤島效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢測(cè)。

3.2.4 對(duì)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)的核心，接收采集信號(hào)，對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)算法，輸出控制信號(hào)，輸出保護(hù)信號(hào)等。控制程序要求有固定的采樣周期，所以主程序放在定時(shí)器中斷中執(zhí)行。這樣主控制程序就不會(huì)受到諸如程序延時(shí)、鍵盤(pán)掃描、串行顯示的影響而準(zhǔn)確地定時(shí)執(zhí)行。

參考文獻(xiàn)：

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