基于boost变换器的小型风力机并网逆变控制系统设计

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1、基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统设计11122许颇，张兴，张崇巍，曹仁贤，赵为（1合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥230009；2合肥阳光电源有限公司，合肥230011）摘要：本文概述了基于BOOST变换器的小型风力机并网逆变控制系统设计方案。系统由一个H桥并网逆变器和一个BOOST升压斩波电路组成。对并网逆变器采用电流内环和电压外环双环控制，以取得网侧电流的快速跟随性和直流侧电压的抗扰性；对BOOST斩波电路进行功率控制，实现风力发电机最大功率的跟踪。系统采用了根轨迹图解法进行控制器参数设计，并取得了较好的动态控制性能。最后，以1.5Kw并网逆变器

2、的试验结果验证了设计的正确性。关键词：BOOST；并网逆变；双环控制；根轨迹中图分类号：TM615文献标示码：A1引言我国是风力资源较丰富的国家，小型风力发电作为农村能源的一种补充，在我国边远山区、沿海岛屿和少数民族地区取得了很好的社会效益和经济效益。但大部分应用都是离网型【5】风能利用，要用蓄电池储存风机的电能再通过逆变器逆变给用户使用，整个系统的效率通过两级转换损失很多，并且蓄电池的使用在增加成本的同时还会带来环境污染。目前，大型风力发电机都采用并网运行方式，随着可再生能源技术的发展，在有低压电网的地区，将小型风机的输出电能通过并网逆变器并入低压电网成为可能。小型风力

3、机并网发电比光伏并【1，2，3，4】网发电更方便、经济、实用，是国内外风力发电应用的一个重要方向。本文对小型风机并网的核心装置并网逆变器的控制系统进行了研究。小型风机采用具有【4】良好低速特性的永磁发电机，适用于低风速启动并具有较高的发电效率。针对小型风机输出电压低且大范围波动的特点，采用在并网逆变器前级加BOOST升压斩波电路的拓扑结【5，6】构，并通过控制BOOST电路的占空比有效跟踪风力发电机的最大功率。本文在分析并【7，8】网逆变器控制系统的同时采用MATLAB根轨迹图解的仿真方法进行调节器设计，从而使系统获得了良好的动、静态特性，满足了高效、可靠发电的要求。2系

4、统的组成PDV3V51风力发电机IL2iacL1L1整流单元aebVC2C11V4V6假*NVvdc负IdcC1载A/DA/DA/DPIA/DA/D*Idc功率S(V)PWMum同3~6KiP跟踪发生步器PIuKFTPWMS(V1)uT发生器图1系统拓扑与控制结构Fig.1Thesystemtopologyandcontrolconfiguration为了实现风机的并网发电，本系统采用电压型H桥并网逆变器进行并网电流控制。考虑到电机的绕组隔离特性，本系统在交流输出侧直接并网，而不需要变压器隔离。由于风力机的输出是三相交流电，因此采用交－直－交电能变换实现本系统的并网功能。

5、风机的输出经过二极管三相桥整流得到直流电压，再通过BOOST升压斩波电路得到并网逆变器要求的直流母线电压。为了满足电压型并网逆变器的工作条件，即直流侧电压至少要达到电网电压的峰值，在H桥并网逆变器的直流侧前级加BOOST斩波升压电路。系统的拓扑如图1。3并网逆变器控制系统设计3.1控制原理H桥PWM并网逆变器是具有电流控制特性的电压型逆变器。通过对交流并网侧电感电流的控制来实现电能的单位功率因数并网运行。根据图1，H桥交流侧电路方程是：vabeL2piac（1）vSvabc2其中vab、e、iac、L2、p、vc2分别为交流斩波电压、电网电压、交流电流，交流电

6、感、1V4,V5管导通微分算子、直流母线电压。S为开关函数S0V3,V6管导通1V3,V5管导通或V4,V6管导通由式（1），易得ICILIdcVC（2）sCsC显然，式（2）表明，系统可通过控制开关函数S的PWM调制来实现交流电流的并网控制。为了实现并网逆变器网侧电流的单位功率因数控制，同时稳定直流母线侧电压，这里采用双闭环控制结构。其中，电流内环进行正弦电流的跟踪控制；而电压外环稳定直流母线电压。整个并网逆变器的控制结构如图2Kfe*i*iVC2+KvIac+VC21acKIVC2KvpKip-s-TPWMs1L2ssC2Kf——电网前馈系数；

7、Kip——电流内环比例调节器系数；VC2——PWM逆变器母线直压；TPWM——PWM逆变器时间常数；KI——交流到直流比例系数；Kvp——电压外环PI调节器比例系数；KvI——电压外环PI调节器积分系数图2H桥并网逆变器双环控制传递框图Fig.2ThedoubleloopcontrolframeofH-Bridgegrid-connectedinverter3.2电流内环设计并网逆变器的电流内环需要有快速的电流跟踪特性，以保证单位功率因数正弦波电流的输出。1）电网前馈系数Kf的设计：由式（2）和图2得出，电网电压在控制结构中属