风力发电中逆变系统分析与设计

李爱钦，王海涛

（青岛恒星科技学院，山东青岛，266100）

0 引言

逆变流器的逆变换，逆变器是一种把直流电转化成交流电的装置。现在应用比较广泛的还是全桥逆变电路和半桥逆变电路，全桥逆变电路是由四个驱动管在正弦波的固定波段周期性循环工作的逆变电路。研究大功率高性能逆变器对我国能源利用和工业节能具有重要意义。在小型风力发电系统中，逆变将DC电调制成稳压稳频的AC电直接供给负载，或安全并联到交流电网。考虑到它的应用范围不但有城市，还有郊区和农村地区，所以它需要有比较高的稳定性。对逆变器的要求更高。当前由于现有技术不足，研究成本较高。所以高效率、低噪音、和适中的价格的逆变电路具有非常重要的意义。

1 逆变系统组成

■1.1 系统总体结构设计

风力逆变器重点是由以下几个模块组成的：输入电路、输出电路、电源模块（辅助电源）、控制电路、保护电路（电压电流采样模块）和逆变电路。如图1所示。

图1 逆变系统结构图参数设置模块

逆变主电路输入由风机整流降压提供。控制电路的功能是根据需要产生和调节一系列控制脉冲以控制逆变器开关管的接通和断开，从而完成逆变器主电路的逆变功能[1]。在逆变系统中，控制电路和逆变器电路同样非常重要。采样电路的功能是为了稳定输出电压。另有保护电路起到限流和过热保护的功能。

■1.2 逆变主电路设计

图2是风力发电逆变并网变流器的主电路结构图。该电路把风电机组输出的直流电能通过三相半桥逆变电路转换成工频50 Hz的交流电能馈入450 V三相交流电网。

图2 逆变电路框图块

2 逆变原理

逆变是整流的逆过程，整流装置在满足一定条件下可以作为逆变装置应用。即同一套电路，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态， 这样的电路统称为变流装置。变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，电网成为负载， 在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去， 这样的逆变称为“有源逆变”。 风力发电逆变系统是把风力发电机产生的直流电变换成交流电并入电网，所以是有源逆变。

■2.1 有源逆变电路的工作原理

对于单相全控整流桥，当控制角α在0～π/2之间的某个对应角度触发晶闸管时，工作在整流状态，当π/2＜α＜π时，工作在逆变状态。例如在卷扬系统中，当重物放下时，由于重力对重物的作用， 必将牵动电机使之向与重物上升相反的方向转动，电机产生的反电势ED的极性也将与提升时反相。这时电动机为发电状态运行，对外输出电能，变流器则吸收上述能量并馈送回交流电网去，此时的电路进入到有源逆变工作状态。如图3所示。

图3 有源逆变电路

■2.2 三相桥式逆变电路的工作原理

三相桥式逆变电路如图4所示，工作原理如图5所示。一个周期中的输出电压由6个形状相同的波头组成，其形状随β的不同而不同。该电路要求6个脉冲，两脉冲之间的间隔为π/3， 分别按照1， 2， 3， …， 6的顺序依次发出，其脉冲宽度应大于π/3或者采用“双窄脉冲”输出。

图4 三相有源逆变电

图5 三相有源逆变电路工作原理

■2.3 控制电路设计

采用AT89C51单片机控制系统控制逆变电路中的可控元件的通断，以达到逆变效果。控制电路包括单片机最小系统电路、时钟振荡电路复位电路、按键电路及电源电路等。在本文里不做详述。

3 逆变系统仿真设计

本文仿真选用的软件是MATLAB中的一种可视化仿真工具simulink，是一种基于MATLAB的框图设计环境，在simulink中能够提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。

■3.1 控制模块分析

在进行控制电路建模时，最重要的就是它的控制/测量转换模块用来执行从三相（abc）信号到dq0旋转参考帧或反向的转换，其变换旋转框架如图6所示。

图6 变换旋转框架

该块支持Park变换中使用的两个约定：

(1)旋转框架在t=0时与A轴对齐，即在t=0时，d轴与a轴对齐。这种类型的Park变换也称为基于余弦的Park变换。

(2)旋转框架在A轴后面90度对齐，即在t=0时，q轴与a轴对齐。这种类型的Park变换也称为基于正弦的Park变换。在Simscap Power System三相同步和异步电机模型中使用它。

通过在固定参考系中执行abc到αβ0Clarke变换，从abc信号中减去dq0分量。然后在旋转参考系中执行αβ0到dq0变换，即，对空间矢量Us=uα+j·uβ的ω.t旋转。abc-to-dq0变换取决于t=0时的dq帧对齐。旋转帧的位置由ω.t给出（其中ω表示dq帧旋转速度t为时间）。当旋转框架与A轴对齐时，获得以下关系，从而测量出相应的电压。

■3.2 参数设置模块建模

经过对单片机执行程序分析建立出模型如果模拟时间小于步时间参数值，则块的输出为初始值参数值。对于大于或等于步进时间的模拟时间，输出为最终值参数值。下面则是从多维信号中选择输入元素，根据为“输入维度数”参数输入的值，将显示索引设置表，可以使用“索引选项”参数为每个维度选择索引方法。这次设置的参考步长一秒，在0.4秒的时候改变输入。之后通过拉普拉斯域变量s的传递函数对线性系统建模由此传递到之前的控制模块[2]。

■3.3 逆变模块建模

由AT89C51单片机控制的逆变系统在进行仿真研究时，为了直观方便给它后面做一个并网同时进行一下测量。逆变模块最左边便相当于电路的半桥逆变部分，其g口的接入便是由单片机建模后控制的，之后是三相的电压电流测量模块对其进行瞬时采样，当与三相元件串联连接时，它返回三个相对地或相间峰值电压和电流。该块可以以每单位（pu）值或以V和A为单位输出电压和电流。如果选择测量每单位的相对地电压，则该模块会根据标称相对地电压的峰值转换测量电压如下公式。

如果选择测量每单位的相间电压，则模块会根据标称相间电压的峰值转换测量电压如下公式。

如果您选择测量每单位的电流，则该块会根据额定电流的峰值转换测量的电流：如下公式。

注：Vnom和P基础在三相电压电流测量块对话框中指定。

4 仿真结果分析

在对电路在MATLAB的simulink模块建模后，对逆变电路并网并采样进行测量。对母线电压和电流进行采样，接入示波器。以在模拟过程中显示所选的测量值。示波器显示的波形中，看到从开始电流增大之后维持在50A左右，电压减小维持在415V左右之后在0.4s的时候风力增大，可以看到电流是随之增大的，而母线电压则减小[3]。

5 总结

本文以风力发电系统逆变电路为目标，从系统的结构、控制方法以及仿真结果总结这几个方面对逆变系统进行了详细的研究和设计，以实现系统的可靠运行。重点介绍了逆变电路的原理及仿真，从仿真结果来看，电路工作稳定，输出电压波形平滑，抗干扰能力强，具有较好的正弦度。