直驅式風電系統中Boost電路的研究和仿真分析

河南理工大學電氣學院 上官璇峰 楊慧敏

1.引言

風能作為可再生能源，前景十分看好[1-3]，而大型，高容量的風力發電系統的建設也勢在必行[4]。風能經過發電機之后需要經過整流器進行整流，整流器是較早應用的一種AC/DC變換裝置[5]，當風速比較低的情況下，整流之后的電壓幅值波動比較大，這時能量無法回饋到電網中，在風電系統中為了解決以上提到的問題可以在整流之后加上一個Boost電路。Boost電路可以適用于較寬的調速范圍。同時，Boost電路還能調節整流電路輸入端的電流波形，用以改善電路的功率因數和諧波失真[6]。但是隨著發電系統功率的不斷增加，單重的Boost電路的開關器件必然要承受更高的瞬時電壓和電流[7]，如果要更換電路中的器件必將面臨著高成本、器件選擇困難等問題，而且還將增大電路的和[8]，勢必會造成嚴重的輻射和電磁干擾。因此為了滿足發電系統的需要，本文采用了多支路Boost電路并聯的方案，這種電路能夠降低輸入的電流紋波和電磁干擾，而且還能夠降低功率器件在耐壓和耐流能力方面的要求。

在風電系統并網變流器中，逆變部分控制策略目前研究較多也較成熟[9]，因此本文主要研究變流器中的Boost電路。國內在這個領域的研究[10]一般用三相交流電源來代替風力發電機而沒有結合風力發電機的實際模型進行研究，而本文就在前人的基礎之上建立了風機模型，并把把直驅式風力發電系統與boost電路結合起來進行系統的仿真研究。

2.boost控制系統

Boost主電路采用三重升壓斬波電路并聯共接一個阻感負載的形式，每一個斬波電路都采用電流電壓雙閉環控制系統，其控制系統圖如圖1所示。在圖1中，boost電路控制系統采用雙閉環控制；外環是Boost電路輸出的電壓環，內環為升壓電抗器上通過的電流環。當升壓斬波電路輸出的電壓值小于預先設定的指令電壓時，則輸出偏差為正，第一個PI調節器的輸出將增加，然后經過限幅器限幅之后，作為流經升壓電抗器上的電流指令值。設流經升壓電抗器上的電流大小不變，那么偏差為正，則第二個PI調節器上的輸出值也將不斷的增加，最后再經過限幅器限幅并與三角載波相比較，就得到了導通比在不斷增加的PWM脈沖信號；當IGBT上的導通比不斷增加時，流經升壓斬波電抗器的電流值也將緊跟導通比而迅速增加，這樣就會使內環上的動態偏差為零。所以最后導通比只跟斬波輸出的電壓值有關。隨著導通比的不斷增加，輸出電壓也將會隨著導通比不斷增加，最后輸出電壓環上的偏差也將會越來越小直到為零，最終兩個PI調節器上的輸出都趨于一個動態的定值。這時系統就進入穩定的工作狀態。

圖1 boost電路控制系統

3.boost主電路

在升壓斬波主電路中采用三個升壓斬波電路并聯的形式，每一個斬波電路都有其獨立的控制系統。在Boost主電路之后又加上了一個電壓鉗位電路，主要作用是為了防止IGBT開關器件因輸出的直流母線電壓過高而造成損壞。其工作原理為：當直流母線電壓小于控制電路中設置的安全電壓時，電壓鉗位電路上的IGBT不會導通，能耗電阻上也不會有電流通過，支路不起任何作用。然而當直流母線電壓大于設定的安全電壓時，電壓鉗位電路上的IGBT導通，此時能耗電阻上就會有較大的電流流過，消耗大部分的能量，這樣就使直流母線上的電壓降到安全值以下。

在matlab/simulink中畫出boost的主電路圖，如圖2所示。在圖2中，前半分為永磁同步發電機模型，中間為整流電路后半部分為直流斬波電路。整流電路輸出的不穩定的直流電作為boost電路的輸入。圖2中主電路IGBT控制信號和限壓支路IGBT控制信號封裝成一個獨立的模塊，這樣可以簡化電路，使電路簡潔美觀。

圖2 boost主電路圖

參照文獻[11、12]計算和通過反復仿真調試得出boost電路中的參數如下：限壓支路上電阻R=0.3Ω，C1=0.00075F，C2=0.1F,L1=L2=L3=0.01H，負載RL中R=1Ω，L=0.001H。在主電路IGBT控制信號中，設定給定電壓指令為1150V，三角波的頻率設為250Hz。在限壓電路IGBT控制信號中給定限壓信號設為1050V。

4.仿真分析

在matlab/simulink環境下搭建仿真模型。調整風速使發電機發出的三相電壓幅值為 550V，這時系統仿真結果如圖3、4所示。

圖3 整流之后的輸出電壓波形

圖4 帶限壓支路的boost電路輸出電壓形

發電機輸出的三相交流電經過整流之后輸出的電壓波形如圖3所示，從圖3中可以看出輸出電壓變成了直流電，但是幅值卻在800～900V之間不斷變化，很不穩定。圖4為經過boost電路之后輸出的電壓波形。從圖4中可以看出電壓在0.03S之后逐漸穩定在1000V左右，波動很小，波形基本呈一直線，并且經過boost電路之后電壓有所增加，由原來的850V左右上升到了1000V。由這兩組圖形可以看出這種boost電路基本能滿足直驅式風力發電的要求，能夠連續穩定的輸出逆變器所需要的直流電。如果把boost電路中的限壓電路去掉那么輸出波形就變成了圖5所示的波形。

圖5 不加限壓支路的輸出電壓波形

圖6為加上限壓支路后主電路上IGBT管的電流波形。在圖6中，0.01S～0.08S之間電流為零，這說明主電路上的IGBT管沒有導通，而這個時間段內限壓支路上的IGBT處于通態，限壓支路正在發揮限壓作用，此時限壓之路上能耗電阻上的電流波形如圖7所示。當電壓回歸于給定限壓信號之下時也就是在0.08S之后主電路上IGBT又恢復工作。

圖6 主電路IGBT電流波形

圖7 限壓支路能耗電阻上電

5.結束語

本文研究了一種適用于大型并網型直驅式風力發電系統的boost電路，并對原有的斬波電路進行了改進。該電路有效的解決了風力發電機發出的三相交流電經過整流之后輸出電壓低、幅值波動比較大的問題，還具有輸出電壓穩定，提升電壓，過壓時保持輸出電壓恒定，及時保護主電路中IGBT免受高壓沖擊的優點。本文還在matlab/simulink環境下建立了風機模型并與boost電路相結合進行了仿真分析，仿真結果能較好的滿足風力發電系統的要求。

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