基于BOOST變阻抗的最大輸出功率的跟隨控制研究

黃泳波

摘 要：分析風(fēng)電機(jī)的輸出功率特性，建立了其等效數(shù)學(xué)模型，利用Boost電路的變換阻抗的特性，通過調(diào)節(jié)變換器的阻抗，采用PI閉環(huán)控制器控制發(fā)電機(jī)跟隨風(fēng)速變化，輸出最大輸出功率。建模仿真表明，該控制策略是可行的。

關(guān)鍵詞：Boost；變換阻抗；PI控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.172

0 引言

隨著MOSFET，IGBT等電力電子器件的控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在永磁發(fā)電機(jī)的輸出功率控制應(yīng)用中，可以不必進(jìn)行磁場控制而只進(jìn)行電機(jī)輸出阻抗的控制，就可以改變發(fā)電機(jī)的輸出功率。直流電壓變換器（Boost或者Buck等電路）具有變換阻抗的作用。

另一方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率隨著風(fēng)速的變化而在不斷的改變。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，輸出電壓低，電流也小，當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，輸出電壓較大，電流也較大。如果連接的輸出負(fù)載內(nèi)阻恒定時(shí)，就無法獲得最大化的輸出功率。

為了獲得最大輸出功率，采用了基于Boost升壓電路對風(fēng)機(jī)輸出側(cè)進(jìn)行變阻抗控制，并利用檢測電路，檢測輸出電流與電壓，利用輸出電流和電壓相乘得到輸出功率。把輸出功率作為反饋信號，采用PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)Boost升壓電路的占空比，改變風(fēng)電機(jī)的連接電路的輸出阻抗，使得輸出功率跟隨風(fēng)速變化調(diào)節(jié)到最大輸出。

1 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

本文以小功率永磁同步發(fā)電機(jī)作為研究對象，該發(fā)電機(jī)輸出的電壓一般比蓄能電池的電源稍低些，因此采用Boost升壓電路作為電源變換器，進(jìn)行阻抗匹配變換，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。風(fēng)力機(jī)用理想電壓源E加內(nèi)阻Rr來等效，蓄電池用理想恒壓源Ud加內(nèi)阻r來等效，發(fā)電機(jī)的負(fù)載用純電阻RL來等效。在以上等效的基礎(chǔ)上，建立了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的等效電路模型。其中U1為風(fēng)力機(jī)的輸出電壓，U2位經(jīng)Boost電路變換后加載在負(fù)載上的電源。

針對上述Boos t變換器電路模型，應(yīng)用基爾霍夫電壓定律與電流定律，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，由電路模型，列寫出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。

利用BOOST升壓電路的占空比d作為導(dǎo)通和關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)的權(quán)值因子，把MOSFET導(dǎo)通的式（1）和MOSFET關(guān)斷的式（2）進(jìn)行一個(gè)開關(guān)周期的疊加，得到疊加后的系統(tǒng)狀態(tài)平均方程。

2 MATLAB仿真分析

根據(jù)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的方程（3）和系統(tǒng)輸出方程（4），利用MATLAB軟件的電路仿真模塊，建立Boost Subsystem控制電路模塊，如圖2所示。把風(fēng)速產(chǎn)生的電壓源E和Boost電路的占空比d作為該模塊的輸入信號，把流過電感的輸出電流Out（iL），負(fù)載電壓out1和輸出電壓out（u1）作為該模塊的3個(gè)輸出信號。

把輸出電壓和電流反饋值進(jìn)行相乘，得到輸出功率，加入最大輸出功率的PI控制調(diào)節(jié)器，設(shè)計(jì)出如圖3所示的最大輸出功率閉環(huán)跟隨控制的系統(tǒng)電路。設(shè)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)為：電機(jī)內(nèi)阻Rr=1Ω，電機(jī)感抗L=10uH，濾波電容C=400uF，電池內(nèi)阻r=0.1Ω，等效負(fù)載內(nèi)阻RL=4.8Ω，蓄電池電壓Ud=96V，風(fēng)機(jī)輸出電壓的變化E=80～100V。

仿真時(shí)，先假定開始時(shí)穩(wěn)定工作在某一風(fēng)速下，然后改變風(fēng)速，過渡到另一個(gè)風(fēng)速狀態(tài)，電壓E變化如圖4（a）所示，E從80V升為100V。得到輸出電流的變化曲線如圖4（b）所示。

3 結(jié)論

從以上仿真結(jié)果可以看出，隨著E突然發(fā)生變化，系統(tǒng)PI控制器能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)Boost電路的占空比，改變阻抗特性，使的系統(tǒng)工作輸出電流跟隨風(fēng)速增大，由于電池電壓恒定，因此，輸出功率也跟隨風(fēng)速條件增大。仿真結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大輸出功率的跟隨控制。

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