伴随著(zhe)經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增長(cháng)，人類對(duì)能(néng)源的需求增加，而以煤炭、石油為主的常規能(néng)源存在有限性，且污染和破壞自然環境。風能(néng)是一種(zhǒng)清潔的可再生能(néng)源，并且資源豐富，有著(zhe)無需開(kāi)采、運輸的特點。目前風力發(fā)電系統分非直驅風力發(fā)電系統和直驅風力發(fā)電系統，前者主要采用齒輪箱對(duì)風輪機提速後(hòu)，驅動常規異步發(fā)電機，而直驅風力發(fā)電在整個體系結構中，由于省去了增速齒輪箱，減小了風力發(fā)電機的體積和重量，省去了維護，降低了風力發(fā)電機的運行噪聲，所以研究直驅風力發(fā)電系統的電能(néng)變換裝置對(duì)提高風電轉換效率及開(kāi)發(fā)風力發(fā)電技術的推廣，有著(zhe)重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟效益。

1、常規直驅風力發(fā)電系統的特性

直驅風力發(fā)電系統采用低速的永磁同步發(fā)電機取代了異步發(fā)電機，在永磁直驅風力發(fā)電系統中，風輪機將(jiāng)捕獲的風能(néng)以機械能(néng)的形式驅動永磁發(fā)電機，永磁發(fā)電機的轉速随著(zhe)風速的變化而進(jìn)行變化，發(fā)出電壓和頻率都(dōu)變化的電能(néng)，需要經(jīng)過(guò)電能(néng)變換電路輸出恒壓恒頻的電能(néng)。現階段常規離網型戶用風力發(fā)電系統的基本結構如圖1所示。

風速的時(shí)變性，使得風力發(fā)電機的電壓及頻率變化，不易于直接被(bèi)負載利用，所以目前的獨立運行風力發(fā)電系統通過(guò)“交流-直流-交流”的轉換方式供電，且要考慮風速很弱及無風的情況，系統的裝置中使用了蓄電池進(jìn)行儲能(néng)。先用整流器將(jiāng)發(fā)電機的交流電變成(chéng)直流電向(xiàng)蓄電池充電，再用逆變器將(jiāng)直流電變換成(chéng)電壓和頻率穩定的交流電輸出供給負載使用。系統的能(néng)量傳輸分配中要經(jīng)過(guò)兩(liǎng)次能(néng)量轉換：電能(néng)-化學(xué)能(néng)-電能(néng)，能(néng)量的利用率偏低，且由于風力發(fā)電發(fā)出的能(néng)量較小，往往達不到(dào)負載需求的電能(néng)。

2、改造後(hòu)的直驅風力發(fā)電系統

2.1風力發(fā)電系統的基本組成(chéng)

針對(duì)直驅風力發(fā)電的特性，研究設計的風力發(fā)電系統應由風輪機、永磁同步發(fā)電機、電能(néng)變換裝置(整流器、直流調壓裝置、逆變器)、控制器、洩能(néng)負載、蓄電池、制動刹車裝置和用戶負載等組成(chéng)，其設計研究的永磁直驅風力發(fā)電系統的結構組成(chéng)原理圖如圖2所示。

2.2能(néng)量傳輸分配分析

分析在正常情況下的能(néng)量流動路徑，由圖2所列出的風電系統的供電模式可知，在考慮風速大于切入風速及小于切出風速時(shí)，風力發(fā)電控制系統中的能(néng)量傳輸的關系大體上分4種(zhǒng)情況如圖3所示。

                                         

正常啟動風速到(dào)達後(hòu)，風輪機開(kāi)始運行，當風速較大時(shí)，風力發(fā)電機組發(fā)出的電能(néng)，經(jīng)過(guò)電能(néng)變換裝置調節後(hòu)，得到(dào)用戶負載所需要的交流電，多餘的電能(néng)經(jīng)過(guò)蓄電池儲存起(qǐ)來；當風速不足時(shí)，風力發(fā)電機組發(fā)出的電能(néng)較小或則不發(fā)電能(néng)，此時(shí)由蓄電池發(fā)電給電能(néng)變換裝置，進(jìn)而變換後(hòu)，供給用戶負載；當風力發(fā)電機組發(fā)出的電能(néng)遠大于用戶所需的電能(néng)，且在蓄電池電量已被(bèi)充滿的情況下，采用洩能(néng)負載控制器對(duì)多餘的電能(néng)放電。

2.3控制策略的分析設計

在直驅風力發(fā)電系統中，風輪機對(duì)風能(néng)的捕獲及其電能(néng)變換裝置的控制策略在整個風電系統運行過(guò)程中決定風電轉換的效率，根據風速的變化，負載的變化以及儲能(néng)裝置容量的變化，來研究風電系統的控制策略對(duì)風力發(fā)電系統的穩定運行以及最大化的利用風能(néng)有著(zhe)重要的意義。由于離網型風力發(fā)電系統多用于農區、牧區等遠離常規電網的場所，風力發(fā)電是主要的供電形式，根據這(zhè)一地區用戶負載的用電情況，在常規情況下可以設負載的電流阈值為Io，儲能(néng)裝置蓄電池SoC的阈值為Co，實測風速的阈值為Vo。當風力發(fā)電機運行在切入風速與切出風速之間時(shí)，設定風力發(fā)電體系中用戶負載電流、蓄電池SoC及實測風速分别大于各自設定的阈值時(shí)，為1狀态；小于設定阈值時(shí)為0狀态，則可列出表1。

在表中開(kāi)關狀态一行中數值位是“1”的，表示在圖2中的Tx開(kāi)關接通，為“0”的這(zhè)一路表示開(kāi)關斷開(kāi)，供電模式下的1～8種(zhǒng)狀态分别表示為：T2接通，風機供電；T1，T2接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池充電；T2，T3接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池放電；T2，T4接通，風機供電，洩能(néng)負載介入；T2，T3接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池放電；T2接通，風機供電；T2，T3接通，風力發(fā)電機供電，蓄電池放電；T2接通，風機供電。

在風力發(fā)電系統中，以風力發(fā)電機提供電能(néng)為主，蓄電池放電為輔，上述幾種(zhǒng)形式為風速達到(dào)風輪機運轉的切入風速，且未超出切出風速，在穩定的工作風速内，并未提及無風以及風速過(guò)大，超出風力發(fā)電機承受的最大風速，那時(shí)將(jiāng)要啟動機械刹車裝置，將(jiāng)風輪機鎖住，保護風力發(fā)電系統。

3、風電體系下的電能(néng)變換電路控制系統設計

3.1控制系統方案的确定

風力發(fā)電機發(fā)出的電能(néng)電壓為三相交流電，且輸出電壓較低，需經(jīng)過(guò)整流器進(jìn)行整流，得到(dào)的直流電在經(jīng)過(guò)控制器的作用下對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，設計中采用的是三相橋式不可控整流。而對(duì)于直流變換電路主要功能(néng)是：調節直流輸出電壓使之恒定，以達到(dào)後(hòu)級逆變電路輸入要求；提高逆變電路的功率因數并抑制高次諧波，完成(chéng)功率因數的校正，所以可采用直流Boost升壓斬波電路。選用全橋逆變電路，其特點為帶負載能(néng)力強，電路容易達到(dào)大功率；又由于LC濾波器有著(zhe)對(duì)輸出波形中的高次諧波進(jìn)行濾波處理的能(néng)力，因此選用了輸出端帶LC濾波器的單相全橋逆變電路的拓撲結構，以使逆變電路輸出高質量的正弦波形。

3.2電能(néng)變換電路的控制器設計

設計的永磁直驅風力發(fā)電系統發(fā)出電壓在18～50V之間變化時(shí)，經(jīng)過(guò)電能(néng)變換電路的處理得到(dào)穩定的220V電壓，通過(guò)研究得出在設計整流及Boost升壓變換電路的控制策略時(shí)，應該以控制輸出電壓為出發(fā)點，使輸出電壓保持恒定為目的，且同時(shí)要保證系統功率因數盡可能(néng)的接近于1，綜合風電系統特殊環境及Boost變換的電路CCM工作特性的基礎上，控制系統的設計中采用了平均電流控制技術，結構上為電流内環和電壓外環構成(chéng)雙閉環結構；而對(duì)于逆變電路部分則在電路的控制方式上選用正弦脈寬調制方式對(duì)逆變電路進(jìn)行控制，設計了采用PI調節器及PWM控制的電路控制策略。在确定了系統中電路的運行狀态後(hòu)，确定了電路參數，并利用Matlab\Sireulink搭建了電能(néng)變換電路逆變部分的仿真模型。

仿真結果如圖4所示。在圖4中從上至下分别為未經(jīng)過(guò)濾波的負載電流波形、經(jīng)過(guò)濾波後(hòu)的負載電流電壓波形，仿真結果可見在允許的範圍内達到(dào)了負載要求的工作電壓。

4、結語

針對(duì)永磁直驅風力發(fā)電體系下的電能(néng)變換電路進(jìn)行了設計，并對(duì)所設計的控制策略及方案在Matlab軟件下應用Simulink來完成(chéng)的模型搭建和仿真調試。通過(guò)仿真，驗證了設計的電能(néng)變換電路拓撲結構的正确性及控制策略的合理性，為直驅風力發(fā)電系統的電能(néng)變換的研究提供了一定的信息。