风力发电系统中PWM并网逆变器的研究

【摘 要】 针对风力发电系统的特性，设计了与电网并联的PWM逆变器控制系统，该系统采用电流瞬时值反馈控制，直接以电网电压同步信号为逆变器输出电流跟踪指令，通过对网侧电流的闭环跟随控制，实现以单位功率因数向电网馈送电能。对系统的稳定性进行了分析，实验结果证明了该逆变器控制系统的可行性和正确性。
关键词 风力发电 并网逆变器 功率因数

1 引言
        随着环保意识的加强以及对于可再生能源的需求，风力发电技术日益受到重视。由于风能具有不稳定性和随机性，风力发电机发出的电能是电压、频率随机变化的交流电，必须采取有效的电力变换措施后才能够将风电送入电网。为了改进风力发电机发电系统的运行性能，近年来发展了基于交-直-交变流器的变速风力发电系统。
       在交-直-交变速风力发电系统中，逆变器的控制技术是关键，国内外纷纷展开这方面的研究工作。文献［2］～文献［5］对此都有专门的研究。本文综合以上几个文献中逆变器的优点，提出了一种新型的逆变器控制方案。该逆变器直接以电网电压同步信号为逆变器输出电流的跟踪信号，能够使输出电流快速跟踪电网电压。该控制系统结构简单，试验结果表明该控制系统能实现单位功率因数输出，且输出电流的谐波含量低。

2 交-直-交变速风力发电系统简介
        交-直-交变速风力发电系统如图1所示，图中整流器和逆变器分别采用二极管整流器及基于全控型器件的PWM逆变器。为了解决在低风速时整流以后的电压幅值过低、频率变化太快、直流纹波较大、电压尖刺等问题，在整流器与逆变器之间加入了直流环节部分，该环节具有升压和稳压功能。逆变器将直流转换成适合并网条件的交流后再通过变压器或直接并入电网。

        这种交-直-交系统最显著的特点是在风力发电机和电网之间连接了缓冲电路，在并网时无电流冲击，逆变器不仅可以调节电压、频率，而且可以调节输出功率，是一种稳定的并网方式。

3 PWM逆变器的控制方案
        PWM逆变器的拓扑结构如图2a所示。逆变器输入与直流稳压的输出端相连，其输入端的电压为直流稳压后的电压值u_dc，输出端通过滤波电感上后并入电网，对于风力发电并网逆变器系统，输出相电压、相电流与电网电动势满足图2b所示矢量关系。

        对于无穷大公共电网，该并网逆变器作为电流源向电网输送电能。因此通过对逆变器输出电流的控制即可达到控制输出功率的目的。由图2b可知，为了不对公用电网产生谐波污染，必须使逆变器各相输出电流与电网电压反相，以实现逆变器的单位功率因数输出。为了实现这一目的，设计了如图3所示的逆变器控制系统。




4 控制器及其参数设计
          因为PWM开关频率远大于公用电网的工频频率，根据图3所示的控制系统图，可以得到如图4所示a相电流闭环传递结构图。






5 并网逆变器的试验


         图6a为蓄电池电压与a相电流波形图，图6b为a相电压与电流波形图。图6c为输出电流的频谱图。实验结果表明，在蓄电池电压稳定的条件下，逆变器输出电流是稳定的正弦波，且与电网电压相位相反，因而实现了单位功率因数传送电能。逆变器输出电流频率基本是50Hz。谐波含量达到了并网要求。


6 结束语
        本文提出的逆变器控制系统直接以电网电压作为逆变器输出电流的参考信号，采用电流瞬时值反馈控制，其控制系统不仅结构简单，而且能够实现单位功率因数输出，减少输出电流对电网造成的谐波污染。该并网逆变器控制系统的研究设计为风力发电并网技术的发展提供了条件。