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并网的小型风力发电机的动力和控制系统的提出
关键词：并网，MPPT控制，稳定的系统，小型风力发电机。
摘要
目前，低功率风力系统是重要的研究课题，由于它是一种可再生、清洁、可持续、可替代的电能它具有极大的社会经济吸引力。低功率风力系统产出的电能可以被应用在以下几个方面，比如家庭、通讯塔、石油钻台、学校和乡村诊所，并且随着时间的推移会有良好的盈利能力。然而，小规模的可再生能源的普及取决于提供简单稳定和经济的系统的新方法。针对这种情况，本篇论文提出了一种由小型风力发电机、整流器、巴克直流-直流转换器和推挽式逆变器组成的系统。该系统根据1KW的小型风力发电机分析、设计和检验。
1引言
由于最近几十年风能在研究、出版物、产品、更为主要的是在实际应用上取得的进展，使得风能已经被认为是一种能够生产电能的压实的可再生能源[1,4]。事实上，这种整合是在几百兆字节处理的大型风力发电厂的部署的基础上发生的。然而，目前，许多研究正在进行，这些研究致力于发展更高效的利用小型风力发电机生产电能的技术[2,3]。小型风力发电机的好处之一是它可以应用在风速更低气流更强的城镇中心[10]。
低功率的风力发电机通常和电池组相连或者直接并网。将电池组和风力发电机相连的一大缺点是系统的总体积，经常导致这种连接不稳定。因此，小型风力发电机直接并网成为一个充满学术兴趣的课题[11]。
根据文献资料[5]，通常有三种电力系统用来将小型风力发电机和电源相连。第一种是最简单的构造，如图1所示，系统由一个连接逆变器的被动整流器组成。这种结构的优点是简单，缺点是效率低[13]。
图1：被动整流器 逆变器
第二种是最常见的构造[5]，它是由一个整流二极管、一个直流-直流转换器和一个逆变器组成。它的优点是在易于实现和最终的系统性能之间的成本效益。通常在这种系统中，MPPT控制是由直流-直流转换器开关完成的，逆变器用来保护以及和电网同步[12]。结构如图2所示。
图2：被动整流器 直流-直流转换器 逆变器
第三种最常见的设置如图3所示，系统由一个背靠背变换器组成。最大的优点是使用这种结构发电机的输出电流低失真。然而，这种结构和已经出现的其他结构相比十分复杂。通常这种结构应用于高功率系统。
图3：背靠背变换器
本篇论文提出了一种将1kW220V60Hz的小型风力发电机并网的简单、稳定、经济的电力电子系统。它能够被应用在通讯系统、家庭、农场、能量储存系统以及可再生能源小规模生产的其他方面。
2 系统
本篇论文提出的系统如图4所示。它是由一个被动的整流器、一个降压型直流-直流转换器和一个推挽式逆变器组成。一种商业性的低频变压器用来电隔离
图4：系统
该系统被设计为工作额定功率1KW。涡轮机研究被建造在气流更强的城市中使用。
2.1 被动整流器
被动整流器被放置在发电机的输出侧用来将涡轮机输出的交流电压转换成直流电压。因此发电机能够工作在变频并且高效。这种策略适合小型风力发电机。
应用在该课题的被动整流器就是著名的格雷茨桥。选择它是因为它是一种非常简单和稳定的元器件[6],[7],[14]。还应该指出的是，由于高电感的发电机，甚至在使用二极管整流器时电流畸变也低
2.2 降压型直流-直流转换器
布克转换器有两个功能：第一种是控制整流器输出的直流和发电机的最大功率；第二是控制流入逆变器的正弦波整流器格式的电流。
降压型直流-直流转换器的选择是因为它在低功率应用中的以下几个优点：（1）它在低电压半导体工作；（2）控制技术简单；（3）开关在发电机和电网之间的直接路径使安全电路断开；（4）它的电压输入特性决定其MPPT控制；（5）它的电流输出特性为逆变器提供便利；（6）整个系统只需要一个电容器。
2.3推挽式逆变器
逆变器的功能如下：（1）将布克转换器的直流电流转变成交流电流；（2）隔离系统并且将电流流入电网。随着电流已经是正弦波形式，转换器的功能是转换当前每半个周期电源。因此，它在开环运行，与电网同步且频率为60Hz。
对于推挽式逆变器，它有如下优点：（1）开关频率低，减少了半导体上的开关损耗；（2）在积极的电网打开一个开关，另一个消极的时期，因此，容易与电网同步[8]；（3）变压器提供与系统之间的隔离；（4）变压器被设计为工作在60Hz的稳定的系统中。
2.4 控制
MPPT技术是通过巴克转换器，调节直流母线上的电压。MPPT技术确保发电机工作在最大功率或接近于最大功率。在同一开关有一个电流闭环控制，它控制感应电流因此功率因数可以接近于单位功率因数。
3 操作原理
首先，结构的分析阶段将看到操作系统在电网的正半周以及之后在负半周的情况。在周期中，降压型直流-直流转换器工作在开关频率处于赫兹顺序的连续状态模式。推挽式逆变器也工作在连续状态模式，但是频率和电源相同，为60Hz。
因此，两种位于电网各半周的拓扑阶段将被展示。
3.1 降压型直流-直流转换器工作在正半周
3.1.1开关开通时的拓扑阶段
在这种模式下，降压型直流-直流转换器的开关正在开通，电流从涡轮机流向感应器，特征是此时为能量存储阶段。在电网正半周开关s2a开通，而开关s2b闭合。当开关闭合这种状态结束，中断当前通过这个，打开飞轮二极管。
3.1.2开关闭合时的拓扑阶段
在之前状态结束的时候，开始新的状态，在新的状态里输入电源（风力发电机整流器 电容器组合）和主电源不相连。与此同时储存在感应器的能量通过飞轮二极管向电网传输能量。目前开关s2a开通，因为此时仍处于正半周。当开关s1再次开通时这种状态停止。这两种工作状态如图5所示。
图5：正半周拓扑阶段
a)开关s1开通 b)开关s2闭合
3.2 降压型直流-直流转换器工作在负半周
在电源负半周期间，两种拓扑阶段都有。一种是输入电源将功率输送到电网（开关s1开通时），另一种是风力发电机与电网不相连（开关s2闭合时）。负半周和正半周的唯一区别是推挽式开关是开通的。在这半周里，图6的开关s2b显示了两种状态。
图6：负半周拓扑阶段
a)开关s1开通 b)开关s2闭合
4 定量分析的操作
4.1工作周期
布克转换器的工作周期可以通过不同的电感电流转换时期来计算。图7显示了能够用来计算静态增益的等效电路。
图7：等效电路
在图7，当转换正在进行时，感应器两端的电压乘以传导时间：
（1）
当开关被锁定时：
（2）
一段时间过后，感应器两段的平均电压为0，此时：
（3）
然而，输出电压是正弦曲线型：
（4）
将（4）代入（3），隔离D：
（5）
4.2半导体的压力
电感电流的理论波形如图8所示，电感电流的公式由下给出：
图8：电感电流波形图
（6）
因为可以由下式计算：
（7）其中，是输出功率，是主变压器的峰值电压。
知道感应器电流，布克开关的和飞轮二极管的平均电流可由下式表示：
（8）
（9）
4.3直流环节
直流环节电容的选择是系统运行在伟大水平的基础。来自整流器功率电网的120Hz的元器件对整个系统有很大影响并且直流环节会尽可能的从元器件吸取能量。所以，需要的总电容取决于（10）式。
（10）其中，是电压差，是电网频率。
4.4 控制
控制系统的设计如前所述，有两个控制回路。如图9所示。
图9：方块图
电感电流的传递函数由下式定义：
（11）
电容电压的传递函数由下定义：
（12）
5 设计实例
5.1 设计规范
设计规范所提出的验证系统表可见表1.
|
参数 |
值 |
|
额定功率 |
1000W |
|
输出电压（rms） |
220V |
|
主变压器电压（rms） |
33V |
|
直流环节电压 |
70V |
|
电网频率 |
60Hz |
|
电流脉动 |
5% |
表1：设计规范
5.2 涡轮机
此设计实例中应用的涡轮机型号是GERAR 246，由Enersud公司（一家英国公司）制造。当风速为12m/s时这个风力涡轮机的额定功率是1000W。这个涡轮机有一个水平轴和三个叶片。空载转速为2.2m/s。可由参考文献[9]寻找更深入的信息。
5.3 负载周期
系统的负载周期由式（5）计算得出并且通过图10显示。
图10：负载周期
变压器转换比的选择要确保布克转换器可以在70V的输入电压下安全操作。为了选择适合的变压比，首先是定义一个最大输入电压的脉动，然后选择变压器的初级电压。通过设置最大输入电压的脉动，以及式（10），可以计算出直流环节所需的电容。
5.4 MPPT 控制
研究选用的涡轮机能够使系统稳定。对于不同的风速，一条60V到80V的母线电压确保系统能够工作在最大功率或接近于最大功率。此设计的固定参考电压是70V。图11显示了涡轮机在不同风速下的表现。
MPPT技术是指通过布克转换器调节直流母线上的电压。
图11：输出功率*直流环节电压
表2和表3显示了所用的元器件以及计算值和实际值之间的比较。
|
元器件 |
型号 |
|
被动整流器 |
36MT20 |
|
布克二极管 |
V80170PW |
|
推挽式二极管 |
DSA90C200HB |
|
开关 |
FQA62N25C |
|
变压器 |
220V/33V/60Hz |
|
感应器 |
0.5mH |
|
直流环节 |
2068uF |
|
控制器 |
UC3854 |
|
引导驱动器 |
IR2127SPBF |
表2：样板元器件
6 仿真结果
6.1 完整系统
系统已经搭建完成并且在PSIM软件上仿真。这些仿真是基于常量风速和变量风速。如下是仿真结果。
图12：仿真系统
|
理论值 |
仿真值 |
|
|
|
70V |
72V |
|
|
10V |
10.5V |
|
|
42A |
43A |
|
|
0.667 |
0.65A 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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