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摘要：

和大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較來看，小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電又不論是在安裝上十分的方便，同時還具有建設(shè)周期較短，成本不高，應(yīng)用非常便捷等優(yōu)勢，所以對其進(jìn)行發(fā)展和推廣具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，利用并網(wǎng)逆變器將電能從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行輸出，并將其并到低壓電網(wǎng)中是當(dāng)前對小型風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行應(yīng)用的重要研究趨勢，受到了越來越多研究人員的關(guān)注。本文首先介紹了電流型逆變器在小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的重要價值，之后闡述了小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制策略特點(diǎn)及目標(biāo)，最后介紹了小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要軟硬件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：

小型風(fēng)力發(fā)電；變流器；控制系統(tǒng)

0引言

當(dāng)前，人們的環(huán)保意識越來越強(qiáng)，而能源危機(jī)卻日益嚴(yán)重，因此找到以后總可以替代能源成了一個非常重要的課題。不論是在國外，還是我國，對于太陽能、風(fēng)能以及地?zé)岬瓤稍偕茉炊嫉玫搅溯^快的發(fā)展，這不但能夠使得煤以及石油等消耗得以降低，同時也使得對一次性能源具有的依賴得以降低，極大的推動了能源的多樣化和自主性發(fā)展；此外，可再生能源還可以使環(huán)境不斷惡化的趨勢得到一定的緩解，進(jìn)而追求更為環(huán)保的綠色生活方式。再這樣的背景下，風(fēng)力發(fā)電發(fā)展突飛猛進(jìn)。風(fēng)力，從大自然中來，用之不竭、取之不盡。通過風(fēng)力發(fā)電，不能可以使能源不足的狀況得意緩解，還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時也不會導(dǎo)致溫室效應(yīng)和環(huán)境污染問題的出現(xiàn)。因為風(fēng)力發(fā)電容易受到天氣的影響，所以具有間歇性和不穩(wěn)定性的特征，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的效率以及發(fā)電量都受到影響，所以，在對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)該充分利用軟硬件設(shè)備使得風(fēng)力發(fā)電可以獲取穩(wěn)定的電能。

1電流型逆變器在小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的重要價值

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在進(jìn)行運(yùn)作的過程中，無需使用燃料，而且也不會給環(huán)境帶來什么有害的物質(zhì)，具有極高的環(huán)保價值，是受到越來越多關(guān)注的綠色能源。然而，和小型離網(wǎng)型風(fēng)力系統(tǒng)比較來看，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電不用通過儲能裝置就可以進(jìn)行電量的輸出，具有更為節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特征。而和大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較來看，小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電又不論是在安裝上十分的方便，同時還具有建設(shè)周期較短，成本不高，應(yīng)用非常便捷等優(yōu)勢，所以對其進(jìn)行發(fā)展和推廣具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，利用并網(wǎng)逆變器將電能從小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行輸出，并將其并到低壓電網(wǎng)中是當(dāng)前對小型風(fēng)力發(fā)電進(jìn)行應(yīng)用的重要研究趨勢，受到了越來越多研究人員的關(guān)注。但是，應(yīng)該看到，在對小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究的過程中，電力電子變換器拓?fù)浼捌淇刂撇呗詥栴}是其中的難點(diǎn)，所以研發(fā)出成本較低、實(shí)用高效的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略將對于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展影響較為深遠(yuǎn)。

2小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制策略特點(diǎn)及目標(biāo)

當(dāng)前，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中所應(yīng)用的并網(wǎng)逆變器常常具有一些問題。首先，能夠進(jìn)行利用的風(fēng)速范圍較小。因為當(dāng)前并網(wǎng)逆變器所具有的使用條件導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電所需的最低發(fā)切入風(fēng)速受到限制，結(jié)果導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率受到影響，這必然會使得整個系統(tǒng)的成本受到影響，使得小型并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的推廣受到阻礙。而電流型逆變器的并網(wǎng)控制以及最大功跟蹤是小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制技術(shù)，因此，對于電流型逆變器的控制策略進(jìn)行研究和探討非常的重要。

2.1電流型逆變器的控制的特點(diǎn)

在小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，對電流型逆變器的控制研究是其中的重難點(diǎn)問題，通常是通過對逆變器進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)輸出電流的。所以，要使得系統(tǒng)單相電流源型逆變器并網(wǎng)得以實(shí)現(xiàn)，就一定要結(jié)合所輸出功率的大小來對逆變器所要輸出電流的幅值進(jìn)行確定。而將電網(wǎng)電壓的同步信號直接進(jìn)行檢測，并將其當(dāng)作變流器并網(wǎng)輸出電流的跟蹤信號，不僅能夠讓系統(tǒng)并網(wǎng)快速的輸出電流，對電網(wǎng)電壓信號進(jìn)行跟蹤，同時還可以實(shí)現(xiàn)同相位運(yùn)行，進(jìn)而使得單位功率因數(shù)輸出得以實(shí)現(xiàn)，且此控制策略的原理十分的簡單，很容易就可以達(dá)到。

2.2電流型變流器并網(wǎng)控制的目標(biāo)及要求

從目標(biāo)上來看，小型風(fēng)力并網(wǎng)發(fā)電要對逆變器輸出的并網(wǎng)電流進(jìn)行控制，使其可以成為質(zhì)量較高且十分穩(wěn)定的正弦波，得到和電網(wǎng)電壓同相同頻，進(jìn)而達(dá)到并網(wǎng)單位功率因數(shù)運(yùn)行。從要求上來看，小型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，電流型變流器的并網(wǎng)控制要達(dá)到兩個方面的要求，第一，就控制原理而言，作為擾動量，電網(wǎng)要和并網(wǎng)逆變器的輸出端直接相連；第二，逆變器的并網(wǎng)輸出電流應(yīng)該和電網(wǎng)電壓做到同相同頻。

3小型風(fēng)力發(fā)電逆變器并網(wǎng)控制系統(tǒng)主要軟硬件設(shè)計

3.1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1.1逆變主電路

逆變主電路在控制系統(tǒng)主電路中有最為重要的作用,擔(dān)負(fù)著直流到交流的變換任務(wù)。四象限變流器形式的逆變主電路和一般電壓型主電路有所不同,見圖1。 在實(shí)驗的初期，為了確保逆變器不會由此而受到損害,將2Ω的保護(hù)電壓串聯(lián)到直流母線上,并且監(jiān)視電阻的壓降，這樣能夠?qū)χ绷髂妇€電流情況實(shí)時進(jìn)行獲悉。在實(shí)際的實(shí)驗過程中,Udc電網(wǎng)電壓是通過調(diào)壓器進(jìn)行整流之后而輸出的,這樣不但能夠使系統(tǒng)的電壓等級降低，同時也能夠逐步對系統(tǒng)的問題進(jìn)行排查。由于Udc是通過調(diào)壓器而得到的,所以無法起到隔離的功效，因此逆變器交流輸出側(cè)是不可以直接并網(wǎng)的,在實(shí)驗當(dāng)中是通過隔離變壓器隔離以后在通過調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的。

3.1.2主電路總體結(jié)構(gòu)

為了確保系統(tǒng)安全，同時方便進(jìn)行實(shí)驗的調(diào)試，實(shí)驗主電路通常選取的是對電壓等級進(jìn)行降低，隔離變壓器的手段。為了可以更為便利的獲取改變的直流電壓,在主電路系統(tǒng)當(dāng)中選取了調(diào)壓器和二極管整流的方法,當(dāng)進(jìn)到逆變器以后，通過控制算法，系統(tǒng)將信號輸出，之后在通過隔離變壓器，進(jìn)而達(dá)到把設(shè)備和電網(wǎng)進(jìn)行隔離的目的。在這種狀況下，假如設(shè)備發(fā)生了短路等故障，就不會由于混亂而造成危險；假如電網(wǎng)在小幅度上發(fā)生波動，也不會讓設(shè)備的運(yùn)行受到影響。最后,通過調(diào)壓器的調(diào)節(jié)以后并到電網(wǎng)當(dāng)中。從實(shí)際上來看，系統(tǒng)能夠在處于直流電壓存在波動的狀況下自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，而輸出與要求相符的并網(wǎng)電壓。因此在這里面所加的網(wǎng)側(cè)調(diào)壓器目的是為了配合實(shí)驗調(diào)試。

3.1.3DSP控制單元

在控制系統(tǒng)當(dāng)中，DSP是其中的核心，不論是在對系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)時保護(hù)上，還是系統(tǒng)的運(yùn)行上都是通過DSP芯片來實(shí)現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)的微處理器上本研究選取的時具有性能較高的16位定點(diǎn)DSP TMS320LF2407A，其中包括兩個專門對電動機(jī)進(jìn)行控制的事件管理器，這兩個可以完成PWM的波形輸出、對能夠進(jìn)行編程的PWM進(jìn)行死區(qū)控制。此外，事件管理器還能夠出現(xiàn)對稱和不對稱的PWM信號，由于可以帶來更小的電流諧波，因此在此設(shè)計當(dāng)中采取的是對稱的PWM信號。

3.1.4對電路設(shè)計進(jìn)行檢測和保護(hù)

在實(shí)際應(yīng)用計算機(jī)控制系統(tǒng)的過程中，一定要考慮是否具有可靠性，特別是在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，系統(tǒng)抗干擾能力尤為明顯。為了避免發(fā)生出現(xiàn)并解決干擾現(xiàn)象，不但要適當(dāng)?shù)奶幚砀蓴_源，同時還要多采取防范的手段，進(jìn)而方式因為外界干擾而導(dǎo)致出現(xiàn)程序“死機(jī)”或是“跑飛”問題，而造成系統(tǒng)工作發(fā)生異常。另外，系統(tǒng)一定要具備對外部環(huán)境的干擾以及影響進(jìn)行抵抗的能力，是否具有可靠性是對系統(tǒng)進(jìn)行評判的重要指標(biāo)之一。在本設(shè)計當(dāng)中，為了使系統(tǒng)具有更高的可靠性，同時使用了硬件看門狗和軟件看門狗。

3.2系統(tǒng)主要軟件設(shè)計

3.2.1蓄電池

蓄電池可以為獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供其所需要的能量，因為需求不同，負(fù)載功率也會有所變化，同時受到大氣環(huán)境的影響，風(fēng)能大小也會也有所差異，所以，為了能夠讓負(fù)載的端電壓保持穩(wěn)定，一定要加入蓄電池，從而達(dá)到系統(tǒng)輸入和輸出能量之間的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

3.2.2對鍵盤操作程序進(jìn)行設(shè)計

在整個程序設(shè)計當(dāng)中，鍵盤操作程序必不可少，如果用戶想要更為便捷的控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，就需要鍵盤在其中發(fā)揮作用。因此，在鍵盤程序中，可以對一些常規(guī)的操作，例如起動、停止以及復(fù)位按鍵等進(jìn)行設(shè)計。

3.2.3對采樣以及保護(hù)程序進(jìn)行設(shè)計

盡管在整個程序當(dāng)中，系統(tǒng)采樣以及保護(hù)程序相對在設(shè)計上要相對簡單。然而，其所具有的重要作用和地位則不能忽略。通過采樣獲取的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確與整個系統(tǒng)能否正常輸出，系統(tǒng)是否穩(wěn)定具有直接的影響。而保護(hù)程序設(shè)計上則和系統(tǒng)設(shè)備的安全性具有直接的影響，在這方面，主要是對硬件看門狗電路進(jìn)行配合程序，同時對孤島效應(yīng)進(jìn)行簡單的檢測。

3.2.4對主程序進(jìn)行設(shè)計

系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)的核心,接收采集信號,對采集信號進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)算法,輸出控制信號,輸出保護(hù)信號等?？刂瞥绦蛞笥泄潭ǖ牟蓸又芷?所以主程序放在定時器中斷中執(zhí)行。這樣主控制程序就不會受到諸如程序延時、鍵盤掃描、串行顯示的影響而準(zhǔn)確地定時執(zhí)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王瑞.小型風(fēng)力發(fā)電變流器控制系統(tǒng)[D].山東建筑大學(xué),2013.

[2]喻莉.小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)變流器的控制研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2010.

作者:李康 單位:曲阜師范大學(xué)日照校區(qū)工學(xué)院