风力发电系统的电能变换装置设计的具体方案

  正常启动风速到达后，风轮机开始运行，当风速较大时，风力发电机组发出的电能，经过电能变换装置调节后，得到用户负载所需要的交流电，多余的电能经过蓄电池储存起来;当风速不足时，风力发电机组发出的电能较小或则不发电能，此时由蓄电池发电给电能变换装置，进而变换后，供给用户负载;当风力发电机组发出的电能远大于用户所需的电能，且在蓄电池电量已被充满的情况下，采用泄能负载控制器对多余的电能放电。

  在直驱风力发电系统中，风轮机对风能的捕获及其电能变换装置的控制策略在整个风电系统运行过程中决定风电转换的效率，根据风速的变化，负载的变化以及储能装置容量的变化，来研究风电系统的控制策略对风力发电系统的稳定运行以及最大化的利用风能有着重要的意义。由于离网型风力发电系统多用于农区、牧区等远离常规电网的场所，风力发电是主要的供电形式，根据这一地区用户负载的用电情况，在常规情况下可以设负载的电流阈值为Io，储能装置蓄电池SoC的阈值为Co，实测风速的阈值为Vo。当风力发电机运行在切入风速与切出风速之间时，设定风力发电体系中用户负载电流、蓄电池SoC及实测风速分别大于各自设定的阈值时，为1状态;小于设定阈值时为0状态，则可列出表1。

  在表中开关状态一行中数值位是“1”的，表示在图2中的Tx开关接通，为“0”的这一路表示开关断开，供电模式下的1～8种状态分别表示为：T2接通，风机供电;T1，T2接通，风力发电机供电，蓄电池充电;T2，T3接通，风力发电机供电，蓄电池放电;T2，T4接通，风机供电，泄能负载介入;T2，T3接通，风力发电机供电，蓄电池放电;T2接通，风机供电;T2，T3接通，风力发电机供电，蓄电池放电;T2接通，风机供电。

  在风力发电系统中，以风力发电机提供电能为主，蓄电池放电为辅，上述几种形式为风速达到风轮机运转的切入风速，且未超出切出风速，在稳定的工作风速内，并未提及无风以及风速过大，超出风力发电机承受的最大风速，那时将要启动机械刹车装置，将风轮机锁住，保护风力发电系统。

  风力发电机发出的电能电压为三相交流电，且输出电压较低，需经过整流器进行整流，得到的直流电在经过控制器的作用下对蓄电池进行充电，设计中采用的是三相桥式不可控整流。而对于直流变换电路基本功能是：调节直流输出电压使之恒定，以达到后级逆变电路输入要求;提高逆变电路的功率因数并抑制高次谐波，完成功率因数的校正，所以可采用直流Boost升压斩波电路。选用全桥逆变电路，其特点为带负载能力强，电路容易达到大功率;又由于LC滤波器有着对输出波形中的高次谐波进行滤波处理的能力，因此选用了输出端带LC滤波器的单相全桥逆变电路的拓扑结构，以使逆变电路输出高质量的正弦波形。

  设计的永磁直驱风力发电系统发出电压在18～50 V之间变化时，经过电能变换电路的处理得到稳定的220 V电压，通过研究得出在设计整流及Boost升压变换电路的控制策略时，应该以控制输出电压为出发点，使输出电压保持恒定为目的，且同时要保证系统功率因数尽可能的接近于1，综合风电系统特殊环境及Boost变换的电路CCM工作特性的基础上，控制管理系统的设计中采用了平均电流控制技术，结构上为电流内环和电压外环构成双闭环结构;而对于逆变电路部分则在电路的控制方式上选用正弦脉宽调制方式对逆变电路来控制，设计了采用PI调节器及PWM控制的电路控制策略。在确定了系统中电路的运作时的状态后，确定了电路参数，并利用Matlab\Sireulink搭建了电能变换电路逆变部分的仿线所示。

  仿线中从上至下分别为未经过滤波的负载电流波形、经过滤波后的负载电流电压波形，仿真结果可见在允许的范围内达到了负载要求的工作电压。

  针对永磁直驱风力发电体系下的电能变换电路进行了设计，并对所设计的控制策略及方案在Matlab软件下应用Simulink来完成的模型搭建和仿真调试。通过仿真，验证了设计的电能变换电路拓扑结构的正确性及控制策略的合理性，为直驱风力发电系统的电能变换的研究提供了一定的信息。

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