直驱型风电系统单周期控制的并联Boost PFC 变换器分析与设计

     摘要: 直驱型风力发电系统采用三相不控整流桥与带有大容量电容器的电压源电流控制型逆变器并网发电，电能变换电路向永磁同步发电机中注入了大量低频谐波，增加了系统损耗，减少了系统功率容量。提出了一种将两组Boost 电路并联，并采用单周期技术加以控制的方案。仿真结果表明，该方案实现了对永磁同步发电机的输出进行功率因数校正、降低发电机电流的谐波含量、提高系统功率容量的目标，从而验证了该方案的可行性和正确性。

　　0 引言

　　随着风力发电技术的不断发展，直驱式风力发电系统因其维护成本低、噪声小，具有较好的低电压穿越能力而受到越来越多的关注。由于永磁材料性能的改善和新的永磁材料出现的同时，价格也在不断降低，另外永磁电机不需要电励磁，控制更加简单，用在直驱式风力发电领域具有优势。随着电力电子技术的不断发展，原来限制直驱式风力发电系统大力发展的电力电子变换装置已经不再成为难以克服的问题。

　　典型的直驱型风力发电系统的主电路拓扑一般为:风力机与永磁同步发电机直接连接，通过三相不控整流器整流再进行逆变后并网。但由于同步发电机在低风速时输出电压较低，无法将能量回馈至电网，因此，实际的电路往往在直流侧加入一个Boost 升压电路，在低速时由升压电路先将整流器输出的直流电压提升，采用此电路可使风力发电机运行在非常宽的调速范围。另外，Boost 电路还可以调节整流器输入端(即发电机输出端) 的电流波形，以改善其谐波失真和功率因数。

　　但是，随着系统功率的不断增加，单重Boost电路的开关器件(功率开关、升压二极管、升压电感)必然要承受过高的瞬间电压和电流应力，选择器件困难，成本较高，而且还将增大电路中的du /dt 和di /dt，造成严重的辐射和传导EMI［3-5］。

　　为了克服上述弱点，本文提出了利用两组Boost 电路并联，将单周期控制技术引入Boost 变换器，对直驱系统中的永磁同步电机进行升压稳压以及功率因数校正的方法。

　　1 单周期控制的基本原理

　　单周期控制是一种新型的功率变换器非线性控制策略。在输入或负载跳变时，功率变换器可在一个开关周期实现控制目标。该技术同时具有调制和控制的双重性。

　　恒频PWM 单周期控制原理如图1 所示。控制器包括积分器A1、复位开关Sr、比较器A2 和RS 触发器，当时钟脉冲到来时，RS 触发器置位(Q 端为高电平)，主开关VS 导通，复位开关Sr关断。在该状态中，开关输出y ( t) 等于输入x(t)，实时积分器就开始工作，其积分值为：

　　当ue达到－ uref时，比较器输出复位RS 触发器(QN 为高电平)，VS 变为截止状态，Sr 导通，实时积分器复位，以准备下一个开关周期。基准参考电压值uref可表示为：

　　可以看出，开关输出y(t)为输入x(t)在一个周期Ts内的平均值，即：

　　若RC = Ts，则uref = y ( t) = Dx ( t)，相当于y(t)跟踪uref。

　　由上述可知，单周期控制使开关变量在一个开关周期中地跟踪控制参考，这样不但可以获得高带宽，有效地消除电源纹波干扰，而且能在同电路中处理信号和功率，控制方法简单，因此，不需要开关元件的匹配，就能得到很高的线性度。

图1 恒频PWM 单周期控制电路和原理波形。

　　2 单周期控制的并联PFC Boost

　　直驱型风力发电系统基于分频的单周期控制并联Boost PFC 变换器的原理图如图2 所示，其基本原理是风力机与低速永磁同步发电机直接连接，在发电机的输出端经EMI 滤波、三相不控整流和基于分频的单周期控制并联Boost 电路升压。

图2 直驱型风力发电系统原理框图。

　　基于分频的单周期控制并联Boost 电路的基本原理是将单周期控制电路根据电压、电流双环原理产生的控制信号S，经过D 触发器后输出互补的两路分频信号SQ 和SQN。S 与SNQ 相“与”后，输出为一路Boost 的控制信号S1; S 与SQ相“与”后，输出为另一路Boost 的控制信号S2，S1 和S2 分别用来驱动两路Boost。分频电路所需元器件少，只需要一片“与”门和一片D 触发器，完全采用模拟电路设计而成，成本低廉，简单易行，而且可移植性很好，具有较大的实用价值。

　　以图2 基于分频的单周期控制并联Boost 电路为研究对象，其拓扑如图3 所示。开关时态及主要波形图如图4 所示。

图3 基于分频的单周期控制并联Boost 电路拓扑结构。

图4 开关时态及主要波形。

　　结合图3 可得出并联Boost 电路的工作时序:

　　(1)在t0时刻之前，S1、S2 关断。在t0时刻，S1 开通，流过L1的电流开始增加，L2继续放电。

　　(2)在t1时刻，iL2降为零，L2放电完毕，二极管VD2 截止，L1继续放电，电流iL1继续增加。

　　(3)在t2时刻S1 开通，储存在L1中的能量通过二极管VD1 开始向电容释放。

　　(4) 在t3时刻S2 开通，S2 开通时二极管VD2 已经关断，因此，S2 开通时VD2 的反向恢复电流为零。

　　(5)在t4时刻，iL1降为零，iL2充电。

　　(6)在t5时刻，开关管S2 断开，电感L2通过二极管向电容放电。

　　(7)t6时刻后，又开始了下一个周期的工作。

　　3 仿真验证

　　采用Matlab /Simulink 软件对图2 所示的电路进行仿真验证。永磁同步发电机参数:定子电阻Rs = 0. 248 8 Ω;同步电抗Ld = 3. 46 mH;Lq =4. 6 mH;永磁体转子产生的磁通= 1. 051 Wb;极对数p = 8;L = 0. 3 mH;电容C = 470 μF;负载R =76. 5 Ω。系统时钟频率f = 20 kHz，则支路开关频率为10 kHz。输出直流电压参考Uref设定为400 V。

　　工作在低速条件(26. 67 Hz) 时永磁同步发电机A、B、C 三相的相电压和相电流的波形如图5所示，可以看到，相电压和相电流的相位差非常小，其相移功率因数可认为1。

图5 三相电压和电流波

　　三相电流的频谱图如图6 所示，从图中可得三相电流的ηTHD分别为:ηTHDa = 3. 30%，ηTHDb =3. 23%和ηTHDc = 3. 78%。三相输入的功率因数分别为：

图6 三相电流频谱

　　两支路电流IL1、IL2如图7 所示，可以看到两支路由于开关频率低，工作在断续电流模式(DCM) 下，而总的输入电流为连续电流模式(CCM)，减小了电流脉动和谐波含量。这样在实际应用中由于支路电流是总电流的一半，可以提高系统的功率容量，减小系统的开关损耗，提高器件利用率;另外，还可以看到，两支路电路均流良好，能够有效减小器件的电压、电流应力，延长器件的使用寿命。

图7 两支路得电流波形

　　输出电压波形如图8 所示，可看出输出电压U0基本稳定在400 V，稳态误差小。

图8 输出电压波形

　　4 结语

　　本文提出的基于单周期控制策略的并联Boost电路实现直驱式永磁同步发电机功率因数校正，可以提高系统的功率容量，减小系统的开关损耗，提高器件利用率。试验结果表明，该技术可将发电机输出的谐波抑制在4% 以内，功率因数可达0. 999 3以上，并且可提供较稳定的直流输出电压。理论分析和仿真结果证明了该电路在风力发电场合应用的可行性和优越性。