通過對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r的分析，提出了包括不可控橋式整流器和Buck變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)負(fù)載跟蹤和充放電集成控制，且結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。針對(duì)設(shè)計(jì)方案建立Simulink仿真模型，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果證明本設(shè)計(jì)可行、結(jié)果正確。

　　引言

　　風(fēng)力發(fā)電受風(fēng)的影響而使發(fā)電機(jī)輸出特性發(fā)生很大的變化，產(chǎn)生的電能很難滿足負(fù)載恒定電壓的要求。為解決在無風(fēng)時(shí)提供可靠電能，在大風(fēng)時(shí)保證發(fā)電系統(tǒng)的安全并提供平穩(wěn)電能，必須對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率加以控制，既提高風(fēng)能利用系數(shù)．又能提高風(fēng)機(jī)發(fā)電量。應(yīng)用新型高效率的電能變換回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制策略和先進(jìn)的控制理論是提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率的重要方法。以Buck電路作為功率控制主電路的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電路簡單，可靠性高。在考慮風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)Buck電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真研究。

　　1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　1.1 設(shè)計(jì)方案的提出

　　小型離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要包括風(fēng)力機(jī)、三相永磁同步發(fā)電機(jī)、橋式整流器、DC/DC斬波器、蓄電池、逆變器幾個(gè)組成部分。風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，所發(fā)出的交流電經(jīng)整流后給蓄電池充電或供給負(fù)載；逆變器將蓄電池或斬波器輸出的直流電變換成交流電供負(fù)載使用；DC/DC斬波器用來改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率和控制蓄電池充放電。

　　1.2 集成控制策略

　　綜合考慮風(fēng)速、負(fù)載變化和蓄電池充放電特性的負(fù)載跟蹤和充放電集成控制策略，通過改變發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和使用耗能負(fù)載相結(jié)合，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電流按照一定規(guī)律變化，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成控制的四個(gè)基本策略：最大功率控制MPPT、負(fù)載跟蹤控制、蓄電池充電控制、運(yùn)行保護(hù)控制。

　　2 電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)的計(jì)算

　　2.1 永磁發(fā)電機(jī)

　　采用稀土永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)，減去了增速箱，傳動(dòng)軸部件，避免出現(xiàn)漏油和因主軸不同軸而引起的振動(dòng)，降低了機(jī)械故障率，提高了機(jī)組效率和可靠性。

　　2.2 二極管整流電路

　　獨(dú)立運(yùn)行的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多使用橋式不可控整流方式，因?yàn)樗怯啥O管組成。三相整流器除了把輸入的三相交流電能整流為可對(duì)蓄電池充電的直流電能之外，另外一個(gè)重要的功能是在外界風(fēng)速過小或者基本沒風(fēng)的時(shí)候，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率也較小，二極管導(dǎo)通方向是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出端到蓄電池，所以防止了蓄電池對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的反相供電。

　　2.3 蓄電池

　　基于性能價(jià)格比的考慮，大多數(shù)采用鉛酸蓄電池。放電終止電壓VD=22V，充電終止電壓VE=30V。蓄電池將DC/DC變換器輸出電壓鉗制在22V～30V的范圍內(nèi)。

　　2.4 降壓斬波電路的參數(shù)計(jì)算

　　如圖2所示，通過在功率開關(guān)管的控制端施加周期一定，占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)Q導(dǎo)通時(shí)，二極管D截止，發(fā)電機(jī)輸出電壓整流后通過能量傳遞電感想負(fù)載供電，同時(shí)使電感L能量增加；當(dāng)開關(guān)截止時(shí)，電感釋放能量使續(xù)流二極管D導(dǎo)通，在此階段電感L把前一段能量向負(fù)載釋放，使輸出電壓極性不變且比較平直。濾波電容C2使輸出的紋波進(jìn)一步減小。顯然，功率管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長，傳遞的能量越多，輸出電壓越高。

　　2.5 單相逆變電路

　　全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。V1-V4為電力電子開關(guān)器件。工作時(shí)，V1和V4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，V2和V3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，且同一橋臂上的兩個(gè)開關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成直流電源的短路。D1-D4為續(xù)流二極管，分別與V1-V4反并聯(lián)，其作用是為交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道。輸出LC濾波器對(duì)輸出波形中的高次諧波進(jìn)行濾波處理，使逆變電路輸出高質(zhì)量的正弦波形。

　　逆變電路的輸出端采用電感和電容構(gòu)成型低通濾波器，其傳遞函數(shù)為：，逆變器的輸出為頻率為20kHz的方波，其基波為50Hz，輸出SPWM波中含有的諧波主要在2倍和4倍開關(guān)頻率附近，逆變器輸出濾波：負(fù)載電阻為額定負(fù)載電阻的50%進(jìn)行計(jì)算，由下列公式：，計(jì)算得到濾波電感和電容的取值分別為2mH和13.3μF。

　　3 系統(tǒng)仿真

　　根據(jù)分析對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真系統(tǒng)建立仿真模型，并用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真分析參數(shù)為：在不同的風(fēng)速時(shí)發(fā)電機(jī)三相交流電壓有效值的變化范圍是40V～80V、開關(guān)頻率10Hz、負(fù)載1kW。仿真結(jié)果證明系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　4 結(jié) 語

　　設(shè)計(jì)的獨(dú)立運(yùn)行離網(wǎng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主電路可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，有利于提高系統(tǒng)的整體效率及可靠性，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。