永磁直驱单相风力发电系统中MPPT和并网逆变器的研究

摘要

能源是人类社会发展的动力来源，人类对能源的需求日益增加。由于煤炭、石油和天然气是不可再生能源，这三大能源的储量正日趋枯竭。传统能源的使用对环境的负面影响也越来越严重，使得人们必须去寻找新的替代能源。风能的丰富性和清洁性使风力发电备受人们关注。但由于风能的不稳定性造成了风能利用效率低，所以通过提高风能利用效率来达到增大输出功率一直是人们追求的目标，也是当今研究的一个热点。
　　本文介绍了风力发电的几种方法，分析了各种方法的优缺点，在此基础上选择了直驱型永磁同步电机构建风力发电系统。主电路的风机侧采用了不控整流桥加BOOST电路，选择扰动观察法(Perturb&Observe，P&O)实现最大功率的跟踪(Maximum Power PointTracking, MPPT)控制。针对常规MPPT算法在最大功率点处易出现振荡，会导致系统不稳定的问题，论文提出了基于振荡次数抑制自适应变步长占空比扰动法，用以抑制最大功率点(Maximum Power Point, MPP)附近的振荡:在最大功率点附近，占空比的扰动方向每改变一次，就相应的减小下一周期的占空比扰动量，直到扰动值小于最小阈值时，令占空比扰动量为零。当风速不稳定时，可以根据相邻两次采样的功率值之差与当前功率的比值(ΔP/P)来判断风速变化情况。逆变电路采用滑模变结构控制，对普通指数型趋近律滑模控制进行改进，增加了系统的鲁棒性，成功实现了并网。
　　本文使用MATLAB/SIMULINK软件对风电系统中的MPPT控制器和逆变器进行了建模和仿真，验证了振荡次数抑制自适应变步长方法能较快的实现最大功率点跟踪，消除了振荡，验证了滑模变结构控制的稳定性。在仿真研究的基础上了，研制了一台2KW的风能发电并网系统，采用TI公司的DSP TMS320F2808芯片，实现了论文中提出的MPPT控制器和并网逆变器的全数字控制。最后，实验结果表明，该系统具有良好的动态和稳态性能，所研究的MPPT控制器能够快速准确地跟踪因风速而引起的功率变化，并消除了功率在最大点附近的振荡;改进的滑模控制器能够增加系统的抗干扰能力，实现快速安全的并网发电。