CN108075481A - 风力发电微型逆变器装置及控制方法 - Google Patents

风力发电微型逆变器装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种风力发电微型逆变器装置及控制方法，所述微型逆变器装置包括：第一正激变换器、第二正激变换器、LC滤波器、RCD吸收电路、LCL滤波器、第一驱动模块、第二驱动模块、转速传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第三功率管、第四功率管和MPU控制器。该风力发电微型逆变器装置利用两个正激变换器在电网电压的正半波周期内与负半波周期内交替工作，并通过第三功率管与第四功率管进行并网电流换向，可提高逆变器装置的可靠性。该风力发电微型逆变器装置的控制方法通过对并网电流设定值的扰动实现风力发电的最大功率跟踪，并结合双闭环PI控制器与前馈补偿器对并网电流进行控制，可有效降低谐波含量，提高电能质量。

Description

风力发电微型逆变器装置及控制方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，更为具体地，涉及一种适用于含整流器的永磁直驱风机的风力发电微型逆变器装置及控制方法。
背景技术
风力发电因具有储量大、清洁可再生等优点，已成为当前新能源发电的主要方向之一。小型风力发电具有成本低、安装灵活的特点，广泛应用于风力资源较好的西北部农村以及海岛、边防等大电网难以提供电力的地区。
对于并网运行的小型风力发电，其结构一般包括永磁直驱风机、整流器与逆变器。其中，逆变器多采用两级式拓扑结构，前级为DC-DC变换电路，负责风机的最大功率跟踪控制，后级为DC-AC变换电路，负责并网电流的控制。该拓扑结构的缺点为功率管数目较多，因而可靠性差。另外，并网电流的控制多采用单回路PI控制器，存在谐波含量高、适应能力差的缺点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种适用于含整流器的永磁直驱风机的风力发电微型逆变器装置及控制方法，以有效提高小型风力发电的可靠性与电能质量。
本发明提供的风力发电微型逆变器装置，包括：第一正激变换器、第二正激变换器、LC滤波器、RCD吸收电路、LCL滤波器、第一驱动模块、第二驱动模块、转速传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器、第三功率管、第四功率管和MPU控制器；其中，第一电流传感器的测量正端与永磁直驱风机中的整流器的单相输出正端连接，第一电流传感器的测量负端与LC滤波器的输入正端连接，第一电流传感器的测量信号输出端与MPU控制器连接；LC滤波器的输入负端与整流器的单相输出负端连接，LC滤波器的输出正端与RCD吸收电路的第一端连接，LC滤波器的输出负端与第一正激变换器的输入负端连接；RCD吸收电路的第二端与第一正激变换器的输入正端连接，RCD吸收电路的第三端分别与第一正激变换器中第一功率管的漏极以及第二正激变换器中第二功率管的漏极连接；第一正激变换器的输出正端与LCL滤波器的输入正端连接，第一正激变换器的输出负端与第二正激变换器的输出负端连接；第三功率管的漏极与第一正激变换器的输出正端连接，第三功率管的源极与第一正激变换器的输出负端连接，第三功率管的栅极与第二驱动模块的第一输出端连接；第二正激变换器的输入正端与LC滤波器的输出正端连接，第二正激变换器的输入负端与LC滤波器的输出负端连接，第二正激变换器的输出正端与LC滤波器的输入负端连接，第二正激变换器的输出负端与第一正激变换器的输出负端连接；第四功率管的漏极与第二正激变换器的输出正端连接，第四功率管的源极与第二正激变换器的输出负端连接，第四功率管的栅极与第二驱动模块的第二输出端连接；LCL滤波器的输入负端与第二正激变换器的输出正端连接，LCL滤波器的输出正端与第二电流传感器的测量正端连接，LCL滤波器的输出负端与单相电网的零线接线端连接；第一驱动模块的第一输出端与第一功率管的栅极连接，第一驱动模块的第二输出端与第二功率管的栅极连接，第一驱动模块的第一输入端和第二输入端分别与MPU控制器连接；第二驱动模块的第一输出端与第三功率管的栅极连接，第二驱动模块的第二输出端与第四功率管的栅极连接，第二驱动模块的第一输入端和第二输入端分别与MPU控制器连接；转速传感器的两个输入端分别与永磁直驱风机三相输出端中的两个输出端连接，转速传感器的测量信号输出端与MPU控制器连接；第一电压传感器的测量正端与LC滤波器中第一电容的正极连接，第一电压传感器的测量负端与第一电容的负极连接，第一电压传感器的测量信号输出端与MPU控制器连接；第二电压传感器的测量正端与LCL滤波器中第四电容的正极连接，第二电压传感器的测量负端与第四电容的负极连接，第二电压传感器的测量信号输出端与MPU控制器连接；第三电压传感器的测量正端与单相电网的火线接线端连接，第三电压传感器的测量负端与单相电网的零线接线端连接，第三电压传感器的测量信号输出端与MPU控制器连接；第二电流传感器的测量正端与LCL滤波器的输出正端连接，第二电流传感器的测量负端与单相电网的火线接线端连接，第二电流传感器的测量信号输出端与MPU控制器连接；MPU控制器分别与第一驱动模块的第一输入端、第二输入端以及第二驱动模块的第一输入端、第二输入端连接，还分别与转速传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器和第二电流传感器的测量信号输出端连接。
另外，优选的结构是，LC滤波器包括：第一电感和第一电容；其中，第一电感的一端与第一电流传感器的测量负端连接，第一电感的另一端与RCD吸收电路的第一端连接；第一电容的正极与RCD吸收电路的第一端连接，第一电容的负极与整流器的单相输出负端连接。
此外，优选的结构是，RCD吸收电路包括：电阻、第二电容和第二二极管；其中，电阻的一端与LC滤波器的输出正端连接，电阻的另一端与第二二极管的阴极连接；第二电容的正极与第二二极管的阴极连接，第二电容的负极与LC滤波器的输出正端连接；第二二极管的阳极分别与第一功率管的漏极以及第二功率管的漏极连接，第二二极管的阴极与电阻的另一端连接，第二二极管的阴极还与第二电容的正极连接。
再者，优选的结构是，第一正激变换器包括：第一正激变压器、第一功率管、第一二极管和第三二极管；其中，第一正激变压器的输入正端与RCD吸收电路的第二端连接，第一正激变压器的输入负端与第一功率管的漏极连接，第一正激变压器的输出正端与第一二极管的阴极连接，第一正激变压器的输出负端与第三二极管的阴极连接；第一功率管的源极与LC滤波器的输出负端连接，第一功率管的栅极与第一驱动模块的第一输出端连接；第一二极管的阳极与LCL滤波器的输入正端连接，第一二极管的阴极与第一正激变压器的输出正端连接；第三二极管的阳极与LCL滤波器的输入正端连接，第三二极管的阴极与第一正激变压器的输出负端连接。
此外，优选的结构是，第二正激变换器包括：第二正激变压器、第二功率管、第四二极管和第五二极管；其中，第二正激变压器的输入正端与LC滤波器的输出正端连接，第二正激变压器的输入负端与第二功率管的漏极连接，第二正激变压器的输出正端与第四二极管的阴极连接，第二正激变压器的输出负端与第五二极管的阴极连接；第二功率管的源极与LC滤波器的输出负端连接，第二功率管的栅极与第一驱动模块的第二输出端连接；第四二极管的阳极与LCL滤波器的输入负端连接，第四二极管的阴极与第二正激变压器的输出正端连接；第五二极管的阳极与LCL滤波器的输入负端连接，第五二极管的阴极与第二正激变压器的输出负端连接。
再者，优选的结构是，LCL滤波器包括：第三电容、第四电容、第二电感、第三电感、第四电感和第五电感；其中，第三电容的正极与第一正激变换器的输出正端连接，第三电容的负极与第二正激变换器的输出正端连接；第二电感的一端与第三电容的正极连接，第二电感的另一端与第四电容的正极连接；第三电感的一端与第四电容的正极连接，第三电感的另一端与第二电流传感器的测量正端连接；第四电感的一端与第三电容的负极连接，第四电感的另一端与第四电容的负极连接；第四电容的正极与第二电感的另一端连接，第四电容的负极与第四电感的另一端连接；第五电感的一端与第四电容的负极连接，第五电感的另一端与单相电网的零线接线端连接。
此外，优选的结构是，第三功率管与第四功率管为P沟道功率管。
再者，优选的结构是，第一功率管与第二功率管为N沟道功率管。
本发明提供的风力发电微型逆变器装置，对并网电流的控制方法包括以下步骤：
步骤(1)：通过MPPT控制器以ΔT为周期计算并网电流设定值幅值Ig，具体为：
在t时刻(t＝mΔT，m为正整数)，通过第一电压传感器采集第一电容的电压Vd(t)，通过第一电流传感器采集第一电感电流Id(t)，通过转速传感器采集永磁直驱风机转速ωr(t)，计算t时刻的永磁直驱风机输出机械功率Pm(t)为：
其中，J为永磁直驱风机的转动惯量；
并计算t时刻与t-ΔT时刻永磁直驱风机输出机械功率之差ΔPm与转速之差Δωr：
ΔPm＝Pm(t)-Pm(t-ΔT)，
Δωr＝ωr(t)-ωr(t-ΔT)，
若有ΔPm·Δωr＞0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)-ΔIg，
其中ΔIg为并网电流扰动值；
若有ΔPm·Δωr＜0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)+ΔIg，
若有ΔPm·Δωr＝0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)；
步骤(2)：利用PI控制器1、PI控制器2以及前馈补偿器计算占空比d，具体为：
在k时刻，通过第三电压传感器采集单相电网电压Vg(k)，利用锁相环计算k时刻单相电网电压角度正弦值sinθ(k)，进而计算出k时刻并网电流设定值为：
通过第二电流传感器测量k时刻并网电流ig(k)，利用PI控制器1计算第四电容电压设定值为：
其中，Kp1为PI控制器1的比例参数，Ki1为PI控制器1的积分参数；
通过第二电压传感器测量k时刻第四电容电压Vc(k)，利用PI控制器2计算k时刻占空比d1(k)为：
其中，Kp2为PI控制器2的比例参数，Ki2为PI控制器2的积分参数；
通过第一电压传感器采集第一电容的电压Vd(k)，利用前馈补偿器计算k时刻占空比d2(k)：
其中，μ为第一正激变压器与第二正激变压器的变比；
将PI控制器2计算的k时刻占空比d1(k)与前馈补偿器计算的k时刻占空比d2(k)相加，作为最终的k时刻占空比d(k)：
d(k)＝d1(k)+d2(k)；
步骤(3)：令第二正激变换器与第一正激变换器交替工作于单相电网电压Vg的正半波周期与负半波周期，具体为：
在单相电网电压Vg的正半波周期内的k时刻，MPU控制器输出低电平控制信号至第一驱动模块的第一输入端，第一驱动模块将该低电平控制信号放大后经第一输出端驱动第一正激变换器停止工作；同时，MPU控制器输出占空比为d(k)的PWM控制信号至第一驱动模块的第二输入端，第一驱动模块将该PWM控制信号放大后经第二输出端驱动第二正激变换器工作；MPU控制器输出低电平控制信号至第二驱动模块的第一输入端，第二驱动模块将该低电平控制信号放大后经第一输出端驱动第三功率管导通；MPU控制器输出高电平控制信号至第二驱动模块的第二输入端，第二驱动模块将该高电平控制信号放大后经第二输出端驱动第四功率管关断；
在单相电网电压Vg的负半波周期内的k时刻，MPU控制器输出占空比为d(k)的PWM控制信号至第一驱动模块的第一输入端，第一驱动模块将该PWM控制信号放大后经第一输出端驱动第一正激变换器工作；同时，MPU控制器输出低电平控制信号至第一驱动模块的第二输入端，第一驱动模块将该低电平控制信号放大后经第二输出端驱动第二正激变换器停止工作；MPU控制器输出高电平控制信号至第二驱动模块的第一输入端，第二驱动模块将该高电平控制信号放大后经第一输出端驱动第三功率管关断；MPU控制器输出低电平控制信号至第二驱动模块的第二输入端，第二驱动模块将该低电平控制信号放大后经第二输出端驱动第四功率管导通。
与现有技术相比，本发明提供的风力发电微型逆变器装置及控制方法的有益效果为：
1、采用单级式拓扑结构，利用两个正激变换器在电网电压的正半波周期内与负半波周期内交替工作，并通过第三功率管与第四功率管进行并网电流换向，减少了逆变器装置中功率管的使用数目，从而提高了逆变器装置的可靠性；
2、通过对并网电流设定值的扰动实现了风力发电的最大功率跟踪控制，从而可省去传统逆变器装置中用于最大功率跟踪的DC-DC变换器。
3、结合双闭环PI控制器与前馈补偿器对并网电流进行控制，从而有效降低谐波含量，提高电能质量。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的风力发电微型逆变器装置的结构图。
其中的附图标记包括：第一正激变换器1、第二正激变换器2、LC滤波器3、RCD吸收电路4、LCL滤波器5、第一驱动模块6、第二驱动模块7、转速传感器WT、第一电压传感器UT1、第二电压传感器UT2、第三电压传感器UT3、第一电流传感器CT1、第二电流传感器CT2、MPU控制器8、整流器9、单相电网10、永磁直驱风机GS、第一二极管～第五二极管D1～D5、第一功率管～第四功率管Q1～Q4、第一电容～第四电容C1～C4、第一电感～第五电感L1～L5、第一正激变压器TX1、第二正激变压器TX2、电阻R。
图2是本发明风力发电微型逆变器装置的并网电流控制方法框图。
文中各符号清单为：Vd为第一电容C1的电压，Id为第一电感L1的电流，Vc为第四电容C4的电压，Vg为单相电网10的电压，ig为并网电流，Vd(t)为t时刻第一电容C1的电压，Id(t)为t时刻第一电感L1的电流，ωr(t)为t时刻永磁直驱风机GS的转速，Ig为并网电流设定值幅值，ΔT为MPPT控制器计算周期，ΔIg为并网电流扰动值，为k时刻并网电流设定值，ig(k)为k时刻并网电流，为第四电容C4电压设定值，Kp1为PI控制器1的比例参数，Ki1为PI控制器1的积分参数，Kp2为PI控制器2的比例参数，Ki2为PI控制器2的积分参数，d1(k)为k时刻PI控制器2计算的占空比，d2(k)为k时刻前馈补偿器计算的占空比，d(k)为最终的k时刻占空比，μ为第一正激变压器TX1与第二正激变压器TX2的变比。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的风力发电微型逆变器装置的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的风力发电微型逆变器装置，包括：第一正激变换器1、第二正激变换器2、LC滤波器3、RCD吸收电路4、LCL滤波器5、第一驱动模块6、第二驱动模块7、转速传感器WT、第一电压传感器UT1、第二电压传感器UT2、第三电压传感器UT3、第一电流传感器CT1、第二电流传感器CT2、第三功率管Q3、第四功率管Q4和MPU控制器8；其中，第一电流传感器CT1的测量正端与永磁直驱风机GS中的整流器9的单相输出正端连接，第一电流传感器CT1的测量负端与LC滤波器3的输入正端连接，第一电流传感器CT1的测量信号输出端与MPU控制器8连接；LC滤波器3的输入负端与整流器9的单相输出负端连接，LC滤波器3的输出正端与RCD吸收电路4的第一端连接，LC滤波器3的输出负端与第一正激变换器1的输入负端连接。
RCD吸收电路4的第二端与第一正激变换器1的输入正端连接，RCD吸收电路4的第三端分别与第一正激变换器1中第一功率管Q1的漏极以及第二正激变换器2中第二功率管Q2的漏极连接。
第一正激变换器1的输出正端与LCL滤波器5的输入正端连接，第一正激变换器1的输出负端与第二正激变换器2的输出负端连接。
第三功率管Q3的漏极与第一正激变换器1的输出正端连接，第三功率管Q3的源极与第一正激变换器1的输出负端连接，第三功率管Q3的栅极与第二驱动模块7的第一输出端连接。
第二正激变换器2的输入正端与LC滤波器3的输出正端连接，第二正激变换器2的输入负端与LC滤波器3的输出负端连接，第二正激变换器2的输出正端与LC滤波器3的输入负端连接，第二正激变换器2的输出负端与第一正激变换器1的输出负端连接。
第四功率管Q4的漏极与第二正激变换器2的输出正端连接，第四功率管Q4的源极与第二正激变换器2的输出负端连接，第四功率管Q4的栅极与第二驱动模块7的第二输出端连接。
LCL滤波器5的输入负端与第二正激变换器2的输出正端连接，LCL滤波器5的输出正端与第二电流传感器CT2的测量正端连接，LCL滤波器5的输出负端与单相电网10的零线接线端连接。
第一驱动模块6的第一输出端与第一功率管Q1的栅极连接，第一驱动模块6的第二输出端与第二功率管Q2的栅极连接，第一驱动模块6的第一输入端和第二输入端分别与MPU控制器8连接。
第二驱动模块7的第一输出端与第三功率管Q3的栅极连接，第二驱动模块7的第二输出端与第四功率管Q4的栅极连接，第二驱动模块7的第一输入端和第二输入端分别与MPU控制器8连接。
转速传感器WT的两个输入端分别与永磁直驱风机GS三相输出端中的两个输出端连接，转速传感器WT的测量信号输出端与MPU控制器8连接。
第一电压传感器UT1的测量正端与LC滤波器3中第一电容C1的正极连接，第一电压传感器UT1的测量负端与第一电容C1的负极连接，第一电压传感器UT1的测量信号输出端与MPU控制器8连接。
第二电压传感器UT2的测量正端与LCL滤波器5中第四电容C4的正极连接，第二电压传感器UT2的测量负端与第四电容C4的负极连接，第二电压传感器UT2的测量信号输出端与MPU控制器8连接。
第三电压传感器UT3的测量正端与单相电网10的火线接线端连接，第三电压传感器UT3的测量负端与单相电网10的零线接线端连接，第三电压传感器UT3的测量信号输出端与MPU控制器8连接。
第二电流传感器CT2的测量正端与LCL滤波器5的输出正端连接，第二电流传感器CT2的测量负端与单相电网10的火线接线端连接，第二电流传感器CT2的测量信号输出端与MPU控制器8连接。
MPU控制器8分别与第一驱动模块6的第一输入端、第二输入端以及第二驱动模块7的第一输入端、第二输入端连接，还分别与转速传感器WT、第一电压传感器UT1、第二电压传感器UT2、第三电压传感器UT3和第二电流传感器CT2的测量信号输出端连接。
LC滤波器3包括：第一电感L1和第一电容C1；其中，第一电感L1的一端与第一电流传感器CT1的测量负端连接，第一电感L1的另一端与RCD吸收电路4的第一端连接；第一电容C1的正极与RCD吸收电路4的第一端连接，第一电容C1的负极与整流器9的单相输出负端连接。
RCD吸收电路4包括：电阻R、第二电容C2和第二二极管D2；其中，电阻R的一端与LC滤波器3的输出正端连接，电阻R的另一端与第二二极管D2的阴极连接；第二电容C2的正极与第二二极管D2的阴极连接，第二电容C2的负极与LC滤波器3的输出正端连接；第二二极管D2的阳极分别与第一功率管Q1的漏极以及第二功率管Q2的漏极连接，第二二极管D2的阴极与电阻R的另一端连接，第二二极管D2的阴极还与第二电容C2的正极连接。
第一正激变换器1包括：第一正激变压器TX1、第一功率管Q1、第一二极管D1和第三二极管D3；其中，第一正激变压器TX1的输入正端与RCD吸收电路4的第二端连接，第一正激变压器TX1的输入负端与第一功率管Q1的漏极连接，第一正激变压器TX1的输出正端与第一二极管D1的阴极连接，第一正激变压器TX1的输出负端与第三二极管D3的阴极连接；第一功率管Q1的源极与LC滤波器3的输出负端连接，第一功率管Q1的栅极与第一驱动模块6的第一输出端连接；第一二极管D1的阳极与LCL滤波器5的输入正端连接，第一二极管D1的阴极与第一正激变压器TX1的输出正端连接；第三二极管D3的阳极与LCL滤波器5的输入正端连接，第三二极管D3的阴极与第一正激变压器TX1的输出负端连接。
第二正激变换器2包括：第二正激变压器TX2、第二功率管Q2、第四二极管D4和第五二极管D5；其中，第二正激变压器TX2的输入正端与LC滤波器3的输出正端连接，第二正激变压器TX2的输入负端与第二功率管Q2的漏极连接，第二正激变压器TX2的输出正端与第四二极管D4的阴极连接，第二正激变压器TX2的输出负端与第五二极管D5的阴极连接；第二功率管Q2的源极与LC滤波器3的输出负端连接，第二功率管Q2的栅极与第一驱动模块6的第二输出端连接；第四二极管D4的阳极与LCL滤波器5的输入负端连接，第四二极管D4的阴极与第二正激变压器TX2的输出正端连接；第五二极管D5的阳极与LCL滤波器5的输入负端连接，第五二极管D5的阴极与第二正激变压器TX2的输出负端连接。
LCL滤波器5包括：第三电容C3、第四电容C4、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4和第五电感L5；其中，第三电容C3的正极与第一正激变换器1的输出正端连接，第三电容C3的负极与第二正激变换器2的输出正端连接；第二电感L2的一端与第三电容C3的正极连接，第二电感L2的另一端与第四电容C4的正极连接；第三电感L3的一端与第四电容C4的正极连接，第三电感L3的另一端与第二电流传感器CT2的测量正端连接；第四电感L4的一端与第三电容C3的负极连接，第四电感L4的另一端与第四电容C4的负极连接；第四电容C4的正极与第二电感L2的另一端连接，第四电容C4的负极与第四电感L4的另一端连接；第五电感L5的一端与第四电容C4的负极连接，第五电感L5的另一端与单相电网10的零线接线端连接。
上述的第三功率管Q3与第四功率管Q4为P沟道功率管。
上述的第一功率管Q1与第二功率管Q2为N沟道功率管。
在本发明的一个具体实施方式中，永磁直驱风机GS的风轮直径为1.3m，额定功率为300W，额定电压为24V，额定转速800r/min，启动风速1m/s，额定风速10m/s，整流器9的型号为SQL50A/1000V。MPU控制器8选用TI公司的高性能浮点数字信号处理器TMS320F28335；第一正激变压器TX1与第二正激变压器TX2均选用变比为12的变压器；第一功率管Q1与第二功率管Q2的型号为TK50X15J1，第三功率管Q3与第四功率管Q4的型号为FQD3P50；第一电容C1选用2200uF的电解电容，第二电容C2选用0.47uF的无极性电容，第三电容C3与第四电容C4选用0.1uf的无极性电容；第一电感L1选用1mH的电感，LCL滤波器中的第二电感L2与第四电感L4选用0.5mH的电感，第三电感L3与第五电感L5选用0.1mH的电感；第一至第五二极管D1～D5的型号为C2D05120E；电阻R选用0.1欧姆的电阻；第一驱动模块6与第二驱动模块7的型号为MCP14E4；第一至第三电压传感器UT1～UT3采用霍尔电压传感器CHV-25P；第一电流传感器CT1与第二电流传感器CT2采用霍尔电流传感器ACS712ELCTR-058-1；转速传感器WT采用电压过零检测式频率计。
图2示出了本发明风力发电微型逆变器装置的并网电流控制方法框图。如图2所示，该并网电流控制方法包括以下步骤：
步骤(1)：通过MPPT控制器以ΔT(实施例中，取ΔT＝0.02s)为周期计算并网电流设定值幅值Ig，具体为：
在t时刻(t＝mΔT，m为正整数)，通过第一电压传感器UT1采集第一电容C1的电压Vd(t)，通过第一电流传感器CT1采集第一电感L1电流Id(t)，通过转速传感器WT采集永磁直驱风机GS转速ωr(t)，计算t时刻的永磁直驱风机GS输出机械功率Pm(t)为：
其中，J为永磁直驱风机GS的转动惯量；
并计算t时刻与t-ΔT时刻永磁直驱风机GS输出机械功率之差ΔPm与转速之差Δωr：
ΔPm＝Pm(t)-Pm(t-ΔT)，
Δωr＝ωr(t)-ωr(t-ΔT)，
若有ΔPm·Δωr＞0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)-ΔIg，
其中ΔIg为并网电流扰动值；
若有ΔPm·Δωr＜0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)+ΔIg，
若有ΔPm·Δωr＝0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)；
步骤(2)：利用PI控制器1、PI控制器2以及前馈补偿器计算占空比d，具体为：
在k时刻，通过第三电压传感器UT3采集单相电网10电压Vg(k)，利用锁相环计算k时刻单相电网10电压角度正弦值sinθ(k)，进而计算出k时刻并网电流设定值为：
通过第二电流传感器CT2测量k时刻并网电流ig(k)，利用PI控制器1计算第四电容C4电压设定值为：
其中，Kp1为PI控制器1的比例参数，Ki1为PI控制器1的积分参数；实施例中，取Kp1＝12，Ki1＝25；
通过第二电压传感器UT2测量k时刻第四电容C4电压Vc(k)，利用PI控制器2计算k时刻占空比d1(k)为：
其中，Kp2为PI控制器2的比例参数，Ki2为PI控制器2的积分参数；实施例中，取Kp2＝0.02，Ki2＝0.08；
通过第一电压传感器UT1采集第一电容C1的电压Vd(k)，利用前馈补偿器计算k时刻占空比d2(k)：
其中，μ为第一正激变压器TX1与第二正激变压器TX2的变比；实施例中，取μ＝12；
将PI控制器2计算的k时刻占空比d1(k)与前馈补偿器计算的k时刻占空比d2(k)相加，作为最终的k时刻占空比d(k)：
d(k)＝d1(k)+d2(k)；
步骤(3)：令第二正激变换器2与第一正激变换器1交替工作于单相电网10电压Vg的正半波周期与负半波周期，具体为：
在单相电网10电压Vg的正半波周期内的k时刻，MPU控制器8输出低电平控制信号至第一驱动模块6的第一输入端，第一驱动模块6将该低电平控制信号放大后经第一输出端驱动第一正激变换器1停止工作；同时，MPU控制器8输出占空比为d(k)的PWM控制信号至第一驱动模块6的第二输入端，第一驱动模块6将该PWM控制信号放大后经第二输出端驱动第二正激变换器2工作；MPU控制器8输出低电平控制信号至第二驱动模块7的第一输入端，第二驱动模块7将该低电平控制信号放大后经第一输出端驱动第三功率管Q3导通；MPU控制器8输出高电平控制信号至第二驱动模块7的第二输入端，第二驱动模块7将该高电平控制信号放大后经第二输出端驱动第四功率管Q4关断；
在单相电网10电压Vg的负半波周期内的k时刻，MPU控制器8输出占空比为d(k)的PWM控制信号至第一驱动模块6的第一输入端，第一驱动模块6将该PWM控制信号放大后经第一输出端驱动第一正激变换器1工作；同时，MPU控制器8输出低电平控制信号至第一驱动模块6的第二输入端，第一驱动模块6将该低电平控制信号放大后经第二输出端驱动第二正激变换器2停止工作；MPU控制器8输出高电平控制信号至第二驱动模块7的第一输入端，第二驱动模块7将该高电平控制信号放大后经第一输出端驱动第三功率管Q3关断；MPU控制器8输出低电平控制信号至第二驱动模块7的第二输入端，第二驱动模块7将该低电平控制信号放大后经第二输出端驱动第四功率管Q4导通。
将上述并网电流控制方法通过C语言程序写入数字信号处理器TMS320F28335，即可实现对逆变器装置并网电流的控制功能。
为了进一步分析本发明风力发电微型逆变器装置并网电流控制方法的功效，分别在不同风速工况下将其与常规单回路PI控制方法(取比例参数Kp＝0.02，积分参数Ki＝600)进行对比，表1为两种控制方法下并网电流总谐波畸变率的对比结果，可知本发明所述控制方法对于风速工况的变化具有较好的鲁棒性，不同工况下的并网电流总谐波畸变率(THD)均明显小于常规单回路PI控制方法。
表1并网电流总谐波畸变率(THD)对比
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的风力发电微型逆变器装置及控制方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的风力发电微型逆变器装置及控制方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上对其中的实现细节做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种风力发电微型逆变器装置，其特征在于，包括：第一正激变换器(1)、第二正激变换器(2)、LC滤波器(3)、RCD吸收电路(4)、LCL滤波器(5)、第一驱动模块(6)、第二驱动模块(7)、转速传感器(WT)、第一电压传感器(UT1)、第二电压传感器(UT2)、第三电压传感器(UT3)、第一电流传感器(CT1)、第二电流传感器(CT2)、第三功率管(Q3)、第四功率管(Q4)和MPU控制器(8)；其中，
所述第一电流传感器(CT1)的测量正端与永磁直驱风机(GS)中的整流器(9)的单相输出正端连接，所述第一电流传感器(CT1)的测量负端与所述LC滤波器(3)的输入正端连接，所述第一电流传感器(CT1)的测量信号输出端与所述MPU控制器(8)连接；所述LC滤波器(3)的输入负端与所述整流器(9)的单相输出负端连接，所述LC滤波器(3)的输出正端与所述RCD吸收电路(4)的第一端连接，所述LC滤波器(3)的输出负端与所述第一正激变换器(1)的输入负端连接；
所述RCD吸收电路(4)的第二端与所述第一正激变换器(1)的输入正端连接，所述RCD吸收电路(4)的第三端分别与所述第一正激变换器(1)中第一功率管(Q1)的漏极以及所述第二正激变换器(2)中第二功率管(Q2)的漏极连接；
所述第一正激变换器(1)的输出正端与所述LCL滤波器(5)的输入正端连接，所述第一正激变换器(1)的输出负端与所述第二正激变换器(2)的输出负端连接；
所述第三功率管(Q3)的漏极与所述第一正激变换器(1)的输出正端连接，所述第三功率管(Q3)的源极与所述第一正激变换器(1)的输出负端连接，所述第三功率管(Q3)的栅极与所述第二驱动模块(7)的第一输出端连接；
所述第二正激变换器(2)的输入正端与所述LC滤波器(3)的输出正端连接，所述第二正激变换器(2)的输入负端与所述LC滤波器(3)的输出负端连接，所述第二正激变换器(2)的输出正端与所述LC滤波器(3)的输入负端连接，所述第二正激变换器(2)的输出负端与所述第一正激变换器(1)的输出负端连接；
所述第四功率管(Q4)的漏极与所述第二正激变换器(2)的输出正端连接，所述第四功率管(Q4)的源极与所述第二正激变换器(2)的输出负端连接，所述第四功率管(Q4)的栅极与所述第二驱动模块(7)的第二输出端连接；
所述LCL滤波器(5)的输入负端与所述第二正激变换器(2)的输出正端连接，所述LCL滤波器(5)的输出正端与所述第二电流传感器(CT2)的测量正端连接，所述LCL滤波器(5)的输出负端与单相电网(10)的零线接线端连接；
所述第一驱动模块(6)的第一输出端与所述第一功率管(Q1)的栅极连接，所述第一驱动模块(6)的第二输出端与所述第二功率管(Q2)的栅极连接，所述第一驱动模块(6)的第一输入端和第二输入端分别与所述MPU控制器(8)连接；
所述第二驱动模块(7)的第一输出端与所述第三功率管(Q3)的栅极连接，所述第二驱动模块(7)的第二输出端与所述第四功率管(Q4)的栅极连接，所述第二驱动模块(7)的第一输入端和第二输入端分别与所述MPU控制器(8)连接；
所述转速传感器(WT)的两个输入端分别与所述永磁直驱风机(GS)三相输出端中的两个输出端连接，所述转速传感器(WT)的测量信号输出端与所述MPU控制器(8)连接；
所述第一电压传感器(UT1)的测量正端与所述LC滤波器(3)中第一电容(C1)的正极连接，所述第一电压传感器(UT1)的测量负端与所述第一电容(C1)的负极连接，所述第一电压传感器(UT1)的测量信号输出端与所述MPU控制器(8)连接；
所述第二电压传感器(UT2)的测量正端与所述LCL滤波器(5)中第四电容(C4)的正极连接，所述第二电压传感器(UT2)的测量负端与所述第四电容(C4)的负极连接，所述第二电压传感器(UT2)的测量信号输出端与所述MPU控制器(8)连接；
所述第三电压传感器(UT3)的测量正端与所述单相电网(10)的火线接线端连接，所述第三电压传感器(UT3)的测量负端与所述单相电网(10)的零线接线端连接，所述第三电压传感器(UT3)的测量信号输出端与所述MPU控制器(8)连接；
所述第二电流传感器(CT2)的测量正端与所述LCL滤波器(5)的输出正端连接，所述第二电流传感器(CT2)的测量负端与所述单相电网(10)的火线接线端连接，所述第二电流传感器(CT2)的测量信号输出端与所述MPU控制器(8)连接；
所述MPU控制器(8)分别与所述第一驱动模块(6)的第一输入端、第二输入端以及所述第二驱动模块(7)的第一输入端、第二输入端连接，还分别与所述转速传感器(WT)、所述第一电压传感器(UT1)、所述第二电压传感器(UT2)、所述第三电压传感器(UT3)和所述第二电流传感器(CT2)的测量信号输出端连接。
2.权利要求1所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述LC滤波器(3)包括：第一电感(L1)和第一电容(C1)；其中，所述第一电感(L1)的一端与所述第一电流传感器(CT1)的测量负端连接，所述第一电感(L1)的另一端与所述RCD吸收电路(4)的第一端连接；所述第一电容(C1)的正极与所述RCD吸收电路(4)的第一端连接，所述第一电容(C1)的负极与所述整流器(9)的单相输出负端连接。
3.权利要求1所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述RCD吸收电路(4)包括：电阻(R)、第二电容(C2)和第二二极管(D2)；其中，所述电阻(R)的一端与所述LC滤波器(3)的输出正端连接，所述电阻(R)的另一端与所述第二二极管(D2)的阴极连接；所述第二电容(C2)的正极与所述第二二极管(D2)的阴极连接，所述第二电容(C2)的负极与所述LC滤波器(3)的输出正端连接；所述第二二极管(D2)的阳极分别与所述第一功率管(Q1)的漏极以及所述第二功率管(Q2)的漏极连接，所述第二二极管(D2)的阴极与所述电阻(R)的另一端连接，所述第二二极管(D2)的阴极还与所述第二电容(C2)的正极连接。
4.权利要求1所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述第一正激变换器(1)包括：第一正激变压器(TX1)、所述第一功率管(Q1)、第一二极管(D1)和第三二极管(D3)；其中，所述第一正激变压器(TX1)的输入正端与所述RCD吸收电路(4)的第二端连接，所述第一正激变压器(TX1)的输入负端与所述第一功率管(Q1)的漏极连接，所述第一正激变压器(TX1)的输出正端与所述第一二极管(D1)的阴极连接，所述第一正激变压器(TX1)的输出负端与所述第三二极管(D3)的阴极连接；所述第一功率管(Q1)的源极与所述LC滤波器(3)的输出负端连接，所述第一功率管(Q1)的栅极与所述第一驱动模块(6)的第一输出端连接；所述第一二极管(D1)的阳极与所述LCL滤波器(5)的输入正端连接，所述第一二极管(D1)的阴极与所述第一正激变压器(TX1)的输出正端连接；所述第三二极管(D3)的阳极与所述LCL滤波器(5)的输入正端连接，所述第三二极管(D3)的阴极与所述第一正激变压器(TX1)的输出负端连接。
5.权利要求1所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述第二正激变换器(2)包括：第二正激变压器(TX2)、所述第二功率管(Q2)、第四二极管(D4)和第五二极管(D5)；其中，所述第二正激变压器(TX2)的输入正端与所述LC滤波器(3)的输出正端连接，所述第二正激变压器(TX2)的输入负端与所述第二功率管(Q2)的漏极连接，所述第二正激变压器(TX2)的输出正端与所述第四二极管(D4)的阴极连接，所述第二正激变压器(TX2)的输出负端与所述第五二极管(D5)的阴极连接；所述第二功率管(Q2)的源极与所述LC滤波器(3)的输出负端连接，所述第二功率管(Q2)的栅极与所述第一驱动模块(6)的第二输出端连接；所述第四二极管(D4)的阳极与所述LCL滤波器(5)的输入负端连接，所述第四二极管(D4)的阴极与所述第二正激变压器(TX2)的输出正端连接；所述第五二极管(D5)的阳极与所述LCL滤波器(5)的输入负端连接，所述第五二极管(D5)的阴极与所述第二正激变压器(TX2)的输出负端连接。
6.权利要求1所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述LCL滤波器(5)包括：第三电容(C3)、所述第四电容(C4)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)和第五电感(L5)；其中，所述第三电容(C3)的正极与所述第一正激变换器(1)的输出正端连接，所述第三电容(C3)的负极与所述第二正激变换器(2)的输出正端连接；所述第二电感(L2)的一端与所述第三电容(C3)的正极连接，所述第二电感(L2)的另一端与所述第四电容(C4)的正极连接；所述第三电感(L3)的一端与所述第四电容(C4)的正极连接，所述第三电感(L3)的另一端与所述第二电流传感器(CT2)的测量正端连接；所述第四电感(L4)的一端与所述第三电容(C3)的负极连接，所述第四电感(L4)的另一端与所述第四电容(C4)的负极连接；所述第四电容(C4)的正极与所述第二电感(L2)的另一端连接，所述第四电容(C4)的负极与所述第四电感(L4)的另一端连接；所述第五电感(L5)的一端与所述第四电容(C4)的负极连接，所述第五电感(L5)的另一端与所述单相电网(10)的零线接线端连接。
7.权利要求1-6中任一项所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述第三功率管(Q3)与所述第四功率管(Q4)为P沟道功率管。
8.权利要求1-6中任一项所述的风力发电微型逆变器装置，其特征在于，所述第一功率管(Q1)与所述第二功率管(Q2)为N沟道功率管。
9.权利要求1所述的一种风力发电微型逆变器装置，其特征在于，对并网电流的控制方法包括以下步骤：
步骤(1)：通过MPPT控制器以ΔT为周期计算并网电流设定值幅值Ig，具体为：
在t时刻(t＝mΔT，m为正整数)，通过第一电压传感器(UT1)采集第一电容(C1)的电压Vd(t)，通过第一电流传感器(CT1)采集第一电感(L1)电流Id(t)，通过转速传感器(WT)采集永磁直驱风机(GS)转速ωr(t)，计算t时刻的永磁直驱风机(GS)输出机械功率Pm(t)为：
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其中，J为永磁直驱风机(GS)的转动惯量；
并计算t时刻与t-ΔT时刻永磁直驱风机(GS)输出机械功率之差ΔPm与转速之差Δωr：
ΔPm＝Pm(t)-Pm(t-ΔT)，
Δωr＝ωr(t)-ωr(t-ΔT)，
若有ΔPm·Δωr＞0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)-ΔIg，
其中ΔIg为并网电流扰动值；
若有ΔPm·Δωr＜0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)+ΔIg，
若有ΔPm·Δωr＝0，则计算t时刻的并网电流设定值幅值Ig(t)为：
Ig(t)＝Ig(t-ΔT)；
步骤(2)：利用PI控制器1、PI控制器2以及前馈补偿器计算占空比d，具体为：
在k时刻，通过第三电压传感器(UT3)采集单相电网(10)电压Vg(k)，利用锁相环计算k时刻单相电网(10)电压角度正弦值sinθ(k)，进而计算出k时刻并网电流设定值为：
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通过第二电流传感器(CT2)测量k时刻并网电流ig(k)，利用PI控制器1计算第四电容(C4)电压设定值为：
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其中，Kp1为PI控制器1的比例参数，Ki1为PI控制器1的积分参数；
通过第二电压传感器(UT2)测量k时刻第四电容(C4)电压Vc(k)，利用PI控制器2计算k时刻占空比d1(k)为：
<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>c</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>K</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>k</mi> </munderover> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>V</mi> <mi>c</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> </mrow>
其中，Kp2为PI控制器2的比例参数，Ki2为PI控制器2的积分参数；
通过第一电压传感器(UT1)采集第一电容(C1)的电压Vd(k)，利用前馈补偿器计算k时刻占空比d2(k)：
<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>d</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>&amp;mu;V</mi> <mi>c</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>
其中，μ为第一正激变压器(TX1)与第二正激变压器(TX2)的变比；
将PI控制器2计算的k时刻占空比d1(k)与前馈补偿器计算的k时刻占空比d2(k)相加，作为最终的k时刻占空比d(k)：
d(k)＝d1(k)+d2(k)；
步骤(3)：令第二正激变换器(2)与第一正激变换器(1)交替工作于单相电网(10)电压Vg的正半波周期与负半波周期，具体为：
在单相电网(10)电压Vg的正半波周期内的k时刻，MPU控制器(8)输出低电平控制信号至第一驱动模块(6)的第一输入端，第一驱动模块(6)将该低电平控制信号放大后经第一输出端驱动第一正激变换器(1)停止工作；同时，MPU控制器(8)输出占空比为d(k)的PWM控制信号至第一驱动模块(6)的第二输入端，第一驱动模块(6)将该PWM控制信号放大后经第二输出端驱动第二正激变换器(2)工作；MPU控制器(8)输出低电平控制信号至第二驱动模块(7)的第一输入端，第二驱动模块(7)将该低电平控制信号放大后经第一输出端驱动第三功率管(Q3)导通；MPU控制器(8)输出高电平控制信号至第二驱动模块(7)的第二输入端，第二驱动模块(7)将该高电平控制信号放大后经第二输出端驱动第四功率管(Q4)关断；
在单相电网(10)电压Vg的负半波周期内的k时刻，MPU控制器(8)输出占空比为d(k)的PWM控制信号至第一驱动模块(6)的第一输入端，第一驱动模块(6)将该PWM控制信号放大后经第一输出端驱动第一正激变换器(1)工作；同时，MPU控制器(8)输出低电平控制信号至第一驱动模块(6)的第二输入端，第一驱动模块(6)将该低电平控制信号放大后经第二输出端驱动第二正激变换器(2)停止工作；MPU控制器(8)输出高电平控制信号至第二驱动模块(7)的第一输入端，第二驱动模块(7)将该高电平控制信号放大后经第一输出端驱动第三功率管(Q3)关断；MPU控制器(8)输出低电平控制信号至第二驱动模块(7)的第二输入端，第二驱动模块(7)将该低电平控制信号放大后经第二输出端驱动第四功率管(Q4)导通。
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