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基于BOOST变阻抗的最大输出功率的跟随控制研究

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黄泳波

摘要：分析风电机的输出功率特性，建立了其等效数学模型，利用Boost电路的变换阻抗的特性，通过调节变换器的阻抗，采用PI闭环控制器控制发电机跟随风速变化，输出最大输出功率。建模仿真表明，该控制策略是可行的。

关键词：Boost；变换阻抗；PI控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.172

0引言

随着MOSFET，IGBT等电力电子器件的控制技术的迅猛发展，在永磁发电机的输出功率控制应用中，可以不必进行磁场控制而只进行电机输出阻抗的控制，就可以改变发电机的输出功率。直流电压变换器（Boost或者Buck等电路）具有变换阻抗的作用。

另一方面，风力发电机的输出功率随着风速的变化而在不断的改变。当风速较低时，输出电压低，电流也小，当风速较高时，输出电压较大，电流也较大。如果连接的输出负载内阻恒定时，就无法获得最大化的输出功率。

为了获得最大输出功率，采用了基于Boost升压电路对风机输出侧进行变阻抗控制，并利用检测电路，检测输出电流与电压，利用输出电流和电压相乘得到输出功率。把输出功率作为反馈信号，采用PI调节器，调节Boost升压电路的占空比，改变风电机的连接电路的输出阻抗，使得输出功率跟随风速变化调节到最大输出。

1建立系统数学模型

本文以小功率永磁同步发电机作为研究对象，该发电机输出的电压一般比蓄能电池的电源稍低些，因此采用Boost升压电路作为电源变换器，进行阻抗匹配变换，建立系统的数学模型。风力机用理想电压源E加内阻Rr来等效，蓄电池用理想恒压源Ud加内阻r来等效，发电机的负载用纯电阻RL来等效。在以上等效的基础上，建立了风力发电系统的等效电路模型。其中U1为风力机的输出电压，U2位经Boost电路变换后加载在负载上的电源。

针对上述Boost变换器电路模型，应用基尔霍夫电压定律与电流定律，当MOSFET导通时，由电路模型，列写出系统的状态方程。

利用BOOST升压电路的占空比d作为导通和关断两个状态的权值因子，把MOSFET导通的式（1）和MOSFET关断的式（2）进行一个开关周期的叠加，得到叠加后的系统状态平均方程。

2MATLAB仿真分析

根据系统建立数学模型的方程（3）和系统输出方程（4），利用MATLAB软件的电路仿真模块，建立BoostSubsystem控制电路模块，如图2所示。把风速产生的电压源E和Boost电路的占空比d作为该模块的输入信号，把流过电感的输出电流Out（iL），负载电压out1和输出电压out（u1）作为该模块的3个输出信号。

把输出电压和电流反馈值进行相乘，得到输出功率，加入最大输出功率的PI控制调节器，设计出如图3所示的最大输出功率闭环跟随控制的系统电路。设定实验系统参数为：电机内阻Rr=1Ω，电机感抗L=10uH，滤波电容C=400uF，电池内阻r=0.1Ω，等效负载内阻RL=4.8Ω，蓄电池电压Ud=96V，风机输出电压的变化E=80～100V。

仿真时，先假定开始时稳定工作在某一风速下，然后改变风速，过渡到另一个风速状态，电压E变化如图4（a）所示，E从80V升为100V。得到输出电流的变化曲线如图4（b）所示。

3结论

从以上仿真结果可以看出，隨着E突然发生变化，系统PI控制器能够自动调节Boost电路的占空比，改变阻抗特性，使的系统工作输出电流跟随风速增大，由于电池电压恒定，因此，输出功率也跟随风速条件增大。仿真结果显示该系统可以实现最大输出功率的跟随控制。

参考文献：

[1]朱鹏程，郭卫农，陈坚.升压斩波电路PI和PID调节器的优化设计[J].电力电子技术，2001，35（8）：28-31.

[2]齐志远.小型风力发电系统最大功率控制的扰动法及建模分析与仿真[D].内蒙古工业大学硕士论文，2005.06：10-89.

[3]王晓刚.小型并网风力发电系统的建模与仿真研究[D].合肥工业大学硕士论文，2009.04：32-67.

山东工业技术2017年8期

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-全文完-