风力发电中的并网逆变器的设计

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文章编号：2095-6835（2023）21-0084-03
风力发电中的并网逆变器的设计
程马亮，郭步阳
（国网淮南市潘集区供电公司，安徽淮南232082）
摘要：在漫长的岁月中，人类不断地从大自然中获取能量，寻找各种适合自己的资源，而能量的使用也反映了文明的发展。

随着工业、制造业的不断发展进步，人类日益依赖矿物能源，同时使用化石能源的弊端也慢慢显示出来。

风能相比化石能源及其他能源有较高的开发和利用价值，前景也很广阔，并且近些年来，风能技术一直是世界上最重要的技术之一。

首先对风能系统进行了分析，其次对整流、滤波和逆变环节进行了简要介绍，对逆变环节中的逆变器进行了分析设计，并在Matlab 软件中对它进行了仿真。

关键词：风力发电；并网逆变器；Matlab ；仿真中图分类号：TM464
文献标志码：A
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.21.024
在所有的新能源中，风力发电技术是比较成熟的，也是最适合大规模商用的，而且价格也比较便宜，由此得到了各个国家的广泛青睐，并被誉为清洁、绿色、环保能源[1]。

中国的风能资源相当丰富，无论是在陆地上，还是在海上，或者偏远的高原地区，都有着大量的风能，而近几年，电力电子技术、自动控制技术和集成电路技术等技术及工业制造业的飞速发展，使得风电行业迅速发展，风力发电需要进行电力输送与使用，必须进行并网，并网离不开逆变器支持[2]。

本文主要研究基于风力发电并网的逆变器技术，对并网逆变器的电路进行设计、仿真。

1风力发电中并网逆变器的硬件设计
[3-4]
1.1
硬件总体结构设计
本文设计的并网逆变器实验装置的结构图如图1所示，包括主电路和控制电路2
部分。

图1逆变器硬件总体结构图该系统主电路实现了交流—直流—交流转换。

该控制电路的主要模块有主控芯片、PWM （Pulse Width Modulation ，脉冲宽度调制）模块、I/O （Input/Output ，输入/输出）模块、CAN （Controller Area Network ，控制器局域网）总线通信等，还有故障保护电路及DA 显示电路。

通过CAN 总线把控制芯片和PC 监控平台连接起来，利用它进行通信并传输数据，完成对整个系统的实时监控。

1.2
驱动电路设计
由于XC167CI 不能直接驱动IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor ，绝缘栅双极型晶体管）通断，必须使用夏普PC929和PC923驱动模块，实现对上下桥臂IGBT 的控制。

该电源装置使用IGBTH20R1202，能够承受1200V 的电压和20A 的额定电流。

上桥臂的驱动电路如图2所示。

1.3
DA 显示电路
由于电网侧的逆变器在运行时无法观测到控制芯片内部参数的改变，而在实际调试中，需要注意到电流等信号在一定时期内的变化情况，故在系统中加入了D/A 转换芯片，以便于实时观察数据和调试。

DAC （数字模拟转换器）信号采集电路如图3所示。

1.4
CAN 通信电路
为便于在实际运用调试和使用，研制了上位机的计算机控制软件。

在此基础上，采用下位机XC167CI 与上位机之间进行数据交换，抛弃了传统的串口通信方法，采用了较高的传输速度的CAN 总线。

这种通信方法可以极大地提高数据的传送速度，并且具有很好的抗干扰性，特别适用于对实时需求较高的并网逆变
器。

CAN 通信接口电路如图4所示。

2风力发电系统并网逆变器的软件设计及仿真
2.1
系统控制软件框架设计
本系统的软件主要分为控制芯片的控制软件和
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PC 机控制软件2个部分。

下面重点对控制芯片的控制软件进行详细描述。

本系统以下位机的控制软件为中心，采用软件实现了多种控制算法。

本系统的控制软件框架如图5所示。

2.2
主程序初始化设计
利用DAVE 软件，英飞凌单片机可以实现模块驱动程序的自动生成，主程序流程如图6所示。

由图6可知，首先初始化一系列模块，如系统时钟、I/O 端口、PWM 模块及ADC 模数转换模块等相关软件变量初始和主循环程序。

3逆变器实验仿真结果分析
为了验证本文所提出的风力发电的电网侧逆变器并网系统的实际性能，利用Matlab 软件构件了整个系统进行仿真。

逆变器在Matlab 中的仿真如图7所示。

由于无法模拟出风机输出电压不稳定的特性，故利用稳定的三相交流电压源代替，电网也用相同的三相交流电压源代替。

其中U d =100V ，仿真时间为3.5s 。

部分波形给出1s 内的仿真结果。

风力发电机模拟输出的三相电压波形如图8所示，电流波形如图9所示。

图2上桥臂驱动电路
图3DAC 信号采集电路
图4CAN 通信接口电路
100u/25V
100u/25V
10V
+537V
0.1μF
0.1μF
4.7μF
+2.5V
+5V
+5V
+5V
4k7
1k 2k
1k
10k
104k
104k
100k
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图
5
系统控制软件框架图
图6主程序流程图
图7逆变器在Matlab 中的仿真
图8风机输出三相电压
图9逆变器输出的三相电流
（下转第89页）
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
t /s
t /s
t /s
延时1s
t /s
t /s t /s
能量的计算，所以现场要利用专用的电压互感器二次导线压降测试仪进行测量，做好电压互感器二次导线压降的测试工作，若电压降不满足要求，应将电压二次回路电缆线径截面增大。

4.3电能表电流回路不能共用
电能表电流回路、继电保护回路和其他仪表回路不能共用电流互感器二次绕组。

电能表计量要按规程要求采用专用电流回路。

为不影响电能表计量的准确性，需从电流互感器二次计量绕组单独引接至电能表，即需配置专用电流互感器或专用二次绕组，电量计量回路不得接入与电能计量无关的设备。

4.4电能表二次电流回路绝缘不良
电能表从电流互感器二次回路引接的电缆线路老化、绝缘不良，导致电流回路出现分流，也会影响计量的准确度。

4.5电压互感器回路断线对计量的影响
电压互感器在运行中出现电压回路断线（如接线松动、二次保险熔断等）会使电能表工作不正常，使电能表计量时出现误差。

电能表还需配备失压计进行监测，当互感器各相失压时及时报警并计时。

4.6电能表工作电源的影响
电能表工作电源可分为测量电压内部供电方式和外接电源供电方式。

测量电压内部供电方式的工作电源直接取自电压互感器的二次电压，不需要外部电源，这种方式安装方便，但当电压互感器二次电压回路发生故障时电度计量表将失去工作电源，此期间电度计量表不计量，造成电能表电量计量损失。

外接电源供电方式的工作电源可取自配电间直流分电屏，直流分电屏电源可靠，并能够通过后台监控直流电源工作情况，当直流电源中断同样也将影响电能表计量。

总之，电能表工作电源要可靠，以免影响电能表正确计量。

另外，为降低和减少电能表计量误差，在运行工况下定期进行电能表误差、互感器二次实际负荷、电压互感器二次回路压降试验；利用每年春秋检或停电机会进行电流互感器、电压互感器试验，以及对设备外观、接线正确性等项目进行检查。

根据DL/T 1664—2016《电能计量装置现场检验规程》规定，电能表现场测试仪的准确度等级应满足表2的要求。

表2电能表现场测试仪的准确度等级要求被检电能表的准确等级0.2S0.5S12
电能表现场测试仪准确度等级0.050.100.100.20电能表现场测试仪和试验端子之间连接导线的绝缘应良好，导线连接可靠，导线应有明显的相别标志，防止在试验过程中发生电压互感器二次短路、电流互感器二次开路。

5结论
电能表接线错误是难以避免的，错误接线又是多种多样的，导致电能计量误差很大，在工作中要善于发现这些故障并及时纠正。

经统计，接于ECMS的电能表接线多数是由上述错误引起的，通过更改三相三线制电能表接线后，ECMS电量统计的计量不准确问题基本得到解决。

参考文献：
[1]白冰.三相三线有功电能表错误接线解析[M].北京：中国
电力出版社，2008.
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作者简介：吴松（1995—），男，专科，助理工程师，从事发电厂电气二次设备维护工作。

（编辑：严丽琴）
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由图9可知，逆变器输出电流在0.3s以后稳定，稳定后峰值约为1.6A。

4结论
本文设计的并网逆变器，在一定程度上可以将发电机输出的三相交流电并入到电网中，且配备了上位机检测系统对这一过程进行实时监控，实验仿真得到的逆变波形较好，谐波分量少。

参考文献：
[1]冯轲.三相光伏逆变器及其孤岛检测方法研究[D].北京：北
京交通大学，2009.
[2]王志华.MW级变速恒频风力发电机网侧变换器控制技术
的研究[D].北京：中国科学院研究生院（电工研究所），2005.
[3]王敏.家用风力发电机在智能家庭的应用研究[D].南京：东
南大学，2019.
[4]周鹤良.我国风力发电产业发展前景与策略[J].电气技术，
2006（2）：4-8，38.
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作者简介：程马亮（1990—），男，安徽无为人，硕士研究生，工程师，研究方向为办公室及后勤综合管理。

（编辑：严丽琴）
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