通过对小型风力发电及其控制技术的发展状况的分析，提出了包括不可控桥式整流器和Buck变换器的系统结构，有利于实现负载跟踪和充放电集成控制，且结构简单、可靠性高。针对设计方案建立Simulink仿真模型，进行仿真分析，仿真结果证明本设计可行、结果正确。

　　引言

　　风力发电受风的影响而使发电机输出特性发生很大的变化，产生的电能很难满足负载恒定电压的要求。为解决在无风时提供可靠电能，在大风时保证发电系统的安全并提供平稳电能，必须对风机输出功率加以控制，既提高风能利用系数．又能提高风机发电量。应用新型高效率的电能变换回路拓扑结构，最大功率点跟踪（MPPT）控制策略和先进的控制理论是提高风力发电系统的能量转换效率的重要方法。以Buck电路作为功率控制主电路的小型风力发电系统结构，电路简单，可靠性高。在考虑风力发电特点的基础上，有必要对Buck电路进行设计和系统仿真研究。

　　1 小型风力发电系统结构组成

　　1.1 设计方案的提出

　　小型离网风力发电系统结构如图1所示，它主要包括风力机、三相永磁同步发电机、桥式整流器、DC/DC斩波器、蓄电池、逆变器几个组成部分。风力机驱动永磁同步发电机发电，所发出的交流电经整流后给蓄电池充电或供给负载；逆变器将蓄电池或斩波器输出的直流电变换成交流电供负载使用；DC/DC斩波器用来改变风力发电机的负载特性，调节发电机输出功率和控制蓄电池充放电。

　　1.2 集成控制策略

　　综合考虑风速、负载变化和蓄电池充放电特性的负载跟踪和充放电集成控制策略，通过改变发电机电磁转矩-转速特性和使用耗能负载相结合，调节发电机输出电流按照一定规律变化，可以实现系统集成控制的四个基本策略：最大功率控制MPPT、负载跟踪控制、蓄电池充电控制、运行保护控制。

　　2 电路的设计及参数的计算

　　2.1 永磁发电机

　　采用稀土永磁直驱式发电机，减去了增速箱，传动轴部件，避免出现漏油和因主轴不同轴而引起的振动，降低了机械故障率，提高了机组效率和可靠性。

　　2.2 二极管整流电路

　　独立运行的小型风力发电系统多使用桥式不可控整流方式，因为它是由二极管组成。三相整流器除了把输入的三相交流电能整流为可对蓄电池充电的直流电能之外，另外一个重要的功能是在外界风速过小或者基本没风的时候，风力发电机的输出功率也较小，二极管导通方向是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反相供电。

　　2.3 蓄电池

　　基于性能价格比的考虑，大多数采用铅酸蓄电池。放电终止电压VD=22V，充电终止电压VE=30V。蓄电池将DC/DC变换器输出电压钳制在22V～30V的范围内。

　　2.4 降压斩波电路的参数计算

　　如图2所示，通过在功率开关管的控制端施加周期一定，占空比可调的驱动信号，使其工作在开关状态。当开关Q导通时，二极管D截止，发电机输出电压整流后通过能量传递电感想负载供电，同时使电感L能量增加；当开关截止时，电感释放能量使续流二极管D导通，在此阶段电感L把前一段能量向负载释放，使输出电压极性不变且比较平直。滤波电容C2使输出的纹波进一步减小。显然，功率管在一个周期内导通时间越长，传递的能量越多，输出电压越高。

　　2.5 单相逆变电路

　　全桥逆变电路的结构如图3所示。V1-V4为电力电子开关器件。工作时，V1和V4同时导通和关断，V2和V3同时导通和关断，且同一桥臂上的两个开关管不能同时导通，否则会造成直流电源的短路。D1-D4为续流二极管，分别与V1-V4反并联，其作用是为交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。输出LC滤波器对输出波形中的高次谐波进行滤波处理，使逆变电路输出高质量的正弦波形。

　　逆变电路的输出端采用电感和电容构成型低通滤波器，其传递函数为：，逆变器的输出为频率为20kHz的方波，其基波为50Hz，输出SPWM波中含有的谐波主要在2倍和4倍开关频率附近，逆变器输出滤波：负载电阻为额定负载电阻的50%进行计算，由下列公式：，计算得到滤波电感和电容的取值分别为2mH和13.3μF。

　　3 系统仿真

　　根据分析对小型风力发电系统仿真系统建立仿真模型，并用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真分析。设置仿真分析参数为：在不同的风速时发电机三相交流电压有效值的变化范围是40V～80V、开关频率10Hz、负载1kW。仿真结果证明系统达到设计要求。

　　4 结 语

　　设计的独立运行离网小型风力发电系统的主电路可实现系统的优化运行，有利于提高系统的整体效率及可靠性，具有重要的理论意义和实际应用价值。仿真结果验证了系统的可行性。