1. ?設計需求分析

->?應用場景?：本5kW風能發電系統主要面向分布式并網發電應用，如為農村家庭、小型農場、海濱驛站、通信基站等場景提供綠色電力。系統旨在高效捕獲風能，實現“風能至電能”的轉換，并將電能高質量地饋入單相220VAC/50Hz電網，實現自發自用或余電上網。

->  輸入特性?：輸入源為小型水平軸風力發電機，其輸出為幅值及頻率隨風速變化的非標準三相交流電。整流后的直流電壓范圍寬泛，典型范圍在50VDC至500VDC之間波動。系統需適應風速從切入到切出的劇烈變化，具備寬電壓輸入下的高效能量提取能力。

->?輸出參數?：額定輸出交流功率5kW，并網電壓220VAC/50Hz，輸出電能質量需滿足并網要求，電流總諧波畸變率（THD）<5%。

->?性能指標?：MPPT效率>98%，系統峰值效率>95%，具備低風速啟動和高風速限功率運行能力。

->?環境適應性?：全戶外設計，防護等級IP65，工作溫度-25℃至+60℃，適應高濕度、高鹽霧等惡劣環境，設計壽命＞15年。

2.? 拓撲結構選擇

系統架構?：采用“不控整流橋 + DC-DC Boost變換器 + H4全橋逆變器”的三級式拓撲結構。該架構技術成熟，可靠性高，成本效益好，非常適合中小功率的風能并網發電系統。

前級整流與Boost電路?：

不控整流橋?：采用三相二極管整流橋，將風力發電機產生的變頻變壓三相交流電轉換為脈動直流電。該方案結構簡單，堅固耐用，無需控制，能天然適應風力發電機輸出的寬范圍變化。

Boost升壓電路?：置于整流橋后，核心功能是實現最大功率點跟蹤（MPPT）和升壓。它將寬范圍變化的整流后直流電壓提升至穩定的、高于電網峰值的直流母線電壓（如400VDC），為后級逆變并網創造穩定工作條件。

后級逆變電路?：采用H4全橋逆變拓撲，由四個開關管（IGBT或MOSFET）組成。該拓撲是單相并網逆變器的經典結構，通過高頻PWM調制，可將穩定的直流母線電壓逆變為與電網同頻同相的正弦交流電，并實現并網電流的精確控制。

直流母線設計?：母線電壓設置為400VDC。采用電解電容與薄膜電容并聯的方案。電解電容（如2000μF/450V）提供主要能量緩沖，維持母線電壓穩定；薄膜電容（如10μF/630V）用于吸收高頻開關紋波電流。

3. ?控制策略

• ØMPPT（最優轉矩控制 - OTC）：風力發電機的最大功率點（MPP）對應一個最優轉速和最優轉矩。OTC是一種基于轉矩的MPPT算法。其核心在于：?控制發電機的電磁轉矩指令（T_ref）正比于發電機轉速（ω）的平方（T_ref = K_opt * ω²）?。系數K_opt由風機的特性決定（與空氣密度、風機半徑、最大功率系數等有關）。該算法無需檢測風速或風機槳距角，通過控制轉矩即可間接控制轉速，動態響應快，且在工作點穩定時無功率振蕩，效率高。
• ØBOOST雙環控制?：系統采用電壓外環與電流內環的級聯控制結構。

      ?外環（電壓環）：OTC算法根據實時檢測的發電機轉速（換算得到）計算出最優轉矩，進而產生對應的最優直流電流指令（Iq_opt）。電壓環PI控制器以此電流指令為目標，其輸出作為內環的電流參考。

     內環（電流環）：負責快速、準確地跟蹤電流參考指令，通過調節Boost電路的占空比，控制輸入電感電流，從而控制風力發電機的電磁轉矩，使其跟蹤最優轉矩。

• Ø?并網逆變控制?：采用電網電壓前饋的電流閉環控制策略。

       電流內環：核心控制環。采集并網電流反饋，與電流指令（由功率和功率因數決定）進行比較，通過PI調節器（或PR調節器）生成驅動信號，控制H4橋臂，使并網電流嚴格跟蹤指令，保證電能質量（低THD）和功率因數。

     電網電壓前饋：引入電網電壓信號進行前饋補償，可有效抑制電網電壓擾動對系統的影響，提高系統的抗干擾能力和動態響應性能。

     同步鎖相環（PLL）：實時精準檢測電網電壓的相位和頻率，為電流控制提供同步基準，確保逆變器輸出與電網完全同步。

4. 最優轉矩（OTC）系統實現?

4.1 BOOST與OTC控制實現

         Boost電路在本系統中的角色不僅是升壓，更是實現MPPT的執行機構。OTC算法通過控制Boost電路的輸入電流（即發電機轉矩）來追蹤最大功率點。?

     工作原理?：OTC控制器持續監測風力發電機經整流后的等效直流側轉速（可通過檢測直流電壓和電流換算或直接使用轉速傳感器）。根據公式 T_ref = K_opt * ω² 計算出當前轉速下的最優轉矩參考值 T_ref。對于PMSG，電磁轉矩 T_em 與q軸電流 I_q 成正比（T_em = (3/2)*p*ψ*I_q，其中 p 是極對數，ψ 是永磁體磁鏈）。因此，目標轉矩可轉換為目標q軸電流 I_q_ref。該轉矩參考最終被轉化為一個對應的直流電流參考指令 I_dc_ref，送入Boost的電流內環。電流內環通過高頻PWM控制功率開關管（如IGBT），迫使電感電流（即輸入電流）快速跟蹤 I_dc_ref，從而使得風力發電機始終被控制在最優轉矩下運行，輸出最大功率。

控制架構如下：

4.2  MPPT（OTC）閉環搭建

系統搭建如下：

4.3  MPPT（OTC）仿真驗證?

PSIM仿真顯示：在0.5S時刻，將風速由原來7m/s改變為10m/s，MPPT能歐快速響應，過渡平滑；在切換前后都能夠準確跟蹤到最大MPPT點，滿足系統要求。

5. 逆變器并網控制實現?

5.1 逆變雙閉環控制

并網逆變控制框架基于電流內環、電壓外環加前饋的結構：

? 直流母線電壓外環?：監測直流母線電壓，與400VDC的給定值進行比較。PI控制器的輸出作為并網電流幅值的參考值（I_grid_ref）?。該環的作用是平衡前級輸入功率和后級輸出功率，穩定直流母線電壓。當風能輸入功率增大時，為維持母線電壓穩定，必須增大并網輸出電流，反之亦然。

并網電流內環?：將I_grid_ref與由PLL生成的單位正弦波相乘，得到瞬態電流參考波形 i_ref(t)。采集實際并網電流 i_grid(t) 與 i_ref(t) 比較，誤差經電流調節器（如PI控制器可無靜差跟蹤交流信號）計算，再疊加電網電壓前饋量，生成最終的雙極性PWM驅動信號，控制H4橋臂的開關，實現高功率因數并網。

控制框架如下：

5.2 逆變并網閉環實現

逆變閉環系統如下:

5.3 仿真驗證?

搭建完整的并網控制系統仿真模型。測試場景：在t=0.5s時，改變輸入到母線的功率。仿真結果顯示：輸入功率突變期間，直流母線環路快速響應，電流內環迅速調整；直流母線電壓在外環調節下僅有微小波動后快速恢復穩定。系統動態響應良好，證明了控制策略的有效性和魯棒性。

6. MPPT+并網逆變系統聯調

將前級不控整流+Boost MPPT（OTC）系統的高壓輸出（400VDC穩定母線）接入后級H4并網逆變系統的直流輸入端口，即構成完整的5kW風能并網發電系統仿真模型。

仿真波形：

7. 系統總結

本文基于5kW風能并網發電系統的技術需求，完成了從應用場景分析、拓撲結構選擇、控制策略制定到系統仿真驗證的全過程。系統采用“不控整流 + Boost MPPT + H4逆變”的三級式架構，前級應用了動態性能優異的最優轉矩控制（OTC）算法實現風能的最大捕獲，后級采用帶電網電壓前饋的電流閉環控制策略實現高質量并網。

通過詳細的仿真驗證，系統在風速擾動條件下均能保持穩定運行，實現了風能的高效利用與友好并網。系統結構簡潔，控制算法高效可靠，在效率、可靠性、電能質量和成本效益方面達到了良好的平衡，為產品的工程化應用奠定了堅實的技術基礎。