風(fēng)光互補(bǔ)逆變器控制方法的研究與仿真

高勝利 ，馮文秀，申 強(qiáng)，趙小榮

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080;2.內(nèi)蒙古蒙電華能熱電股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

現(xiàn)在仍然有許多偏遠(yuǎn)地區(qū)電力問題得不到解決，為了早日實(shí)現(xiàn)小康生活的目標(biāo)，小型風(fēng)光互補(bǔ)逆變器便應(yīng)運(yùn)而生了。該裝置可以解決草原、沙漠、高原以及邊遠(yuǎn)地區(qū)例如太陽能和風(fēng)能資源豐富但是電力基礎(chǔ)設(shè)施相對薄弱的地區(qū)的用電問題[1]?，F(xiàn)在小型風(fēng)光互補(bǔ)逆變器的研究方法各種各樣，但是都需要有一個(gè)統(tǒng)一基本的要求便是低成本、高效率、尺寸小。本設(shè)計(jì)將充分考慮這些因素，通過使用高頻逆變技術(shù)，使用電壓控制芯片PWM控制器SG3525作為前端電路，驅(qū)動(dòng)功率效應(yīng)管。而后級電路則通過PIC單片機(jī)來作為控制芯片，這類芯片的特點(diǎn)是便宜而且功能強(qiáng)大，可以適應(yīng)惡劣的環(huán)境，可以做到平穩(wěn)正常的工作。這個(gè)設(shè)計(jì)的要求是可以實(shí)現(xiàn)輸入為直流低壓，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的市電。同時(shí)這一設(shè)計(jì)還設(shè)計(jì)了一些反饋回路，在此基礎(chǔ)上還建立了一個(gè)直流升壓電路以及全橋逆變的仿真模型。并且在論文中使用MATLAB/SMULINK對一些部分進(jìn)行了仿真分析并得出了很好的實(shí)驗(yàn)波形[2]。

1 逆變器主電路原理與設(shè)計(jì)

內(nèi)高頻逆變的原理是將直流電先轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交流電，隔離變壓部分用高頻變壓器進(jìn)行隔離，用整流器將其整流為直流。最后設(shè)計(jì)逆變電路將直流電逆變成為負(fù)載所需要的低頻交流電。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本設(shè)計(jì)采用單向電壓型內(nèi)高頻逆變器[3]。

圖1 內(nèi)高頻環(huán)逆變器電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Within the high － frequency link inverter circuit configuration

逆變器主電路需要有控制電路來控制，現(xiàn)在的許多微處理器芯片都有PWM功能，而且技術(shù)也十分成熟。在該設(shè)計(jì)中，直流升壓部分的脈寬調(diào)制采用芯片KA3525來實(shí)現(xiàn)，此芯片可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)節(jié)，輸出信號可以控制直流升壓部分的功率效應(yīng)管。逆變部分利用單片機(jī)來控制，通過SPWM控制技術(shù)調(diào)節(jié)逆變電路，逆變電路采用全橋逆變，這樣就可以實(shí)現(xiàn)低電壓直流電輸入，輸出穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的交流電。我們使用的交流信號的輸出反饋給單片機(jī)，通過比較，然后再通過改變輸出電壓來達(dá)到穩(wěn)定工作[4]。

全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的，電壓型全橋逆變電路可看成由兩個(gè)半橋電路組合而成，共4個(gè)橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180°。電壓型全橋逆變電路輸出電壓U0的波形和半橋電路的波形U0形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍。輸出電流I0波形和半橋電路的I0形狀相同，幅值增加一倍 。VD1、V1、VD2、V2相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對應(yīng) VD1和 VD4、V1和 V4、VD2和 VD3、V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間[5]。

對電壓波形進(jìn)行定量分析，將幅值為U0的矩形波展開成傅里葉級數(shù)，得其中基波幅值U01m和基波有效值U01分別為

圖2 逆變系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Inverter system block diagram of main circuit

圖3 全橋逆變電路圖Fig.3 Full－ bridge inverter circuit diagram

上述公式對半橋逆變電路也適用，只需將式中的Ud換成Ud/2即可。U0為正負(fù)電壓為180°的脈沖時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能通過改變輸出直流電壓Ud來實(shí)現(xiàn)。

蓄電池是該設(shè)計(jì)必須的設(shè)備，它用來儲備能源，并且可以為直流升壓部分來提供電源。該裝置為家用戶型電源，所以前級采用推挽升壓電路。變壓器采用高頻磁芯材料，這種材料的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、效率高，能夠有效地抑制變換電路偏磁。變換電路的設(shè)計(jì)是通過KA3525輸出互補(bǔ)信號來控制開關(guān)電源。這樣在高頻變壓器一次側(cè)出現(xiàn)交流電，通過高頻變壓器變壓、整流、濾波之后得到350 V直流高壓電。單相逆變電路中使用全橋逆變電路，這樣直流高壓電就可以通過逆變器變成220 V，50 HZ的交流家用電[6]。下圖是逆變電路系統(tǒng)電路圖。

圖4 逆變系統(tǒng)電路圖Fig.4 Inverter system circuit diagram

由于要求電源的額定輸出為:Uo=220 V，功率Po=1 kW，效率η=95%，因此，逆變器總功率

輸出的電流峰值

式中KA——過載系數(shù)，取值為1.5;

KR——安全系數(shù)，取值為 1.2。

直流輸入電壓U=350 V，鑒于這種影響選擇功率效應(yīng)管時(shí)需要充分考慮電壓尖峰同時(shí)需要有一定的裕量。因此根據(jù)需求我們選擇FCH47N60F型號的MOSFET。

如果輸出端需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波逆變波形時(shí)，還需要設(shè)計(jì)濾波電路，在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，我們通常使用的是LC濾波器電路。

LC低通濾波器能夠很好地消除高次諧波，這樣就可以得到一個(gè)較好的正弦波輸出電壓波形。在正常情況下，開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于LC濾波器截止頻率，它的截止頻率通常是開關(guān)頻率的1/10—1/5之間，所以，該產(chǎn)品具有很好的高次諧波衰減功能[7]。

霍爾電壓傳感器主要有隔離主電流電流與控制電流的作用，將輸出的逆變電壓轉(zhuǎn)化為幅值較小的交流電壓。通過霍爾效應(yīng)，被測電壓通過電阻R1與傳感器相連，輸出電流與被測電壓成正比。由于需要檢測的輸出端交流電壓為220 V，通過電阻采樣，經(jīng)過計(jì)算，我們選取采樣電阻R1=22 kΩ，得到采樣電流值在0～±10 mA。為了保證單片機(jī)的A/D輸入要求，需要利用電壓偏移電路和電壓跟隨器將 －2.4～ +2.4 V的電壓信號變?yōu)?～2.4 V的電壓信號。傳感器輸出額定電流為25 mA，通過R3=70 Ω電阻，經(jīng)過與單片機(jī)的設(shè)定值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)SPWM的頻率，從而穩(wěn)定輸出電壓的電壓值和頻率[8]。

圖5 交流電壓反饋電路Fig.5 AC voltage feedback

負(fù)載電流的采樣電流通過傳感器采樣后，通過反饋送到單片機(jī)的A/D采樣口，這個(gè)時(shí)候，通過比較單片機(jī)中的設(shè)定值，如果出現(xiàn)過流或者過載時(shí)，單片機(jī)的SPWM脈沖就停止發(fā)送。

2 主電路仿真建模與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 DC/DC 反饋部分

DC/DC部分直流電輸入為直流48 V，經(jīng)過推挽逆變，再經(jīng)過整流濾波，得到350 V高壓直流電，其波形如圖 7[9]。

圖6 DC/DC反饋仿真模型Fig.6 DC/DC feedback simulation model

圖7 DC/DC部分仿真波形Fig.7 DC/DC part of simulation waveform

圖8 SPWM部分仿真模型Fig.8 SPWM part of simulation model

2.2 DC/AC 部分

DC/AC部分是在DC/DC之后，通過DC/DC輸出的350 V高壓直流電輸入，經(jīng)過單相全橋逆變環(huán)節(jié)，然后再經(jīng)過濾波電路可以得到220 V的交流電壓如圖9。

圖9 DC/AC部分仿真模型Fig.9 DC/AC part of simulation waveform

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)理論設(shè)計(jì)出測試樣機(jī)，將蓄電池并聯(lián)而成的電池串作為輸入電壓，根據(jù)理論得到的參數(shù)應(yīng)用于電路中，對風(fēng)光互補(bǔ)逆變器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中所用到的示波器采用TEK公司的TDS1000，下面是實(shí)驗(yàn)時(shí)空載的波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10。

圖10 空載實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 The experiment waveform of no － load

圖11 阻性負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 The experiment waveform of resistive load

由上圖可以看出，在逆變器空載的情況下，當(dāng)改變輸入條件時(shí)，輸出電壓波形成正弦，我們可以看到一個(gè)很小的波形畸變，電壓有效值為220 V，輸出電流幾乎為零。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在風(fēng)能和太陽能發(fā)生變化時(shí)，逆變器逆變穩(wěn)定，供電平穩(wěn)，輸出符合了設(shè)計(jì)要求。

當(dāng)輸出接電阻負(fù)載的時(shí)候，我們選擇電阻為160 Ω，和100 Ω的電阻，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11。在一個(gè)理想的電壓源下，因?yàn)檩敵鲭妷翰蛔儯虼?，在輸出交?20 V時(shí)，當(dāng)負(fù)載為160 Ω時(shí)，逆變器輸出功率為300 W，當(dāng)負(fù)載為100 Ω，逆變器輸出功率為484 W[10]。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)逆變器輸出電壓負(fù)載增加或者減少時(shí)，在誤差范圍內(nèi)，兩者的負(fù)載電壓波形畸變很小。電流波形也為正弦，與電壓的波形相似。為了便于分析，顯示與電壓反相。當(dāng)外部的條件與環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，該系統(tǒng)都能保持穩(wěn)定性，能夠充分體現(xiàn)太陽能和光能的互補(bǔ)優(yōu)勢。

3 結(jié)論

風(fēng)光互補(bǔ)逆變器在新能源領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。本設(shè)計(jì)采用高頻逆變技術(shù)、單極性SPWM控制技術(shù)、低電壓直流輸出等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的電源輸出，并且運(yùn)用MATLAB/SMULINK實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)能和太陽能優(yōu)勢互補(bǔ)的輸出波形仿真。該技術(shù)與傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)的風(fēng)光互補(bǔ)逆變器相比，除技術(shù)上有所提高外，還具有價(jià)格低廉、使用簡單快捷、輸出穩(wěn)定、成本低易批量生產(chǎn)且能夠較好的維護(hù)等特點(diǎn)。這對于風(fēng)能、太陽能及其他清潔能源的開發(fā)與利用有著深遠(yuǎn)的意義。

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