小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中正弦波逆變技術(shù)的研究

王俊吉

摘 要：24 V、32 V或48 V是戶用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍輸出的電壓，許多交流電器無法直接使用。針對(duì)這一問題，在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要配置逆變器來完成輸出電壓為220 V/50 Hz交流電的轉(zhuǎn)變。首先，文中電壓比調(diào)整和電氣隔離是通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)的；其次設(shè)計(jì)逆變器的各部分電路并通過計(jì)算其參數(shù)對(duì)器件進(jìn)行選擇；最后文章對(duì)所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真，證明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波逆變的穩(wěn)定控制，取得了較好效果。

關(guān)鍵詞：正弦波逆變技術(shù) 控制策略 仿真

中圖分類號(hào)：TM61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（a）-0028-04

Abstract：Households with a small wind generator output voltage is stored in 32 V or 24 V，48 V battery， such as this makes many ac electric equipment cannot be used directly. In order to solve this problem，you need to configure inverter in the small wind power generation system，the dc into 220 V/50 Hz alternating current output，so as to meet the needs of communication appliances.Firstly，through comparing the low frequency inverter technology and high frequency inverter technology，high frequency inverter technology is selected. The parameter of each part circuit is devised and calculated. All parts of an apparatus are chose. In succession， the Matlab＼Simulink simulation of circuit structure is made. The model parameters are installed on base of theoretical calculation. The stability control of sine wave inverter is realized through initial simulation. The experimental result indicates the rationality and feasibility of the design scheme.

Key Words：Sine wave inverter technique； Control strategy； Simulation

對(duì)綠色能源—風(fēng)能的主要利用形式是風(fēng)力發(fā)電，它的發(fā)展趨勢(shì)是高技術(shù)化和高性能化。正弦波逆變技術(shù)對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)而言是一個(gè)極其關(guān)鍵的技術(shù)，它負(fù)責(zé)將直流電調(diào)制成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電，然后供給負(fù)載使用或安全并聯(lián)到交流電網(wǎng)中去。采用逆變技術(shù)獲得的交流電幅度和頻率可以靈活調(diào)節(jié)，而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制性能好、電氣性能指標(biāo)好。

1 主電路的設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的主電路如圖1所示。電壓比調(diào)整和電氣隔離是通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)的，它不僅省掉了體積龐大且笨重的工頻變壓器還使音頻噪聲明顯降低了。變換效率較高和輸出電壓紋波小是該電路的特點(diǎn)。

1.1 單極LC直流輸入濾波電路

輸入濾波器可以使輸入電流平穩(wěn)化[1]。取直流升壓電路的工作頻率為20 kHz，電感量為5μH，電容量為2 200μF，則：ω=2πfs=2×3.14×2×104rad/s，ωf=1/LC=9534.6rad/s滿足公式ω=（2-3）wr。電容電壓取兩倍的裕量：48×2=96 V，取100 V；電感電流為：1250÷48=26.04 A，取30 A。

1.2 直流升壓斬波電路

該環(huán)節(jié)采用雙管單端正激變換電路，電路帶隔離變壓器。輸入直流電壓為48 V，選擇IGBT的額定電壓值為600 V。逆變器的效率為80%，輸入功率為1 250 W，則變換電流為26 A。過載能力kr取1.5倍，電流安全裕量取1.5倍。IGBT的電流額定值根據(jù)公式I≥2IOkrβr計(jì)算得到I≥83 A。所以選擇IGBT管的型號(hào)為MG100J1BS11（100 A/600 V）。

1.3 逆變變壓器

逆變變壓器對(duì)逆變器的效率和工作可靠性起著非常重要作用，同時(shí)它影響輸出的電氣性能[2]。

（1）變壓器次級(jí)功率：變壓器的輸出功率P0=1111 W，

W。

（2）鐵芯計(jì)算：從曲線圖（依據(jù)變壓器的次級(jí)功率、電源頻率、鐵芯材料）中查得磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm為2 000高斯，導(dǎo)線的電流密度j為1.5 A/mm2，占空系數(shù)kc為0.9，銅線在鐵芯窗口中的占空系數(shù)ko為0.3。根據(jù)變壓器次級(jí)功率的大小從曲線中求得效率為0.96，代入公式得：

（3）每匝感應(yīng)電勢(shì)：

（4）繞組匝數(shù)計(jì)算：初級(jí)繞組

，次級(jí)繞組=

。

（5）繞組電流計(jì)算：磁化電流=

A，鐵芯損耗電流：A，次級(jí)電流A。

（6）繞組導(dǎo)線計(jì)算：初級(jí)繞組線徑，次級(jí)繞組線徑。

（7）絕緣設(shè)計(jì)采用3層層間電纜紙。

1.4 整流及輸出濾波

取直流電壓的1.5倍為整流二極管的電壓裕量，即V。管中流過的峰值電流值=

A整流二極管的額定電流值要大于此值，選擇快恢復(fù)二極管額定電壓為600 V，額定電流為15 A，型號(hào)為MUR1560。因?yàn)橹C波電壓分量存在于不可控整流電路輸出電壓uD中，整流電路的輸出電壓必須經(jīng)過濾波器，然后再與負(fù)載相連。LC濾波器通常由較小的L和較大的C組成（主要考慮濾波電感L的重量和體積）。選擇電感：L2=0.5μH，電感電流3.5 A。由C2≥μF，取耐壓為450 V的10μF電容（根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行調(diào)試）。

1.5 全橋逆變

（1）IGBT額定電壓UCE的選擇：取IGBT的額定電壓UCE為600 V（依據(jù)交流側(cè)電壓為220 V）。

（2）IGBT額定電流IC的選擇：考慮逆變效率（η>90%）和安全過載裕量（2倍左右），流過IGBT的電流額定值Ic： A。選取四只型號(hào)為MG25J1BS11（額定電壓600 V，額定電流25 A）的IGBT管。

1.6 輸出濾波

選擇濾波器截止頻率為300 Hz（輸出電壓基波頻率為50 Hz）則L3≥R/2πfc，

根據(jù)仿真調(diào)試，取電流為10A的65mH電感。C3≥1/2πfcR=

μF，根據(jù)仿真調(diào)試，選擇耐壓為450 V的100μF電容。

鐵芯電抗器計(jì)算：電感交流電壓U=2πfL1=2×3.14×50×

65×10-3×4.54=92.66 V。

電感的功率容量：W，W，

鐵心型號(hào)選XCD25×50×50（Sc=11.5cm2、Lc=22.6cm）。匝數(shù)：N==

cm，

。

1.7 緩沖電路

該設(shè)計(jì)選擇RCVD緩沖電路[3]。由公式求得參數(shù)，從IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)可查知tf、可查知tr。若選擇MG100J1BS11型號(hào)的IGBT電容C=6.225μF（tf=1.0 μs，tr=0.8 μs，Ice=83 A，Vce=24 V），在IGBT導(dǎo)通時(shí)期內(nèi)，電容CS放電，假設(shè)放電時(shí)間常數(shù)是充電時(shí)間常數(shù)的3倍則電阻為，電阻的功率為。若選擇MG100J1BS11型號(hào)的IGBT電阻0.05 Ω， ，二極管型號(hào)選擇為2CZ100A/A，它的額定電壓為25V，它的額定電流100 A。對(duì)MG75J1BS11電阻，PR=62.5 W，二極管的型號(hào)選擇為ZQ15，它的額定電壓300 V，它的額定電流15 A。

2 控制和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

2.1 DC-DC控制電路

DC-DC電路控制電路如圖2所示。反饋電壓u0由逆變器的輸出電壓經(jīng)整流、濾波、分壓后得到，逆變器的輸出電壓的大小正比于u0。調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值可以通過調(diào)節(jié)反饋電壓的大小來實(shí)現(xiàn)[4]。

SG3524-1芯片的反相端腳1接控制信號(hào)u0，參考電平接同相端腳2，反饋信號(hào)就可以控制SG3524-1的輸出脈沖的占空比。逆變器輸出減小會(huì)使反饋電壓隨之下降，這會(huì)增加SG3524-1輸出脈沖的占空比，跟著升高的是DC-DC電路的輸出電壓，最終升高的是逆變器輸出交流電壓。反之亦然。顯然，整個(gè)逆變器的輸出自動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)節(jié)功能是通過SG3524-1的脈寬調(diào)制的控制作用來實(shí)現(xiàn)的。（如圖3）

2.2 DC-AC控制電路

產(chǎn)生SPWM信號(hào)：如圖3所示，函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生正弦波電壓ua，正弦波的頻率f=1.15/（R2+R3）C1，其中R2和R3都用可調(diào)電阻，正弦波失真度通過R來調(diào)整。當(dāng)f=50 Hz時(shí)調(diào)試得R2+R3=9.7kΩ、C1=2.2μF。一路正弦波信號(hào)經(jīng)過整流后得到uc；另一路正弦波經(jīng)過比較器后得到與正弦波相同頻率和相位的方波ub。ud是由uc與1 V基準(zhǔn)經(jīng)過加法器后得的，SG3524-2的1號(hào)腳接ud，這樣SPWM波ue就在SG3524-2內(nèi)部產(chǎn)生了[5]。

分相：一塊二輸入與門74LS08、一塊單輸入非門74LS05組成了分相電路。

3 正弦波逆變電路的仿真研究

使用Simulink來研究1 000 W的正弦波逆變器輸出電壓的穩(wěn)定性。利用軟件分別仿真了帶阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載時(shí)輸出電壓和電流波形及THD頻譜圖，綜合后得圖4和圖5，分別表示輸出電壓的變化趨勢(shì)和THD的變化趨勢(shì)。可見帶感性負(fù)載時(shí)，輸出電壓提升的比較快，同時(shí)波形的畸變系數(shù)比較小。

4 結(jié)語

風(fēng)能是最重要的可再生能源之一，風(fēng)力發(fā)電對(duì)于改善用能結(jié)構(gòu)和促進(jìn)環(huán)境發(fā)展具有重要意義[6]。該文對(duì)逆變器的主電路和控制電路的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了參數(shù)的計(jì)算和原件的選擇，最終完成了逆變器的設(shè)計(jì)，最后通過Simulink仿真了該逆變器帶不同負(fù)載時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性，分析仿真結(jié)果得帶感性負(fù)載時(shí)，輸出電壓提升比較快，同時(shí)波形的畸變系數(shù)比較小。

參考文獻(xiàn)

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[3] 謝力華，蘇彥民.正弦波逆變電源的數(shù)字控制技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2001（12）：52-60.

[4] 王承熙，張?jiān)?風(fēng)力發(fā)電[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002：45-50.

[5] 張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990：85-95.

[6] 王敬明.小型風(fēng)力發(fā)電單相正弦波逆變器的研究[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2015.