風力發電系統逆變器的研究

摘 要：介紹了小型風力發電系統逆變器的電路組成和工作原理，按電路設計指標完成了各部分的設計和參數計算。并建立仿真模型，對實驗結果的電流、電壓和總諧波失真進行了對比分析，結果表明本文設計的單相正弦波逆變器是可行的。

關鍵詞：逆變；Boost升壓；LC濾波；THD

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A

1概述

風力發電是風能的主要利用形式，正弦波逆變技術在風力發電系統中是一個極其關鍵的技術。所以，正弦波逆變技術的性能直接決定著風力發電系統的推廣和應用[1-3]。本文研究設計了逆變系統的主電路，并就各部分進行了設計計算，最后對所設計電路進行了仿真，對電路的電流、電壓波形和總諧波失真進行了對比分析。

2主電路的技術指標及組成

2.1 電路的技術指標

輸入電壓：單相AC220V，50Hz

輸出電壓：220V

輸出功率：1kW

頻率變化范圍：0—400Hz

整機效率：η≥80

2.2 主電路的組成

圖1 系統主電路圖

圖1為系統的主電路圖。主電路由電容濾波的不可控整流電路，Boost升壓電路，橋式逆變電路和輸出濾波電路組成。

圖2為單相橋式不可控整流電路。直流電壓平均值，由電路設計指標得：

整流電路的等效電阻為： （1）

（2）

輸出電流平均值為：

（3）

在穩態時，流經電容的電流在一周期內的平均值為零，由得出：

（4）

在一個電源周期中流過某個二極管的電流平均值為：

（5）

故二極管承受的電流為2.5A。二極管

承受的電壓為電源電壓的最大值，即

（6）

考慮裕量為1.5倍，故二極管承受的最大電壓為。由于輸出電壓uD不是恒定的直流電壓，uD中除直流平均值UD外，還含有諧波電壓。因此，必須在整流電路的輸出端與負載之間接入LC濾波器。圖2中R為負載等效電阻。

根據 （7）

其中，得：C=86μF，取電容值為100μF。考慮裕量2倍，電容承受的最大電。因此耐壓值400V。

3 Boost升壓環節設計

為了分析問題的方便，將Boost電路輸入、輸出電壓分別用和表示，其中，。

3.1 Boost變換器電路原理

Boost變換器又叫升壓變換器、并聯開關電路或開關型升壓穩壓器[4]。線路如圖3-4所示。

設開關動作周期為Ts ，接通時間為Ton ，關斷時間為Toff，，接通時間占空比為D 。

從t=0到Ton=DTS期間，其增益為

（8）

從t=Ton到TS的Toff期間，其增益為

（9）

Boost型電路在期間，電感電流的增加量等于期間電感電流的減小量，即。由式（8）和式（9）可得：

（10） 3.2占空比計算

由于輸出電壓為

（11）

所以占空比為

（12）

3.3儲能電感和電容的設計計算

3.3.1 電感L1的設計計算

（1）L1計算公式推導

關開管T導通，二極管D截止，線性上升時的增益為

（13）

其中為開關頻率

開關管T阻斷，二極管D導通，線性下降，其增益為

（14）

為開關頻率

電感電流的變化量為

（15）

Boost型電路中，二極管D的電流平均值等于輸出電流平均值。電感電流臨界連續是二極管D的電流平均值為

（16）

因此，電感電流連續的臨界條件為，將的表達時代如此關系式中，可得

化簡得：

（17）

（2）L1參數計算

由于整機效率為，輸出功率為，開關頻率為。

所以輸入功率為

（18）

電流為

（19）

考慮裕量（2倍左右），承受的最大電流為。電感為

（20）

因此，選取電感的電感值為，電流為。

3.3.2電容C1的設計計算

輸出電壓脈動等于開關S導通期間電容向負載放電引起的電壓變化量，放電電流為。

（21）

由于要求電壓紋波，故

化簡得

（22）

考慮裕量（2倍左右），承受的最大電壓為 所以，選取電容的電容值為C1=16μF，耐壓值。

3.3.3 IGBT管和二極管的設計計算

通過T和D的電流最大值和與電感電流最大值相等，即

（23）

考慮裕量（2倍左右），承受的最大電流為，T和D截止時所承受的電壓和均為輸出電壓，即考慮裕量（3倍左右），承受的最大電壓為：。

4 全橋逆變環節設計

4.1全橋逆變的基本原理

圖4 橋式變換器電路

圖4為橋式變換器的主電路。橋對角的兩個絕緣柵雙極晶體管（IGBT管）作為一對，成對的橋臂同時導通，交替各導通180度[4]。

4.2全橋逆變電路參數計算

4.2.1 IGBT管的選取

根據交流電網電壓和IGBT額定電壓關系，因為交流電網電壓為220V，所以取IGBT的額定電壓為600V。流過IGBT的電流額定值可按下式估算：

（24）

4.2.2二極管的選取

逆變電路中，由于二極管和IGBT管的電壓和電流幾乎相等。所以選取二極管額定電壓600V，額定電流25A。

5 輸出濾波環節的設計

LC濾波器的—般形式是一個由LC組成的無源網絡，其工作原理是串聯的LC電路在基頻下呈串聯諧振狀態。在理想狀態下，對基波不產生壓降，對高次諧波則是高阻抗，抑制高次諧波電流[5]。濾波器截止頻率通常在100-400Hz左右。所以選用200Hz。

由于額定負載電阻為

（25）

若取 則可得

（26）

（27）

考慮裕量（2倍左右），承受的最大電流為

（28）

考慮裕量（2倍左右），承受的最大電壓為

因此，取電感的電感值為，電流為；取電容的電容值為C2=33μF，耐壓值為。

5.1 輸出濾波電感的計算

（1）計算電感兩端交流電壓

（2）計算電感的功率容量

（4）匝數的計算

（5）確定空氣隙長度

（6）校核電感量L

故實際氣隙應大于0.11厘米。

（7）確定導線直徑

6 仿真模型的建立

圖5 仿真電路模型圖

前置DC/DC單管正激調壓電路采用PWM控制方式。后置DC/AC全橋逆變電路采用SPWM控制方式控制IGBT的通斷。采用專業仿真軟件MatLab/Simulink對設計的斬波電路進行仿真分析。根據以上分析得出仿真電路模型如圖5所示。

6.1 仿真波形圖

（1）阻性負載輸出電壓、電流波及THD圖，取額定阻性負載為48.4：

圖6 阻性負載輸出的電壓、電流和THD圖

（2）感性負載時輸出電壓、電流波形圖及THD頻譜圖

①阻抗角為30度

圖7 30度阻抗角輸出電壓電流和THD圖②阻抗角為90度

圖8 90度阻抗角輸出的電壓、電流和THD圖

（3）容性負載時輸出電壓、電流波形圖及THD頻譜圖

①阻抗角為負30度

圖9 30度阻抗角輸出的電壓、電流和THD圖

②阻抗角為負90度

圖10 90度阻抗角輸出的電壓、電流和THD圖

根據負載性質的不同，分別對不同負載進行仿真。綜合上述輸出電壓的仿真結果進行FFT分析，電壓的變化趨勢和THD的變化趨勢如圖11和圖12所示：

圖11 電壓變化趨勢圖

圖12 THD變化趨勢

從圖中可以看出，正弦波逆變電路帶阻性負載、感性負載時的輸出電壓比較穩定，THD保持在5%左右，即阻抗角在0-30度的時候逆變電路可滿足交流負載的要求；帶容性負載時，由于電容值的增大，輸出電壓的變化率受到電容的抑制，電壓升壓緩慢，電壓值有所下降；同時，隨著阻抗角的增大，THD隨之增加，即阻抗角在0-90度范圍內時逆變電路不滿足交流負載的要求。從圖中不難看出，帶感性負載時逆變效率比較好。

結語

正弦波逆變技術在風力發電系統中已成為一個極其關鍵的技術，它承擔著將直流電調制成穩壓穩頻的交流電直接供給負載或安全并聯到交流電網的任務。

本文設計的由IGBT組成的高頻逆變器的主電路及控制電路，并對電路參數進行了計算，完成了單相正弦波逆變器的設計，達到了本次設計的目的。從理論上來看，本文設計的單相正弦波逆變器是切實可行的。但是，由于沒能將設計的硬件電路搭成實驗平臺，進行實際測試，因此不能發現本設計與實際裝置存在的差距。

參考文獻

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[3]E.Koutroulis，J.Chatzakis，K.Kalaitzakis，N.C.Voulgaris.A bidirectional，sinusoidal，high-frequency inverter design.IEEE Proc-electr.Power Appl，Vol.148，No.4，July 2001.

[4] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M]. 北京：機械工業出版社，2004（1）.

[5] 朱代祥，張代潤，彭協華.單相正弦脈寬調制逆變器的設計[J].電源技術應用，2004.