風光互補逆變器控制方法的研究與仿真

高勝利 ，馮文秀，申 強，趙小榮

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

0 引言

現在仍然有許多偏遠地區電力問題得不到解決，為了早日實現小康生活的目標，小型風光互補逆變器便應運而生了。該裝置可以解決草原、沙漠、高原以及邊遠地區例如太陽能和風能資源豐富但是電力基礎設施相對薄弱的地區的用電問題[1]。現在小型風光互補逆變器的研究方法各種各樣，但是都需要有一個統一基本的要求便是低成本、高效率、尺寸小。本設計將充分考慮這些因素，通過使用高頻逆變技術，使用電壓控制芯片PWM控制器SG3525作為前端電路，驅動功率效應管。而后級電路則通過PIC單片機來作為控制芯片，這類芯片的特點是便宜而且功能強大，可以適應惡劣的環境，可以做到平穩正常的工作。這個設計的要求是可以實現輸入為直流低壓，輸出為標準的市電。同時這一設計還設計了一些反饋回路，在此基礎上還建立了一個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對一些部分進行了仿真分析并得出了很好的實驗波形[2]。

1 逆變器主電路原理與設計

內高頻逆變的原理是將直流電先轉變為高頻交流電，隔離變壓部分用高頻變壓器進行隔離，用整流器將其整流為直流。最后設計逆變電路將直流電逆變成為負載所需要的低頻交流電。其結構圖如圖1所示。本設計采用單向電壓型內高頻逆變器[3]。

圖1 內高頻環逆變器電路結構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，現在的許多微處理器芯片都有PWM功能，而且技術也十分成熟。在該設計中，直流升壓部分的脈寬調制采用芯片KA3525來實現，此芯片可以實現PWM調節，輸出信號可以控制直流升壓部分的功率效應管。逆變部分利用單片機來控制，通過SPWM控制技術調節逆變電路，逆變電路采用全橋逆變，這樣就可以實現低電壓直流電輸入，輸出穩定標準的交流電。我們使用的交流信號的輸出反饋給單片機，通過比較，然后再通過改變輸出電壓來達到穩定工作[4]。

全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最多的，電壓型全橋逆變電路可看成由兩個半橋電路組合而成，共4個橋臂，橋臂1和4為一對，橋臂2和3為另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通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相繼導通的區間，分別對應 VD1和 VD4、V1和 V4、VD2和 VD3、V2和V3相繼導通的區間[5]。

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

圖2 逆變系統主電路結構框圖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為正負電壓為180°的脈沖時，要改變輸出電壓有效值只能通過改變輸出直流電壓Ud來實現。

蓄電池是該設計必須的設備，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，這種材料的特點是體積小、結構簡單、效率高，能夠有效地抑制變換電路偏磁。變換電路的設計是通過KA3525輸出互補信號來控制開關電源。這樣在高頻變壓器一次側出現交流電，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電路圖。

圖4 逆變系統電路圖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，取值為1.5;

KR——安全系數，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管時需要充分考慮電壓尖峰同時需要有一定的裕量。因此根據需求我們選擇FCH47N60F型號的MOSFET。

如果輸出端需要一個標準的正弦波逆變波形時，還需要設計濾波電路，在設計濾波器的時候，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較好的正弦波輸出電壓波形。在正常情況下，開關頻率遠遠高于LC濾波器截止頻率，它的截止頻率通常是開關頻率的1/10—1/5之間，所以，該產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化為幅值較小的交流電壓。通過霍爾效應，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，經過計算，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的電壓信號變為0～2.4 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，經過與單片機的設定值進行比較，調節SPWM的頻率，從而穩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的A/D采樣口，這個時候，通過比較單片機中的設定值，如果出現過流或者過載時，單片機的SPWM脈沖就停止發送。

2 主電路仿真建模與實驗結果

2.1 DC/DC 反饋部分

DC/DC部分直流電輸入為直流48 V，經過推挽逆變，再經過整流濾波，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，經過單相全橋逆變環節，然后再經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 實驗結果

根據實驗理論設計出測試樣機，將蓄電池并聯而成的電池串作為輸入電壓，根據理論得到的參數應用于電路中，對風光互補逆變器進行了實驗，實驗中所用到的示波器采用TEK公司的TDS1000，下面是實驗時空載的波形，實驗結果如圖10。

圖10 空載實驗波形Fig.10 The experiment waveform of no － load

圖11 阻性負載實驗波形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，當改變輸入條件時，輸出電壓波形成正弦，我們可以看到一個很小的波形畸變，電壓有效值為220 V，輸出電流幾乎為零。實驗結果表明，在風能和太陽能發生變化時，逆變器逆變穩定，供電平穩，輸出符合了設計要求。

當輸出接電阻負載的時候，我們選擇電阻為160 Ω，和100 Ω的電阻，實驗結果如圖11。在一個理想的電壓源下，因為輸出電壓不變，因此，在輸出交流220 V時，當負載為160 Ω時，逆變器輸出功率為300 W，當負載為100 Ω，逆變器輸出功率為484 W[10]。

從上述實驗結果可以看出，當逆變器輸出電壓負載增加或者減少時，在誤差范圍內，兩者的負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。當外部的條件與環境發生變化時，該系統都能保持穩定性，能夠充分體現太陽能和光能的互補優勢。

3 結論

風光互補逆變器在新能源領域中發揮著越來越重要的作用。本設計采用高頻逆變技術、單極性SPWM控制技術、低電壓直流輸出等技術實現了穩定標準的電源輸出，并且運用MATLAB/SMULINK實現了對風能和太陽能優勢互補的輸出波形仿真。該技術與傳統方法實現的風光互補逆變器相比，除技術上有所提高外，還具有價格低廉、使用簡單快捷、輸出穩定、成本低易批量生產且能夠較好的維護等特點。這對于風能、太陽能及其他清潔能源的開發與利用有著深遠的意義。

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