基于Buck ZVS－QRC的小型風(fēng)力發(fā)電控制器研究

彭家勇，馬瑞卿，皇甫宜耿

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

目前，小型(一般為小于2 kW的離網(wǎng)型)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以無(wú)污染、投資周期短、占地少［1］等特點(diǎn)，在農(nóng)牧民定居點(diǎn)、邊防哨所、通信基站、高速公路路燈系統(tǒng)中有所運(yùn)用，并且產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［2］。因此小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究具有重要意義。

一般，小型風(fēng)力發(fā)電控制器的主電路采用Buck、Boost、Buck － Boost三種，尤其是 Buck 電路使用最多。基于Buck電路的傳統(tǒng)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，卻具有如下缺點(diǎn):適用功率范圍小，一般在1 kW以下;電路中存在雜散電感，使得MOSFET管(以下簡(jiǎn)稱MOS管)漏源極之間存在電壓尖峰，從而極易造成MOS管損壞［3］;控制器控制輸出的蓄電池充電電流大，可能會(huì)影響蓄電池使用壽命。為此，作者設(shè)計(jì)了一種基于Buck零電壓全波準(zhǔn)諧振變換器(事實(shí)上分為M型和L型，其工作原理是相同的，作者采用的是M型，以下將不予區(qū)分，簡(jiǎn)稱Buck ZVS－QRC)的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器。該控制器輸出電流平穩(wěn)，MOS管漏源極電壓尖峰減小，輸出額定功率為1.5 kW，能很好地克服以上缺點(diǎn)。另外，作為采用Buck ZVS－QRC為主電路的控制器與同類產(chǎn)品相比，還具有體積更小、變換效率更高、成本更低等特點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)組成

1.5 kW風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)主要由水平軸風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、電磁制動(dòng)器、儲(chǔ)能部件VRLA

(免維護(hù)密封閥控鉛酸蓄電池)、LCD人機(jī)界面、用電負(fù)載及控制器等主要部件組成，如圖1所示。

圖1 水平軸風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)組成框圖

1.2 控制器組成

控制器主要功能是對(duì)風(fēng)力機(jī)帶動(dòng)永磁同步發(fā)電機(jī)所轉(zhuǎn)換到的電能進(jìn)行實(shí)時(shí)電源變換，對(duì)蓄電池充、放電過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督控制，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)切出風(fēng)速后進(jìn)行剎車與制動(dòng)，對(duì)負(fù)載用電參數(shù)超限，LCD顯示等輔助功能進(jìn)行管理和保護(hù)。控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器組成框圖

由圖2可見(jiàn)，1.5 kW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器并未采用以變壓器為隔離元件的隔離電路，這是該控制器體積減小、成本降低的重要原因。

該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制器的工作過(guò)程是:發(fā)電機(jī)三相輸出信號(hào)R、S、T經(jīng)過(guò)三相全橋整流后獲得六個(gè)波頭的“饅頭”波，經(jīng)電解電容器濾波后產(chǎn)生比較平直的直流電壓，再經(jīng)過(guò)Buck ZVS－QRC變換后，生成與蓄電池48 V端電壓相匹配的直流低壓，實(shí)現(xiàn)給蓄電池充電。

控制核心采用了由TMS320F28035構(gòu)成的DSP最小系統(tǒng)，并通過(guò)電流/電壓傳感器、溫度傳感器、電壓互感器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖2中的Buck ZVS－QRC、鉛酸蓄電池(儲(chǔ)能部件VRLA)、LCD數(shù)字顯示、鍵盤和用電負(fù)載進(jìn)行綜合管理與控制。

2 Buck ZVS－QRC原理

控制器的主電路Buck ZVS－QRC是在普通的Buck電路基礎(chǔ)上利用諧振原理形成的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Buck全橋式M型準(zhǔn)諧振變換器

圖中，C1、C2為大容值輸入、輸出濾波電容;Q為開(kāi)關(guān)管MOS管;Cr為諧振電容(包括開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容);Lr為諧振電感(包括電路中的雜散電感和變壓器漏感);D1為普通二極管，其作用是使開(kāi)關(guān)管電流只能單向流動(dòng)，并且為Q承受反向電壓;L和D2為電路儲(chǔ)能電感和續(xù)流二極管;E為負(fù)載蓄電池。

需要說(shuō)明的是，圖3中的開(kāi)關(guān)管、二極管均采用了多管并聯(lián)技術(shù)，可使得每個(gè)管子所承受的電壓和流過(guò)的電流變小，從而降低每個(gè)管子的功耗。這是使得整個(gè)控制器的功率等級(jí)得以提高的原因之一。

該電路的基本工作思想是:Q為通態(tài)時(shí)，Cr上的電壓為零;當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，Cr限制了Q兩端電壓的上升率，從而實(shí)現(xiàn)Q零電壓關(guān)斷;當(dāng)Q開(kāi)通時(shí)，Cr、Lr諧振工作使Cr的電壓回到零，從而實(shí)現(xiàn)Q零電壓開(kāi)通。為分析其具體工作過(guò)程，假定［4］:

(1)電路中的各元件是理想元件;

(2)電感L和電容C2足夠大，那么電感L的輸出電流基本保持不變，記為Io。這樣L、C2、蓄電池可以看成一個(gè)電流Io的電流源。

圖4為Buck ZVS－QRC一個(gè)工作周期內(nèi)重要器件波形。

圖4 Buck ZVS－QRC波形

t0～t1階段:在 t0時(shí)刻前，Q為通態(tài)，D2為斷態(tài)，Cr兩端電壓uCr=0，流過(guò) Lr的電流iLr=iL=Io。在t0時(shí)刻，Q關(guān)斷，流過(guò)Q的輸入電流Ii轉(zhuǎn)移到Cr中，Cr開(kāi)始充電，uCr線性增加，即限制了Q的端電壓，從而實(shí)現(xiàn)了Q的零電壓關(guān)斷，減少了關(guān)斷損耗。之后，Lr+L持續(xù)給Cr充電，當(dāng) t=t1時(shí)刻，uCr=Ui時(shí)，D2導(dǎo)通。這個(gè)階段，Cr電壓、Lr電流方程:

當(dāng) t=t1時(shí)，uCr=Ui，則

t1～t2階段:從 t1時(shí)刻起，D2開(kāi)始導(dǎo)通，Cr、Lr一起諧振工作，Cr端電壓uCr按諧振規(guī)律變化，經(jīng)一正一負(fù)諧振峰值后到達(dá)uCr=0。這個(gè)過(guò)程中uCr、iCr的表達(dá)式:

當(dāng)t=t2時(shí)，uCr=0，則

t2～t3階段:初始時(shí)，uCr=0，若此時(shí)開(kāi)通 Q，則實(shí)現(xiàn)Q的零電壓開(kāi)通，但也可能此時(shí)Q已經(jīng)開(kāi)通。盡管如此，開(kāi)通損耗也相比普通電路大為減少。之后，電路運(yùn)行于Q和D2都開(kāi)通的情形，接著iLr線性增加直至使D2關(guān)斷。有關(guān)方程:

當(dāng) t=t3時(shí)，iLr=Io，則:

t3～t4階段:在此階段中，諧振電容Cr、諧振電感Lr停止工作。電路進(jìn)入Q開(kāi)通、D2關(guān)斷的狀態(tài)。在這階段有:

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本文闡述了控制器變換效率和功率等級(jí)都得以提升的原因之一是采用軟開(kāi)關(guān)電路，而MOS管的漏源極電壓和驅(qū)動(dòng)電壓可以間接反映是否采用軟開(kāi)關(guān)及效果如何，所以須測(cè)量;另一方面，蓄電池充電電流有無(wú)尖峰可能會(huì)影響蓄電池使用壽命，其大小又能反映功率等級(jí)(額定功率1.5 kW，蓄電池端電壓48 V，則額定充電電流是30 A)，自然需要檢測(cè)。

在基于普通Buck電路的風(fēng)力發(fā)電控制器中，一般其輸出的蓄電池的充電電流尖峰較大，可能會(huì)影響蓄電池使用壽命。而且MOS管驅(qū)動(dòng)電壓波形變形，漏源極電壓也有明顯有尖峰和振蕩，而這易造成MOS管開(kāi)關(guān)損耗大或損壞。而圖5～圖8所顯示的是基于Buck ZVS－QRC的控制器原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形，很明顯，波形得到了很大改善。

圖5顯示的是PWM占空比為50%時(shí)，MOS管的驅(qū)動(dòng)電壓波形，其并未有顯著的變形。

圖6顯示的是MOS管漏源極電壓波形。由圖6可知，電壓波形振蕩很小，尖峰也很小，可以接受。其與圖5中的MOS管驅(qū)動(dòng)電壓波形幾乎互補(bǔ)，使得開(kāi)關(guān)損耗減小，進(jìn)而能夠減小控制器損耗、提高控制器變換效率和功率等級(jí)。Buck ZVS－QRC變換器的缺點(diǎn)在此有所表現(xiàn)，即MOS管漏源極電壓幅值比在Buck中時(shí)要大。不過(guò)，這可通過(guò)選取漏源極耐壓值更高的MOS管解決。

圖7中的波形為一個(gè)PWM波周期內(nèi)的蓄電池充電電流波形。由圖7可知，波形無(wú)尖峰，電流平均值是31 A，最大值為35 A，即已達(dá)額定電流30 A、額定輸出功率1.5 kW。所以，控制器具有輸出電流能力較強(qiáng)、功率等級(jí)較高的特點(diǎn)。另外，此時(shí)控制器的效率為90%，因此，效率得以相對(duì)較高。

圖8中的波形為450 ms時(shí)間內(nèi)的蓄電池充電電流波形，電流平均值是22 A。顯然，在所考察的時(shí)間范圍內(nèi)，電流波形由于風(fēng)能的不穩(wěn)定性造成一定起伏，實(shí)屬正常，不會(huì)影響蓄電池壽命。綜上，控制器在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)也沒(méi)有尖峰，滿足電流平穩(wěn)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種采用軟開(kāi)關(guān)型Buck ZVSQRC變換器來(lái)替代常規(guī)Buck電路作為小型風(fēng)力發(fā)電控制器的方法。控制器性能優(yōu)異，在不使用隔離變壓器的條件下，可將常用Buck電路控制器功率等級(jí)由最大功率1 kW提高到1.5 kW以上，輸出電流平穩(wěn)，并且控制器體積更小、成本更低、變換效率更高。

［1］陳鳴，楊剛.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)及其趨勢(shì)［J］.電力學(xué)報(bào)，2008，23(4):273－275.

［2］崔嘯鳴.小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集成控制［D］.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2009.

［3］楊世彥，韓明武，孔治國(guó).大功率BUCK變換器電壓電流尖峰的分析及抑制措施［J］.電子器件，2004，27(2):257 －260.

［4］阮新波，嚴(yán)仰光.直流開(kāi)關(guān)電源的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.