風力發電隧道照明裝置關鍵技術研究

王安華 楊榮浩 張 碩 畢 丹

黑龍江科技大學電氣與控制工程學院 哈爾濱 150022

0 引言

能源是影響人類發展的主導因素，隨著國家級路橋工程的日益推進，地鐵線路、過街通道及穿山隧道等隧道設施越來越多，有許多公路隧道、地鐵站等區域都需要照明，對能源需求極大[1]。風能屬于可再生能源，若將風能轉化為電能作為照明裝置電源，可實現大幅節能減排[2]。因此，本文以隧道照明為背景，針對隧道具有對流風的特點，研究基于風力發電技術的隧道照明裝置，努力實現低碳環保。本文提出的設計方案對促進風電技術發展和可再生能源有效利用具有重要意義[3-4]。

1 系統設計方案

風電隧道照明系統的最關鍵環節就是主電路的三相逆變單元。本文以雙直流電源輸入為例，研究逆變及并聯技術。

1.1 系統硬件組成

本系統主要由三相逆變電路（DC/AC主電路）、控制電路、驅動電路、反饋電路和輔助電源組成，硬件結構框圖如圖1所示。

1.2 三相逆變電路設計

三相逆變和單相逆變的原理大致相同[5]，單相正弦逆變采用逆變H橋搭建，輸出SPWM波形經過濾波后得到單相正弦波，而三相逆變電路的主體部分采用48VDC—24VAC，MOSFET作為電力控制器。

圖1 系統硬件組成

主電路輸出側電容和電感直接影響系統性能，因此其選擇至關重要。輸出側電容采用三角形接法，U、V、W三相分別串聯電感L1、L2、L3，構成LC濾波器。

LC濾波器的截止頻率應遠小于輸出交流中最低次諧波分量頻率，同時又要遠大于輸出交流中基波分量頻率，由于逆變器的載波頻率fc較高遠大于基波分量頻率的10倍，因此，fL可選范圍約為載波頻率的1/10至1/5。具體參數計算過程如下：

輸出濾波電感取值為1.4mH。

考慮到輸出電流較大，所以選取5個1μF電容并聯。

1.3 控制電路設計

控制電路負責接收檢測信號、運算處理、判斷系統狀態及發出控制指令等工作。本系統控制電路采用數字控制芯片TMS320F28335，通過其強大的運算處理能力，能夠精確的完成對反饋采樣進行AD模數轉換、工作死區設計、SPWM脈沖給定及PI自動調節，實現精確閉環控制。

系統工作時，首先應用DSP高級定時器，產生兩路三相正弦波SPWM信號，同時輸出互補波形，驅動MOSFET，輸出三相正弦波。用DSP的AD采樣構成閉環PI調節，使輸出電壓穩定在24V。通過外部中斷實現交流功率分配，改變內部AD調節的比例，控制逆變器1和逆變器2按指定的交流功率分配。

1.4 驅動電路設計

DSP發出的控制指令驅動能力不足，無法直接驅動主電路MOSFET，因此設置以IR2110為核心的驅動電路作為連接主電路與控制電路的橋梁，在提升驅動能力的同時實現電氣隔離。

IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道，懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500V，輸出的電源端的電壓范圍為10～20V，邏輯電源的輸入范圍5～15V，可方便與TTL、CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有10V的漂移量，工作頻率高，可達500kHz，開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns，圖騰柱輸出峰值電流2A，因此IR2110驅動芯片完全符合系統指標要求。

2 測試實驗

根據本文方案設計出樣機并進行上電測試實驗，選用測試儀器包括高精度數字毫伏表、模擬示波器、數字示波器、數字萬用表及指針式萬用表等。圖2為實驗樣機照片，圖3為測試實驗照片。

圖2 實驗樣機

圖3 測試實驗

3 結論

本文介紹了一種適用于隧道風電照明裝置的電源系統設計方案。選擇DSP作為控制核心實現系統數字化，通過合理計算及元件選型，完成了樣機制作。測試實驗結果證明了系統具有較高控制精度與較強穩定性，且效率較高，驗證了該方案的科學性與有效性，為風電技術推廣和可再生能源工程化應用奠定技術基礎。

[1]曹麗敏.PLC在大型風電控制系統中的應用[D].電子科技大學，2013.

[2]錢江海，謝源，焦斌.基于PLC的風力發電機組變槳系統[J].上海電機學院學報，2011.05

[3]李東東，陳陳.風力發電機組動態模型研究[J].中國電機工程學報,2005.03

[4]裴興林，程明杰，薛仰，等.PLC調速系統對風電機組的偏航控制[J].裝備制造技術，2011.08

[5] 葉盛,王維.叉車蓄電池充電技術探討[J].物流技術明細，2010,29(17)：135-136 .