小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正弦波逆變器設(shè)計(jì)

摘要：為了提高小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量，設(shè)計(jì)了高效、可靠、低成本的正弦波逆變器。主電路由推挽升壓變換器和單相逆變橋組成，采用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓比調(diào)整和電氣隔離，降低了噪聲，提高了效率、減小了輸出電壓紋波。逆變器功率開(kāi)關(guān)管采用了RCVD緩沖電路，確保逆變橋安全工作?？刂撇糠植捎眉擅}寬調(diào)制芯片SG3524和正弦函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038實(shí)現(xiàn)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)，簡(jiǎn)單可靠、易于調(diào)試。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)體積減小到傳統(tǒng)逆變器的1／4，效率達(dá)到86％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明輸出電壓波形失真度小于5％，在復(fù)雜的工況下實(shí)現(xiàn)了220 V／50 Hz的市電輸出。
關(guān)鍵詞：正弦波逆變器；小型風(fēng)力發(fā)電；脈沖寬度調(diào)制；推挽電路；單相逆變橋

    戶用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓儲(chǔ)存在24 V、32 V或48V等的蓄電池中，這就使許多交流電器無(wú)法直接配套使用。為了解決這一問(wèn)題，就需要在小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中配置逆變器，將直流電變?yōu)?20 v／50 Hz的交流電輸出，以滿足交流電器的需要。正弦波逆變技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中是一個(gè)極其關(guān)鍵的技術(shù)，它承擔(dān)著將直流電調(diào)制成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電直接供給負(fù)載或安全并聯(lián)到交流電網(wǎng)的任務(wù)。由于小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用的工況十分復(fù)雜，逆變器作為系統(tǒng)的最末一級(jí)變換裝置，其品質(zhì)的好壞直接影響整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的投資和性能。因此，正弦波逆變技術(shù)的性能直接決定著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)構(gòu)成及逆變器主電路
1．1．1 系統(tǒng)構(gòu)成
    小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)逆變器主要組成包括：主電路、輸入電路、輸出電路、控制電路、輔助電源和保護(hù)電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    逆變主電路輸入為直流電由蓄電池提供。輸出電路一般包括輸出濾波電路，對(duì)于開(kāi)環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量不用反饋到控制電路，面對(duì)于閉環(huán)控制的逆變系統(tǒng)，輸出量還要反饋到控制電路?？刂齐娐返墓δ苁前匆螽a(chǎn)生和調(diào)節(jié)一系列的控制脈沖來(lái)控制逆變開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統(tǒng)中，控制電路和逆變電路具有同樣的重要性。輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。保護(hù)電路主要實(shí)現(xiàn)過(guò)壓欠壓保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、過(guò)流和短路保護(hù)。
1．1．2 主電路
    戶用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要用戶是西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民，那里環(huán)境比較惡劣，技術(shù)條件相對(duì)薄弱。因此所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必須穩(wěn)定可靠，技術(shù)相對(duì)比較成熟；考慮到那里的經(jīng)濟(jì)條件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也必須具有成本低、效率高的特點(diǎn)。綜合考慮上述因素，主電路采用單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變電路，該電路結(jié)構(gòu)主要采用高頻設(shè)計(jì)思想，省掉了體積龐大且笨重的工頻變壓器，降低了整個(gè)逆變電路的噪聲，而且該電路具有變換效率較高、輸出電壓紋波小等特點(diǎn)。
    它包括直流升壓部分和直交變化兩部分。其中直流升壓部分為推挽電路結(jié)構(gòu)，直交變化采用全橋逆變結(jié)構(gòu)。主電路如圖2所示。

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    電路中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管VQ1、VQ2接在帶有中心抽頭的變壓器初級(jí)兩端，在電路工作中，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，在匝數(shù)均為N的繞組兩端分別形成相位相反的方波電壓，此電路可以看成完全對(duì)稱的兩個(gè)單端正激變換器組合而成。由于輸出電壓為高壓，所以采用了全橋整流電路，以降低每個(gè)整流管的反向承受電壓，VD1、VD2、VD3、VD4為整流二極管，L、C為輸出濾波電感和濾波電容。逆變器同一橋臂的上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件交替通斷，并處于互補(bǔ)工作方式，即功率管V1和V2互補(bǔ)、V3和V4互補(bǔ)，V1和V3在相位上相差180°電角度。逆變器功率開(kāi)關(guān)管采用了RCVD緩沖電路，緩沖電路對(duì)IGBT的安全工作起著重要作用，它可以有效地抑制開(kāi)通時(shí)浪涌電流和關(guān)斷時(shí)浪涌電壓。采用RCVD緩沖電路可以使緩沖電阻增大，避開(kāi)了開(kāi)通時(shí)IGBT功能受阻的問(wèn)題；也因其旁路了電阻上的充電電流，克服了過(guò)沖電壓。
1．2 控制電路設(shè)計(jì)
    逆變電源控制電路采用了2片集成脈寬調(diào)制電路芯片SG3524，一片用來(lái)產(chǎn)生PWM波，控制推挽升壓電路；另一片與正弦函數(shù)發(fā)生芯片ICL8 038連接來(lái)產(chǎn)生SPWM波，控制全橋逆變電路。集成芯片比分立元器件控制電路具有更簡(jiǎn)單、更可靠的特點(diǎn)和易于調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。蓄電池中直流電壓經(jīng)過(guò)推挽電路進(jìn)行升壓，在直流環(huán)上得到一個(gè)符合要求的直流電壓330 V左右(50 Hz／220 V交流輸出時(shí))。為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，防止主電路對(duì)控制電路的干擾，采用主、控電路完全隔離的方法，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)用光耦隔離，反饋信號(hào)用變壓器隔離。SPWM波形發(fā)生電路如圖3所示。

    要得到SPWM波，必須得到一個(gè)幅值在1～3．5 V，按正弦規(guī)律變化的饅頭波，將它加到SG3524內(nèi)部，并與鋸齒波比較，就可得到正弦脈寬調(diào)制波。正弦波電壓ua由函數(shù)發(fā)生器ICL8038產(chǎn)生。正弦波的頻率由R2、R3和C1來(lái)決定，f=0．15／(R2+R3)C1，為調(diào)試方便，將R2及R3都用可調(diào)電阻，R1用來(lái)調(diào)整正弦波失真度。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得當(dāng)f=50 Hz時(shí)，R2+R3=9．7 kΩ，其中C1=0．22 μF。正弦波信號(hào)產(chǎn)生后一路經(jīng)過(guò)精密全波整流，得到饅頭波uc。另一路經(jīng)過(guò)比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波ub，uc與1 V基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)加法器后得到ud。ud輸入到SG3524的1號(hào)腳，2腳與9腳相連，這樣ud和鋸齒波將在SG3524內(nèi)部的比較器進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM波uc。將得到的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)電路的光耦原邊，就可以實(shí)現(xiàn)正弦脈寬調(diào)制。[!--empirenews.page--]
1．3 保護(hù)電路
    過(guò)流保護(hù)是利用SG3524的10腳加高電平封鎖脈沖輸出的功能。當(dāng)10腳為高電平時(shí)，SG3524的11腳及14腳上輸出的脈寬調(diào)制脈沖就會(huì)立即消失而成為零。過(guò)流信號(hào)取自電流互感器，經(jīng)整流后得到電流信號(hào)，加至過(guò)流保護(hù)電路上。過(guò)流信號(hào)經(jīng)過(guò)精密整流加至電壓比較器LM339的同相端。當(dāng)過(guò)流信號(hào)使同相端電平比反相端參考電平高時(shí)，比較器將輸出高電平，則二極管將從原來(lái)的反向偏置狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎驅(qū)?，并把同相端電位提升為高電平，這一變化將使得電壓比較器一直穩(wěn)定輸出高電平封鎖脈沖，則DC—DC電路停止工作。在正常狀態(tài)下，比較器輸出零電平，不影響DC—DC電路工作。過(guò)流保護(hù)電路如圖4所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的可行性，在1 kW風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)。采用直流電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)，發(fā)電機(jī)使用永磁同步發(fā)電機(jī)，由8只12 V／200 Ah的蓄電池進(jìn)行串并聯(lián)構(gòu)成蓄電池組，端電壓48 V。輸入濾波電容：450 V／2 000μF，輸出濾波電感：8 mH，濾波電容：4．7 μF。采用800 W白熾燈泡作為阻性負(fù)載和阻抗角為20°的感性負(fù)載條件下對(duì)逆變器輸出波形進(jìn)行分析，如圖5所示。

    對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，逆變器輸出電壓為220±5 V，頻率50 Hz±0．5％，THD<5％，特別是在蓄電池電壓在42—53 V波動(dòng)時(shí)仍然能較好的保持輸出波形。

3 結(jié)論
    通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)試了正弦波逆變器的性能，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，電路工作穩(wěn)定，輸出電壓波形平滑，抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的正弦度。本文所設(shè)計(jì)的采用2片集成脈寬調(diào)制電路芯片分別控制推挽電路和全橋逆變電路，以及通過(guò)SPWM控制方法設(shè)計(jì)的逆變電源成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、易于市場(chǎng)化，適合牧區(qū)、海島、通信基站等工況復(fù)雜、用電量較小的地區(qū)使用的小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。