小型風力發電系統中正弦波逆變技術的研究

王俊吉

摘 要：24 V、32 V或48 V是戶用小型風力發電機普遍輸出的電壓，許多交流電器無法直接使用。針對這一問題，在小型風力發電系統中需要配置逆變器來完成輸出電壓為220 V/50 Hz交流電的轉變。首先，文中電壓比調整和電氣隔離是通過高頻變壓器實現的；其次設計逆變器的各部分電路并通過計算其參數對器件進行選擇；最后文章對所設計的電路結構進行了Matlab/Simulink仿真，證明該設計實現了對正弦波逆變的穩定控制，取得了較好效果。

關鍵詞：正弦波逆變技術 控制策略 仿真

中圖分類號：TM61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0028-04

Abstract：Households with a small wind generator output voltage is stored in 32 V or 24 V，48 V battery， such as this makes many ac electric equipment cannot be used directly. In order to solve this problem，you need to configure inverter in the small wind power generation system，the dc into 220 V/50 Hz alternating current output，so as to meet the needs of communication appliances.Firstly，through comparing the low frequency inverter technology and high frequency inverter technology，high frequency inverter technology is selected. The parameter of each part circuit is devised and calculated. All parts of an apparatus are chose. In succession， the Matlab＼Simulink simulation of circuit structure is made. The model parameters are installed on base of theoretical calculation. The stability control of sine wave inverter is realized through initial simulation. The experimental result indicates the rationality and feasibility of the design scheme.

Key Words：Sine wave inverter technique； Control strategy； Simulation

對綠色能源—風能的主要利用形式是風力發電，它的發展趨勢是高技術化和高性能化。正弦波逆變技術對風力發電系統而言是一個極其關鍵的技術，它負責將直流電調制成穩壓穩頻的交流電，然后供給負載使用或安全并聯到交流電網中去。采用逆變技術獲得的交流電幅度和頻率可以靈活調節，而且動態響應快、控制性能好、電氣性能指標好。

1 主電路的設計

該文設計的主電路如圖1所示。電壓比調整和電氣隔離是通過高頻變壓器實現的，它不僅省掉了體積龐大且笨重的工頻變壓器還使音頻噪聲明顯降低了。變換效率較高和輸出電壓紋波小是該電路的特點。

1.1 單極LC直流輸入濾波電路

輸入濾波器可以使輸入電流平穩化[1]。取直流升壓電路的工作頻率為20 kHz，電感量為5μH，電容量為2 200μF，則：ω=2πfs=2×3.14×2×104rad/s，ωf=1/LC=9534.6rad/s滿足公式ω=（2-3）wr。電容電壓取兩倍的裕量：48×2=96 V，取100 V；電感電流為：1250÷48=26.04 A，取30 A。

1.2 直流升壓斬波電路

該環節采用雙管單端正激變換電路，電路帶隔離變壓器。輸入直流電壓為48 V，選擇IGBT的額定電壓值為600 V。逆變器的效率為80%，輸入功率為1 250 W，則變換電流為26 A。過載能力kr取1.5倍，電流安全裕量取1.5倍。IGBT的電流額定值根據公式I≥2IOkrβr計算得到I≥83 A。所以選擇IGBT管的型號為MG100J1BS11（100 A/600 V）。

1.3 逆變變壓器

逆變變壓器對逆變器的效率和工作可靠性起著非常重要作用，同時它影響輸出的電氣性能[2]。

（1）變壓器次級功率：變壓器的輸出功率P0=1111 W，

W。

（2）鐵芯計算：從曲線圖（依據變壓器的次級功率、電源頻率、鐵芯材料）中查得磁感應強度Bm為2 000高斯，導線的電流密度j為1.5 A/mm2，占空系數kc為0.9，銅線在鐵芯窗口中的占空系數ko為0.3。根據變壓器次級功率的大小從曲線中求得效率為0.96，代入公式得：

（3）每匝感應電勢：

（4）繞組匝數計算：初級繞組

，次級繞組=

。

（5）繞組電流計算：磁化電流=

A，鐵芯損耗電流：A，次級電流A。

（6）繞組導線計算：初級繞組線徑，次級繞組線徑。

（7）絕緣設計采用3層層間電纜紙。

1.4 整流及輸出濾波

取直流電壓的1.5倍為整流二極管的電壓裕量，即V。管中流過的峰值電流值=

A整流二極管的額定電流值要大于此值，選擇快恢復二極管額定電壓為600 V，額定電流為15 A，型號為MUR1560。因為諧波電壓分量存在于不可控整流電路輸出電壓uD中，整流電路的輸出電壓必須經過濾波器，然后再與負載相連。LC濾波器通常由較小的L和較大的C組成（主要考慮濾波電感L的重量和體積）。選擇電感：L2=0.5μH，電感電流3.5 A。由C2≥μF，取耐壓為450 V的10μF電容（根據仿真結果進行調試）。

1.5 全橋逆變

（1）IGBT額定電壓UCE的選擇：取IGBT的額定電壓UCE為600 V（依據交流側電壓為220 V）。

（2）IGBT額定電流IC的選擇：考慮逆變效率（η>90%）和安全過載裕量（2倍左右），流過IGBT的電流額定值Ic： A。選取四只型號為MG25J1BS11（額定電壓600 V，額定電流25 A）的IGBT管。

1.6 輸出濾波

選擇濾波器截止頻率為300 Hz（輸出電壓基波頻率為50 Hz）則L3≥R/2πfc，

根據仿真調試，取電流為10A的65mH電感。C3≥1/2πfcR=

μF，根據仿真調試，選擇耐壓為450 V的100μF電容。

鐵芯電抗器計算：電感交流電壓U=2πfL1=2×3.14×50×

65×10-3×4.54=92.66 V。

電感的功率容量：W，W，

鐵心型號選XCD25×50×50（Sc=11.5cm2、Lc=22.6cm）。匝數：N==

cm，

。

1.7 緩沖電路

該設計選擇RCVD緩沖電路[3]。由公式求得參數，從IGBT數據手冊可查知tf、可查知tr。若選擇MG100J1BS11型號的IGBT電容C=6.225μF（tf=1.0 μs，tr=0.8 μs，Ice=83 A，Vce=24 V），在IGBT導通時期內，電容CS放電，假設放電時間常數是充電時間常數的3倍則電阻為，電阻的功率為。若選擇MG100J1BS11型號的IGBT電阻0.05 Ω， ，二極管型號選擇為2CZ100A/A，它的額定電壓為25V，它的額定電流100 A。對MG75J1BS11電阻，PR=62.5 W，二極管的型號選擇為ZQ15，它的額定電壓300 V，它的額定電流15 A。

2 控制和驅動電路的設計

2.1 DC-DC控制電路

DC-DC電路控制電路如圖2所示。反饋電壓u0由逆變器的輸出電壓經整流、濾波、分壓后得到，逆變器的輸出電壓的大小正比于u0。調節逆變器輸出電壓的幅值可以通過調節反饋電壓的大小來實現[4]。

SG3524-1芯片的反相端腳1接控制信號u0，參考電平接同相端腳2，反饋信號就可以控制SG3524-1的輸出脈沖的占空比。逆變器輸出減小會使反饋電壓隨之下降，這會增加SG3524-1輸出脈沖的占空比，跟著升高的是DC-DC電路的輸出電壓，最終升高的是逆變器輸出交流電壓。反之亦然。顯然，整個逆變器的輸出自動穩壓調節功能是通過SG3524-1的脈寬調制的控制作用來實現的。（如圖3）

2.2 DC-AC控制電路

產生SPWM信號：如圖3所示，函數發生器ICL8038產生正弦波電壓ua，正弦波的頻率f=1.15/（R2+R3）C1，其中R2和R3都用可調電阻，正弦波失真度通過R來調整。當f=50 Hz時調試得R2+R3=9.7kΩ、C1=2.2μF。一路正弦波信號經過整流后得到uc；另一路正弦波經過比較器后得到與正弦波相同頻率和相位的方波ub。ud是由uc與1 V基準經過加法器后得的，SG3524-2的1號腳接ud，這樣SPWM波ue就在SG3524-2內部產生了[5]。

分相：一塊二輸入與門74LS08、一塊單輸入非門74LS05組成了分相電路。

3 正弦波逆變電路的仿真研究

使用Simulink來研究1 000 W的正弦波逆變器輸出電壓的穩定性。利用軟件分別仿真了帶阻性負載、感性負載和容性負載時輸出電壓和電流波形及THD頻譜圖，綜合后得圖4和圖5，分別表示輸出電壓的變化趨勢和THD的變化趨勢。可見帶感性負載時，輸出電壓提升的比較快，同時波形的畸變系數比較小。

4 結語

風能是最重要的可再生能源之一，風力發電對于改善用能結構和促進環境發展具有重要意義[6]。該文對逆變器的主電路和控制電路的各個環節進行了參數的計算和原件的選擇，最終完成了逆變器的設計，最后通過Simulink仿真了該逆變器帶不同負載時輸出電壓的穩定性，分析仿真結果得帶感性負載時，輸出電壓提升比較快，同時波形的畸變系數比較小。

參考文獻

[1] 李愛文，張承慧.現代逆變技術及其應用[M].北京：科學出版社，2000：45-50.

[2] 王兆安，黃俊生.電力電子技術[M].西安：西安交通大學出版社，2005：20-80.

[3] 謝力華，蘇彥民.正弦波逆變電源的數字控制技術[J].電力電子技術，2001（12）：52-60.

[4] 王承熙，張源.風力發電[M].北京：中國電力出版社，2002：45-50.

[5] 張明勛.電力電子設備設計和應用手冊[M].北京：機械工業出版社，1990：85-95.

[6] 王敬明.小型風力發電單相正弦波逆變器的研究[D].內蒙古大學，2015.