小型风力发电系统中正弦波逆变技术的研究

王俊吉

摘 要：24 V、32 V或48 V是户用小型风力发电机普遍输出的电压，许多交流电器无法直接使用。针对这一问题，在小型风力发电系统中需要配置逆变器来完成输出电压为220 V/50 Hz交流电的转变。首先，文中电压比调整和电气隔离是通过高频变压器实现的；其次设计逆变器的各部分电路并通过计算其参数对器件进行选择；最后文章对所设计的电路结构进行了Matlab/Simulink仿真，证明该设計实现了对正弦波逆变的稳定控制，取得了较好效果。

关键词：正弦波逆变技术 控制策略 仿真

中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：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

对绿色能源—风能的主要利用形式是风力发电，它的发展趋势是高技术化和高性能化。正弦波逆变技术对风力发电系统而言是一个极其关键的技术，它负责将直流电调制成稳压稳频的交流电，然后供给负载使用或安全并联到交流电网中去。采用逆变技术获得的交流电幅度和频率可以灵活调节，而且动态响应快、控制性能好、电气性能指标好。

1 主电路的设计

该文设计的主电路如图1所示。电压比调整和电气隔离是通过高频变压器实现的，它不仅省掉了体积庞大且笨重的工频变压器还使音频噪声明显降低了。变换效率较高和输出电压纹波小是该电路的特点。

1.1 单极LC直流输入滤波电路

输入滤波器可以使输入电流平稳化[1]。取直流升压电路的工作频率为20 kHz，电感量为5μH，电容量为2 200μF，则：ω=2πfs=2×3.14×2×104rad/s，ωf=1/LC=9534.6rad/s满足公式ω=（2-3）wr。电容电压取两倍的裕量：48×2=96 V，取100 V；电感电流为：1250÷48=26.04 A，取30 A。

1.2 直流升压斩波电路

该环节采用双管单端正激变换电路，电路带隔离变压器。输入直流电压为48 V，选择IGBT的额定电压值为600 V。逆变器的效率为80%，输入功率为1 250 W，则变换电流为26 A。过载能力kr取1.5倍，电流安全裕量取1.5倍。IGBT的电流额定值根据公式I≥2IOkrβr计算得到I≥83 A。所以选择IGBT管的型号为MG100J1BS11（100 A/600 V）。

1.3 逆变变压器

逆变变压器对逆变器的效率和工作可靠性起着非常重要作用，同时它影响输出的电气性能[2]。

（1）变压器次级功率：变压器的输出功率P0=1111 W，

W。

（2）铁芯计算：从曲线图（依据变压器的次级功率、电源频率、铁芯材料）中查得磁感应强度Bm为2 000高斯，导线的电流密度j为1.5 A/mm2，占空系数kc为0.9，铜线在铁芯窗口中的占空系数ko为0.3。根据变压器次级功率的大小从曲线中求得效率为0.96，代入公式得：

（3）每匝感应电势：

（4）绕组匝数计算：初级绕组

，次级绕组=

。

（5）绕组电流计算：磁化电流=

A，铁芯损耗电流：A，次级电流A。

（6）绕组导线计算：初级绕组线径，次级绕组线径。

（7）绝缘设计采用3层层间电缆纸。

1.4 整流及输出滤波

取直流电压的1.5倍为整流二极管的电压裕量，即V。管中流过的峰值电流值=

A整流二极管的额定电流值要大于此值，选择快恢复二极管额定电压为600 V，额定电流为15 A，型号为MUR1560。因为谐波电压分量存在于不可控整流电路输出电压uD中，整流电路的输出电压必须经过滤波器，然后再与负载相连。LC滤波器通常由较小的L和较大的C组成（主要考虑滤波电感L的重量和体积）。选择电感：L2=0.5μH，电感电流3.5 A。由C2≥μF，取耐压为450 V的10μF电容（根据仿真结果进行调试）。

1.5 全桥逆变

（1）IGBT额定电压UCE的选择：取IGBT的额定电压UCE为600 V（依据交流侧电压为220 V）。

（2）IGBT额定电流IC的选择：考虑逆变效率（η>90%）和安全過载裕量（2倍左右），流过IGBT的电流额定值Ic： A。选取四只型号为MG25J1BS11（额定电压600 V，额定电流25 A）的IGBT管。

1.6 输出滤波

选择滤波器截止频率为300 Hz（输出电压基波频率为50 Hz）则L3≥R/2πfc，

根据仿真调试，取电流为10A的65mH电感。C3≥1/2πfcR=

μF，根据仿真调试，选择耐压为450 V的100μF电容。

铁芯电抗器计算：电感交流电压U=2πfL1=2×3.14×50×

65×10-3×4.54=92.66 V。

电感的功率容量：W，W，

铁心型号选XCD25×50×50（Sc=11.5cm2、Lc=22.6cm）。匝数：N==

cm，

。

1.7 缓冲电路

该设计选择RCVD缓冲电路[3]。由公式求得参数，从IGBT数据手册可查知tf、可查知tr。若选择MG100J1BS11型号的IGBT电容C=6.225μF（tf=1.0 μs，tr=0.8 μs，Ice=83 A，Vce=24 V），在IGBT导通时期内，电容CS放电，假设放电时间常数是充电时间常数的3倍则电阻为，电阻的功率为。若选择MG100J1BS11型号的IGBT电阻0.05 Ω， ，二极管型号选择为2CZ100A/A，它的额定电压为25V，它的额定电流100 A。对MG75J1BS11电阻，PR=62.5 W，二极管的型号选择为ZQ15，它的额定电压300 V，它的额定电流15 A。

2 控制和驱动电路的设计

2.1 DC-DC控制电路

DC-DC电路控制电路如图2所示。反馈电压u0由逆变器的输出电压经整流、滤波、分压后得到，逆变器的输出电压的大小正比于u0。调节逆变器输出电压的幅值可以通过调节反馈电压的大小来实现[4]。

SG3524-1芯片的反相端脚1接控制信号u0，参考电平接同相端脚2，反馈信号就可以控制SG3524-1的输出脉冲的占空比。逆变器输出减小会使反馈电压随之下降，这会增加SG3524-1输出脉冲的占空比，跟着升高的是DC-DC电路的输出电压，最终升高的是逆变器输出交流电压。反之亦然。显然，整个逆变器的输出自动稳压调节功能是通过SG3524-1的脉宽调制的控制作用来实现的。（如图3）

2.2 DC-AC控制电路

产生SPWM信号：如图3所示，函数发生器ICL8038产生正弦波电压ua，正弦波的频率f=1.15/（R2+R3）C1，其中R2和R3都用可调电阻，正弦波失真度通过R来调整。当f=50 Hz时调试得R2+R3=9.7kΩ、C1=2.2μF。一路正弦波信号经过整流后得到uc；另一路正弦波经过比较器后得到与正弦波相同频率和相位的方波ub。ud是由uc与1 V基准经过加法器后得的，SG3524-2的1号脚接ud，这样SPWM波ue就在SG3524-2内部产生了[5]。

分相：一块二输入与门74LS08、一块单输入非门74LS05组成了分相电路。

3 正弦波逆变电路的仿真研究

使用Simulink来研究1 000 W的正弦波逆变器输出电压的稳定性。利用软件分别仿真了带阻性负载、感性负载和容性负载时输出电压和电流波形及THD频谱图，综合后得图4和图5，分别表示输出电压的变化趋势和THD的变化趋势。可见带感性负载时，输出电压提升的比较快，同时波形的畸变系数比较小。

4 结语

风能是最重要的可再生能源之一，风力发电对于改善用能结构和促进环境发展具有重要意义[6]。该文对逆变器的主电路和控制电路的各个环节进行了参数的计算和原件的选择，最终完成了逆变器的设计，最后通过Simulink仿真了该逆变器带不同负载时输出电压的稳定性，分析仿真结果得带感性负载时，输出电压提升比较快，同时波形的畸变系数比较小。

参考文献

[1] 李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用[M].北京：科学出版社，2000：45-50.

[2] 王兆安，黄俊生.电力电子技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005：20-80.

[3] 谢力华，苏彦民.正弦波逆变电源的数字控制技术[J].电力电子技术，2001（12）：52-60.

[4] 王承熙，张源.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2002：45-50.

[5] 张明勋.电力电子设备设计和应用手册[M].北京：机械工业出版社，1990：85-95.

[6] 王敬明.小型风力发电单相正弦波逆变器的研究[D].内蒙古大学，2015.