风能-太阳能双峰值检测IGBT逆变器的研究与设计

摘要：  当今世界， 随着人们生活水平的不断提高，电力已经成为人们生活中必不可少的动力来源，人们对电的依赖也越来越多。 与此同时， 资源缺乏的压力却不断增大。如何解决人们需求增加与资源不断减少之间的矛盾，成为当今国内外学者一直在研究与探讨的问题。利用绿色可再生资源是一条很好的出路， 风能、 太阳能就是取之不尽的天然绿色可再生资源。

关键字：  风光互补发电系统，  逆变器，  

风光互补发电系统是一种将太阳能和风能转化为电能的装置。太阳能与风能在时间上和地域上有着很强的互补性，可以弥补单一能源发电造成的不均衡的缺陷，使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性， 其优点是稳定， 无污染，无噪音，不产生废弃物。 而逆变器又是风光互补发电系统的关键设备，直接关系到供电质量和系统运行的可靠性。 这样， 采用什么样的方法能使逆变器发出稳定的交流电给负载供电，是要解决的首要问题。

本文从系统的实际出发，提出一种新的逆变器控制方法—— —双峰值检测法，能较好地控制逆变器直流母线端电压的稳定， 提高系统供电质量，对边远地区和供电紧张城市用户用有很大帮助。

1 系统组成和工作原理

整套发电系统主要是由风电系统、 光电系统、柴油机后备发电系统、 逆变器系统、 控制系统五大部分组成， 图1为系统结构框图。

风电系统是利用风力发电机组，将风能转换成电能，然后通过控制器对逆变器直流端充电的一套系统。风机可采用专门设计的变桨距风力发电机或调叶面风力发电机。 风电系统的优点是系统日发电量大， 系统造价低， 运行维护成本低; 缺点是可靠性较差。 光电系统是利用光电池板， 将太阳能转换成电能， 储存在太阳能蓄电池中，再通过控制器对逆变器直流端充电的一套系统。该系统的特点是可靠性高， 运行维护成本低; 缺点是系统造价高。 柴油机发电系统是在风-光发电系统出现故障或是供电不足时的后备系统，目前已经趋于完善， 本文不再多讲。 因此， 利用风-光互补发电且以风电为主， 柴油机作为后备系统，是最佳匹配方案。 控制单元是整套系统的大脑，可选用目前功能强大的DSP系列。逆变器设计为PWM触发， 单向IGBT逆变器， 采用目前成熟的大功率电力电子功率转换器件IGBT， 确保逆变器系统正常工作。

2 逆变器控制方式-双峰值检测法

逆变器的控制结构图如图 2 所示。对于整套系统来说， 稳定逆变器直流端母线电压， 提高系统供电质量是系统控制的首要任务。双峰值检测法即根据负载电压U4 的需要， 确定逆变器直流母线端电压 U2 的范围 U2min-U2max， 从而确定风力发电机三相线电压 U1 的最大峰值取值 U1max 与最小峰值取值 U1min 和太阳能蓄电池电压 U3 的最大峰， 值取值 U3max 与最小峰值取值 U3min，这样根据 U1 和 U3的双峰值来对风电系统和光电系统进行控制， 进而达到对逆变器母线端电压进行最优化控制的目的。

2.1 风机充电控制

被控对象是三相桥式整流电路，结构框图如图 2 所示。风机选用变桨距风力发电机或调叶面风力发电机，这种风力发电机通过风电机组的机械式结构限制风机的转速， 可在 3耀10 级风时达到稳定输出。系统再加入 CVT(Constant Voltage Tracking)式的 MPPT 功率跟踪器， 即把 MPPT 控制简化为稳压控制，即可达到风力发电机的电压输出稳定， 减少风力发电机输出的冲击， 对提高风力发电机系统工作的可靠性起到很好的作用。

当风速达到启动风速时，风电系统进入发电状态，电压传感器 1 时刻检测三相风力发电机的线电压 U1，把电压数据值传入 DSP处理器。当出现大的波动，线电压 U1 小于 U1min 时，停止风电系统，启动光电系统对直流母线端充电，直到 U1 大于 U1min 时再启动风电系统，关闭光电系统。当线电压 U1 大于 U1max 时，启动卸载电阻，直到 U2 小于U2min 时再关闭卸载电阻，此时，如果 U1 在 U1min~U1max 之间，启动风电系统对逆变器直流母线端充电;如果 U1 不在U1min~U1max 之间，则启动光电系统对逆变器直流母线端充电。

2.2 光伏充电控制

被控对象是太阳能光伏电池充电系统，结构框图如图2 所示。 有日照时， 太阳能电池板吸收光能， 然后转化为电能输出直流电， 储存在太阳能蓄电池之中，再通过电路中 IGBT 的通断， 实现对逆变器直流母线端的充电。在光电转换过程中， 通过改变开关管的脉冲宽度，可以控制DC/DC 变换器给太阳能蓄电池充电的电流，保证蓄电池电压的稳定， 以确保对逆变器直流端的恒压供电。光伏电池的 V-I 输出特性与日照及电池板温度有关，为了提高太阳电池的发电效率，在系统中加入一个太阳能电池峰值功率跟踪器， 即基于 CVT 式的MPPT 跟踪器，这也简化成了CVT 式的 MPPT控制。

电压传感器 3 时刻检测太阳能蓄电池电压U3， 把电压数据值传入 DSP处理器。 当风电系统线电压U1 不能满足逆变器要求时， 启动光伏电池对逆变器充电， 通过光电系统电路中 IGBT的通断控制， 保证逆变器直流端电压 U2 的大小，一般设置蓄电池电压U3 的值比U2 的值稍大， 减少 IGBT 开关次数。

2.3 逆变器控制

逆变器是发电的核心装置，直接决定发电质量， 也是最容易损坏和出现故障的部分， 所以采用的传感器和保护器件比较多。逆变器直流端的电压传感器2时刻检测母线端电压U2，如前面所述配合 U1 和 U3 的值来决定逆变器充电方式。采用单向桥式 IGBT触发方式进行逆变，为防止 IGBT误导通而产生桥臂的电流直通，电路加入直流保险管进行保护。引入电流传感器1时刻检测逆变电流， 防止冲击电流。 逆变端电压传感器4时刻检测输出端电压值U4，当输出端电压因负载加大而产生电压降低时，可适当增加输出端电压值 U4， 即增加 U1、 U2、 U3的峰值即可。电流传感器 2 时刻检测输出端电流，当检测出过电流或冲击电流时，可控制电流接触器进行断路保护。为防止负载端短路， 电路加入交流保险管进行短路保护。

2.4 其他装置控制

(1) 柴油机后备发电系统国当风电系统和光电系统同时不能满足充电要求时， 启动此装置。 例如，风机发电电压达不到指定电压， 存储的太阳能用尽时，可启动柴油机发电，一边向负载端发电一边向逆变器直流母线端充电， 但此情况很少。

(2) 有源滤波稳压器国当进行风-光-柴发电切换时， 会有一定的冲击电压。 电压输出端引入有源滤波稳压器可很好地抑制电压谐波，提高电网电压输出质量。

3 控制系统运行策略

3.1 对微处理器的要求

从控制方法 (见图 2) 可以看出整套电路多处用了电压、电流传感器， 所以整个控制系统是基于实时数据采集的全自动智能控制系统，需要每天时刻不间断进行数据采集。而且必要时的中断处理和多处 IGBT 的 PWM 触发也对微处理器有着特殊要求。因此， 本系统采用运算功能强大， 运算速度快，片内可产生 PWM控制信号的DSP 作为微处理器。采用 TI 公司的 TMS320C2000 系列即可满足整个系统要求。

3.2 系统控制流程

基于双峰值检测法的原理，可得出整套系统的控制流程图， 如图3所示。 (注： 启动单发电装置时， 同时关闭其他发电装置。例如： 启动光电系统时， 先检测风电系统和柴油机后备系统是否关闭，再启动光电系统。 ) 这种控制方法的最大优点就是对风电系统、 光电系统、 逆变器直流母线端， 实时进行双峰值电压检测，最大限度地保证了逆变器供电电压的稳定， 是一种新的控制方法。

4 参数取值与系统仿真

此发电装置的设计主要是针对偏远山区家庭用户和供电紧张城市用户。一般输出端电压U4的取值为220V/50Hz， 考虑到电路中电阻、电感消耗和其他能量消耗，所以整套系统的参数取值可设定为： 最大输出功率 2 kW; 逆变器直流母线端电压峰值 U2min=205V， U2max=210V;三相风力发电机线电压峰值 U1min =155V， U1max =161V， CVT 的MPPT式恒压控制值U1c=158V;太阳能蓄电池直流电压峰值U3min=215V， U3max=221V， CVT的 MPPT式恒压控制值U3c=218V; 交流保险丝熔断值9.1A;直流保险丝熔断值 10.1A;电流传感器 1 报警值I1=8.0A，电流传感器 2 报警值 I1=7.2A，电感值 L=1mH。

利用Matlab 仿真软件， 对风电系统和光电系统在电流闭环控制基础上进行 CVT 的 MPPT 仿真， 波形如图 4 和图 5 所示。

由充电波形图可以看出： 采用此控制方式后，风电装置的充电电流波动较小，而光电装置的充电电流波动很小，这样风电系统和光电系统输出电压即可稳定在一定范围内，也不会造成大的电流冲击，而波动造成的谐波可利用输出端的滤波稳压器消除，这也说明了这种新方法—— —双峰值检测法的可行性。

5 结语

整套发电系统运用计算机控制技术，以新型控制方法—— —双峰值检测法为控制策略，把风电系统、 光电系统、 柴油机发电系统有机地结合在了一起， 实现了以风能发电为主， 光能发电为辅， 柴油机发电作为后备的完善发电方法，具有过电流和过电压的完善保护功能，能向家用负载提供不间断供电，可解决边远地区和供电紧张城市用户用电困难的问题。 但在实际应用中， 本文中一些系统参数只供参考，可根据不同用户设计最佳使用参数。