小型风力发电系统正弦波逆变器设计

摘要：为了提高小型风力发电系统输出电能质量，设计了高效、可靠、低成本的正弦波逆变器。主电路由推挽升压变换器和单相逆变桥组成，采用高频变压器实现电压比调整和电气隔离，降低了噪声，提高了效率、减小了输出电压纹波。逆变器功率开关管采用了RCVD缓冲电路，确保逆变桥安全工作。控制部分采用集成脉宽调制芯片SG3524和正弦函数发生芯片ICL8038实现正弦波脉宽调制(SPWM)，简单可靠、易于调试。实验样机体积减小到传统逆变器的1／4，效率达到86％。实验结果表明输出电压波形失真度小于5％，在复杂的工况下实现了220 V／50 Hz的市电输出。
关键词：正弦波逆变器；小型风力发电；脉冲宽度调制；推挽电路；单相逆变桥

    户用小型风力发电机的输出电压储存在24 V、32 V或48V等的蓄电池中，这就使许多交流电器无法直接配套使用。为了解决这一问题，就需要在小型风力发电系统中配置逆变器，将直流电变为220 v／50 Hz的交流电输出，以满足交流电器的需要。正弦波逆变技术在风力发电系统中是一个极其关键的技术，它承担着将直流电调制成稳压稳频的交流电直接供给负载或安全并联到交流电网的任务。由于小型风力发电系统使用的工况十分复杂，逆变器作为系统的最末一级变换装置，其品质的好坏直接影响整个发电系统的投资和性能。因此，正弦波逆变技术的性能直接决定着风力发电系统的推广和应用。

1 系统设计
1．1 系统构成及逆变器主电路
1．1．1 系统构成
    小型风力发电系统逆变器主要组成包括：主电路、输入电路、输出电路、控制电路、辅助电源和保护电路，其基本结构如图1所示。

    逆变主电路输入为直流电由蓄电池提供。输出电路一般包括输出滤波电路，对于开环控制的逆变系统，输出量不用反馈到控制电路，面对于闭环控制的逆变系统，输出量还要反馈到控制电路。控制电路的功能是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变主电路完成逆变功能。在逆变系统中，控制电路和逆变电路具有同样的重要性。辅助电源的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电路工作的直流电压。保护电路主要实现过压欠压保护、过载保护、过流和短路保护。
1．1．2 主电路
    户用风力发电系统主要用户是西部偏远地区的农牧民，那里环境比较恶劣，技术条件相对薄弱。因此所选拓扑结构必须稳定可靠，技术相对比较成熟；考虑到那里的经济条件，拓扑结构也必须具有成本低、效率高的特点。综合考虑上述因素，主电路采用单向电压源高频环节逆变电路，该电路结构主要采用高频设计思想，省掉了体积庞大且笨重的工频变压器，降低了整个逆变电路的噪声，而且该电路具有变换效率较高、输出电压纹波小等特点。
    它包括直流升压部分和直交变化两部分。其中直流升压部分为推挽电路结构，直交变化采用全桥逆变结构。主电路如图2所示。

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    电路中的两个开关管VQ1、VQ2接在带有中心抽头的变压器初级两端，在电路工作中，两个开关管交替导通，在匝数均为N的绕组两端分别形成相位相反的方波电压，此电路可以看成完全对称的两个单端正激变换器组合而成。由于输出电压为高压，所以采用了全桥整流电路，以降低每个整流管的反向承受电压，VD1、VD2、VD3、VD4为整流二极管，L、C为输出滤波电感和滤波电容。逆变器同一桥臂的上下两个开关器件交替通断，并处于互补工作方式，即功率管V1和V2互补、V3和V4互补，V1和V3在相位上相差180°电角度。逆变器功率开关管采用了RCVD缓冲电路，缓冲电路对IGBT的安全工作起着重要作用，它可以有效地抑制开通时浪涌电流和关断时浪涌电压。采用RCVD缓冲电路可以使缓冲电阻增大，避开了开通时IGBT功能受阻的问题；也因其旁路了电阻上的充电电流，克服了过冲电压。
1．2 控制电路设计
    逆变电源控制电路采用了2片集成脉宽调制电路芯片SG3524，一片用来产生PWM波，控制推挽升压电路；另一片与正弦函数发生芯片ICL8 038连接来产生SPWM波，控制全桥逆变电路。集成芯片比分立元器件控制电路具有更简单、更可靠的特点和易于调试的优点。蓄电池中直流电压经过推挽电路进行升压，在直流环上得到一个符合要求的直流电压330 V左右(50 Hz／220 V交流输出时)。为保证系统可靠运行，防止主电路对控制电路的干扰，采用主、控电路完全隔离的方法，即驱动信号用光耦隔离，反馈信号用变压器隔离。SPWM波形发生电路如图3所示。

    要得到SPWM波，必须得到一个幅值在1～3．5 V，按正弦规律变化的馒头波，将它加到SG3524内部，并与锯齿波比较，就可得到正弦脉宽调制波。正弦波电压ua由函数发生器ICL8038产生。正弦波的频率由R2、R3和C1来决定，f=0．15／(R2+R3)C1，为调试方便，将R2及R3都用可调电阻，R1用来调整正弦波失真度。在实验中测得当f=50 Hz时，R2+R3=9．7 kΩ，其中C1=0．22 μF。正弦波信号产生后一路经过精密全波整流，得到馒头波uc。另一路经过比较器得到与正弦波同频率，同相位的方波ub，uc与1 V基准电压经过加法器后得到ud。ud输入到SG3524的1号脚，2脚与9脚相连，这样ud和锯齿波将在SG3524内部的比较器进行比较产生SPWM波uc。将得到的两路驱动信号加到驱动电路的光耦原边，就可以实现正弦脉宽调制。[!--empirenews.page--]
1．3 保护电路
    过流保护是利用SG3524的10脚加高电平封锁脉冲输出的功能。当10脚为高电平时，SG3524的11脚及14脚上输出的脉宽调制脉冲就会立即消失而成为零。过流信号取自电流互感器，经整流后得到电流信号，加至过流保护电路上。过流信号经过精密整流加至电压比较器LM339的同相端。当过流信号使同相端电平比反相端参考电平高时，比较器将输出高电平，则二极管将从原来的反向偏置状态转变为正向导通，并把同相端电位提升为高电平，这一变化将使得电压比较器一直稳定输出高电平封锁脉冲，则DC—DC电路停止工作。在正常状态下，比较器输出零电平，不影响DC—DC电路工作。过流保护电路如图4所示。

2 实验结果分析
    为了验证上述设计的可行性，在1 kW风力发电实验平台上进行试验。采用直流电机模拟风力机，发电机使用永磁同步发电机，由8只12 V／200 Ah的蓄电池进行串并联构成蓄电池组，端电压48 V。输入滤波电容：450 V／2 000μF，输出滤波电感：8 mH，滤波电容：4．7 μF。采用800 W白炽灯泡作为阻性负载和阻抗角为20°的感性负载条件下对逆变器输出波形进行分析，如图5所示。

    对实验结果进行分析，逆变器输出电压为220±5 V，频率50 Hz±0．5％，THD<5％，特别是在蓄电池电压在42—53 V波动时仍然能较好的保持输出波形。

3 结论
    通过实验实际测试了正弦波逆变器的性能，从实验结果来看，电路工作稳定，输出电压波形平滑，抗干扰能力强，具有较好的正弦度。本文所设计的采用2片集成脉宽调制电路芯片分别控制推挽电路和全桥逆变电路，以及通过SPWM控制方法设计的逆变电源成本低、结构简单、稳定性高、易于市场化，适合牧区、海岛、通信基站等工况复杂、用电量较小的地区使用的小型风力发电系统。