基于DSP的小型风力发电逆变器的研究【毕业设计】.doc

编号XXXXXXX毕业论文 （ 2012届本科）题 目：基于DSP的小型风力发电逆变器的研究学 院： XXXXXX学院 专 业： XXXXXXXX 作者姓名： XXXX 指导教师： XXX 职称： XXX 完成日期： 2012 年 5 月 14 日二一二年五月目 录摘要1Abstract2第一章 绪论31.1世界风力发电发展状况31.2风电在未来能源发展中的优势及潜在市场51.3本课题的意义、目的和任务7第二章 小型风力发电系统中逆变器构成及原理82.1小型风力发电系统的构成82.2系统中各组成部分的功能及原理82.3 小型风力发电逆变器系统结构和工作原理112.4 本章小结12第三章 逆变器主电路设计133.1主电路拓扑结构及其选择133.2 推挽变换器的参数设计173.3 逆变电路参数设计183.4 本章小结21第四章 控制电路设计224.1控制电路结构框图224.2芯片DSP224.3 IGBT驱动及保护电路设计254.4 采样检测电路274.5 保护电路294.6 辅助电源304.7 本章小结30第五章 系统软件设计325.1 系统初始化程序流程图325.2 定时器中断子程序345.3 本章小结36第六章 系统仿真376.1 Matlab/Simulink仿真软件简介376.2 系统仿真376.3 本章小结38结论39致 谢41附录42附录45摘 要风能是一种可再生能源，它因为干净清洁无污染而受到了世界许多国家的高度重视，风力发电替代传统的发电模式将成为以后的发展趋势。而逆变器是风力发电系统中的关键组成部分之一，因此对风力发电逆变器研究具有很大的现实意义。本文中,主要对1KW小型风力发电逆变器进行研究,设计了逆变器的主电路、以DSP为核心的控制电路、以及驱动电路等，同时进行了系统的软件设计。最后，应用MATLAB/simulink系统仿真软件，对风力发电逆变器进行了实验仿真。通过仿真，验证系统设计方案的可行性，合理性。关键词：风力发电；逆变器；DSPAbstractWind energy is a kind of renewable source of energy, wind energy has been highly valued by many countries in the world due to its clean and pollution-free, the traditional pattern of power generating will be replaced by wind power in the future. Its a realistic and significant thing to research on wind power inverter while inverter is a key part of wind power system. One kilowatt of wind power inverter has been designed in this paper, including main circuit of inverter, steering circuit with DSP at core and driving circuit as well as systematic software design. Eventually, MATLAB/simulink software has been used to simulate on wind power inverter, thus verifying whether the system design is feasible and rational. Keywords: Wind-power ；Inverter ；DSP第一章 绪论能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国之间、地区之间的政治经济纠纷，甚至冲突和战争。因此，人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。我国是一个能源大国，也是一个能源消费大国，中国经济正在快速持续发展，但又面临着有限的化石燃料资源和更高的环境保护要求的严峻挑战。坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元化发展，加强环境保护，开展煤清洁化利用，采取综合措施，保障能源安全；依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等，是我国长期的能源发展战略，也是我国建立可持续能源系统最主要的政策措施。我国政府已充分认识到可再生能源发展的重要性，制定了相关可再生能源规划，并于2006年1月颁布施行了可再生能源法。风力发电属可再生能源发电技术，使我国“十一五”重点支持的可再生能源发电技术之一，对我国国民经济的可持续发展具有重要意义。1.1世界风力发电发展状况 19世纪末，丹麦人首先研制了风力发电机。1891年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。风力发电在解决发展中国家无电农牧区居民的用电方面起到了重要的作用，20世纪初，有些国家和地区开始研究风力发电，为风能的利用开辟了更为广阔的前景。例如1941年，美国在巴蒙特州研制并建立了一台当时世界上最大的风力发电机，风轮的直径为53m，塔高34m，发电能力为1500kW。到5060年代，西欧各国开始制造大型风力涡轮发电机，从70年代初，世界上许多地区研究和安装了超大型风力发电机。风力发电的发展在世界工业史上历程很短暂，但它迅猛发展的速度。技术上的巨大进步不能不让人惊叹。特别是自20世纪90年代初以来，现代风能最主要的利用形式风力发电的发展十分迅速，世界风电机装机容量的年平均增长率超过了30。有人算过，只需地面风力的1，就能满足全球发电能量需要。由此可见，风力是一个相当巨大的电力能源宝库。尽管达到地球的太阳能仅有2转化为风能，但其总量十分可观。全球可实际利用风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。据有关资料统计，到2006年世界风电机装机总容量已达74223MW。风力发电机组是风电系统的关键设备，很多国家为此进行了大量投资，就风轮机的材料、结构、发电机控制技术、功率容量以及可靠性等展开研究。其技术也取得了长足的进步。主要表现在：单机功率逐步增大。80年代中期，商品化机组的单机功率只有55KW，目前，单机功率已上了MW级，1MW以下的并网风力发电机组单机技术已经成熟；由于控制技术的改进、设计水平的提高以及新型材料的运用，机组功率曲线改善，运行可靠性不断提高，故障率显著下降；运用先进的计算机控制技术，能实现对机组的远程集中监控和通信，从而可做到无人值守运行。 风电的快速发展和技术上的突破是分不开的。风机的单机容量已从600kW发展到2000-5000kW,如德国已批量安装了单机5000kW 的风机，丹麦已批量建设了单机容量2000-2200 kW的风机。另外，可变桨翼和双馈电机的采用，使机组更能适应风速的变化，大大提高了效率。最近又发展了无齿风机，进一步提高了安全性和效率。由于风电技术己相当成熟，近年来，发达国家风电的年装机容量以35以上的速度增长。目前，单机容量500 kW、600kW和750kW的风电机组已实现产业化，MW级风机成为当前世界风力发电的主力机型。虽然风电机组的发展方向是超大容量、智能化、高稳定性和可靠性，但是离网小型风力发电系统仍有巨大发展空间。 在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴、汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势，离网小型风力发电系统制造和控制技术仍然在不断发展，不断完善。需求量增多也促进离网小型风力发电系统发展。 我国风力资源十分丰富，主要集中在两个带状地区，一条是“三北(东北、华北、西北)地区丰富带”，其风能功率密度在200300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁等，这些地区可利用的风能在5000h/a以上，有的可达7000h/a以上。从新疆到东北，面积大、交通方便、地势平，风速随高度增加很快，三北地区风能在上百万千瓦的场地有四五个，这是欧洲没法比的。而这个地带的缺点是建网少，发出的电上不了网。 另一条是“沿海及其岛屿地丰富带”，其风能功率密度线平行于海岸线。沿海岛屿风能功率密度在500W/m2以上，如台山、平潭、东山、南鹿、大陈，嵊泗、南澳、马祖、马公、东沙等岛屿，这些地区可利用的风能约在70008000h/a，年有效风能功率密度在200W/m2以上。“沿海岛屿的风能是全国最好的，这个地带的优点是建网好，电价高，缺点是地形复杂，且容易受台风影响。目前我国初步探明的陆上可开发的风能资源达2.53×108kW， 加上近海全国可开发的风能资源估计在10×108kW以上，其中青海、甘肃、新疆和内蒙可开发的风能储量分别为1143×104kW、2421×104W、3433k×104W和6178k×104W，是中国大陆风能储备最丰富的地区。资料显示，我国的风能资源储量居世界首位，而且商业化、规模化的潜力很大。 我国风电起步不晚，但步伐迟缓，至今没有取得突破性进展，和世界风电发展的差距却在加大。存在着规模偏小、产业化程度低、发电成本高、专业化人才稀缺、研发力量薄弱、核心技术落后、市场发育幼稚等软肋。早在1995年，原国家电力部就提出，到2000年我国风机规模要达到100×104kW，但截至2004年底，总装机容量为76.4×104kW，仅占全国电力装机的0.14，远远落后于世界风电产业的发展水平2。 尽管全国已建有43个风电场，分布在14个省、市，自治区，但平均每个风电场的装机容量不足1.5×104kW，远未形成规模效应。此外，我国风力发电机的设计制造水平也较落后，国内目前能生产的最大单机容量只有750 kW。已成为国际主流机型的MW级机组在我国尚处于研制阶段，目前大型风机只能依赖进口或与外商合作生产。我国风电开发甚至还赶不上印度，目前印度的风电装机容量有211×104kW，大大超过我国。 内蒙古在开发利用新能源风力发电过程中吸收和消化国外先进风电技术，积累了较为丰富的风电场生产、维护经验，具备了建设和管理大型风电场的能力，已经完成了由试验型向生产经营型的转变。风力发电正在成为内蒙古能源基地的一个重要部分，发挥合理配置资源、改善电源结构、节能环保的作用。资料显示，到2005年，我国规划风电装机容量将达到100×104kW，到2010年达到400×104kW，到2020年达到2000×104kW。可见，中国风电的前景是广阔的，而时间也是紧迫的。 1.2风电在未来能源发展中的优势及潜在市场 1.2.1风电的优势 (1)风电是可再生无污染资源。风能最大的优点是可再生无污染，一台单机容量为1000kW的风机与同容量火电装机相比，可减排2000t/a二氧化碳、10t/a 二氧化硫、6t/a二氧化氮。 (2)近10年来风电的国内外电价呈快速下降的趋势，并且在日趋接近燃煤发电的成本，已经凸现经济效益。从可利用风能资源占全国40的内蒙古风电多年的实践看，我国风力发电己完全具备了走向产业化的基本条件。内蒙古风力发电设备成本已由10000元/kW降至70008000元/kW，风电的含税还本付 息成本价也降至0.5元/kW以下。所以从经济成本的角度核算，我国风力发电的产业化条件已经成熟。(3)我国风能资源非常丰富，而且风电技术已经成熟，随科学技术的发展，可利用的风速要求还会降低。(4)风电能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，风电的一个重要特点就是上马快，建设周期短，只要把设备立起来就能发电；单台发电设备投资不大，建设有灵活性。不像火电、水电的建设需要用年来计算，在有风场数据的前提下建设只需要以周、月来计算。 (5)风电还能够有效地遏制温室效应和沙尘暴灾害，抑制荒漠化的发展。 (6)风电是解决边远农村独立供电的重要途径。 1.2.2离网小型风力发电系统发展的潜在市场我国风电有一个很好的特点：在冬、春季风大，发电多，而冬春两季又是我国的枯水期，风电和水电可以互补；另外我国的风，多在下午开始加大，到后半夜开始减弱，这正好与电力负荷曲线相吻合。 由于我国政府和主管部门对电力建设的重视，几年来，城乡居民用电有了长足的发展，生活质量有了很大的提高。通过延伸电网，发展小水电及其它可再生能源技术的推广运用，使我国达到了95的通电率。这一比例，远远高于其它发展中国家。目前能解决通电的地方大都已基本解决了，剩下来的都是远离常规电网的，人口密度非常低的边远地区。而且随着中国经济体制的改革。 电力公司更注意他们企业的经济效益，通过常规电网延伸办法为这些远距 离，低负荷(即低效益)的社区供电，在经济效益上是不可行的，只有用离网型户用小型风力发电、光电、“风、光”互补发电来解决农牧渔民的生活用电。我国的风能资源丰富，可开发利用的地区占全国总面积的76，主要分布 在西北、华北、东北、青藏高原和沿海地区。我国的无电地区也基本分布在上述区域内。目前全国仍有29000个无电村，700多万无电户，大约3000万农村人口。由于这些地区具有交通不便，居住分散，用电量低等特点，所以生活在这些地区的群众迫切需要使用离网型户用风力发电机组来解决他们的用电需求。 随着经济改革的深入进行，国民经济的健康稳步发展，广大农、牧、渔民生活水平的提高，家用电器已成为家庭生活的必需品。因此，对风力发电机组需求，也从过去的50W、100W小功率机组发展到使用300W，500W，lkW等较大功率的风力发电机组和“风、光”互补供电系统。另外一些乡(村)、镇等地需要大功率的集中供电系统，以解决他们的日常生活用电和小型农副产品加工用电需要。另外，近几年来，我国电力供应非常紧张，一些边远地区地处电网末端，电压不稳，且经常性停电，给人民的生产和生活带来极大的困难，这些地区迫切要求用离网型户用风力发电机组来解决他们的生产和生活用电。 从以上几方面分析，就可以看出小型风力发电机组的潜在市场巨大。 1.3本课题的意义、目的和任务 （1）本课题的意义风力发电系统中，风力发电机虽然产生的是三相交流电，但因为风能资源非常不稳定，输出的电能也非常不稳定，电压和电流经常变化。在独立运行系统中采取的措施就是把风力发电机输出的交流电整流成直流电。通过直流电对蓄电池充电，或提供给直流负载，或通过逆变器向交流负载供电。为了满足输出电压和频率稳定的逆变电源的基本指标，调制方式各种新颖的调制技术不断涌现，控制上各种适合于不同要求的逆变器的控制方案被提了出来，实现手段上，随着单片机、数字信号处理技术(DSP)的成熟和普遍，加速了逆变器的发展进程。所以，开发正弦波逆变电源技术，推出自己的产品，已是当务之急。同时也为提高电能质量，提高工业控制水平，适应了当前技术发展的方向，具有许多现实的意义。 （2）本课题的目的和任务本课题的主要目的是研究基于DSP控制的小型风力发电逆变器，逆变器输出电压为220V，频率50Hz的正弦波，输出功率1KW。作为一个完整的风力发电逆变器，包括主电路和控制电路。控制电路主要由驱动电路、取样检测电路以及保护电路三大部分组成。 本课题的主要研究任务有：a.对小型风力发电逆变器进行总体设计，并计算参数，合理选择主电路各元器件。b.对DC-DC直流转换的电路进行了设计，对逆变部分驱动芯片EXB841进行分析。c.完成基于DSP芯片TMS320LF2407A的控制部分的设计。d.对系统整体控制程序进行了阐述。第二章 小型风力发电系统中逆变器构成及原理2.1小型风力发电系统的构成小型风力发电系统一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)，独立运行的风力发电机组，又称为离网型风力发电机组，是把风力发电机组输出的电能经蓄电池蓄能。再供给用户使用。如用户需要交流电，则须在蓄电池与用户之间加装逆变器。10kW以下机组多采用这种方式，可供边远地区使用。 目前我国离网型风力发电机组的开发利用成效显著，特别是小型风力发电机组发展迅速。我国在边远的农村、牧区及渔区的沿海岛屿等常规电网难以达到的地方，在过去的近30年里，大力推广应用国产小型风力发电机组较好地解决了这些地区无电、缺电的困难，并已取得重大成效。小型风力发电系统，系统结构如图2-1所示。 图2-l风力发电系统的结构框图由图2-1可知，小型风力发电系统一般有风力发电机，全桥整流，风电控制器，蓄电池，逆变器，耗能负载等组成。基本原理：当风力较强或负荷减小时，风力发电机发出的电能，一方面通过DC/DC及DC/AC为交流供电，另一方面，通过控制器向蓄电池充电将多余的电能储存在蓄电池中；当风力较弱，无风或用电负荷较大时，将蓄电池中储存的直流电能通过DC/DC及DC/AC转换为交流，为交流负载供电。2.2系统中各组成部分的功能及原理 （1）风力发电机 从风能转换的角度来看，风力发电机组包括两个部分：其一是风力机，它的功能是将风能转换成机械能；其二是发电机，它的功能是将机械能转换成电能。 风力发电系统中所用的同步发电机是三相同步电机，三相同步电机体积较小、效率较高、而且便宜。交流永磁电机的定子结构与一般同步电机相同，转子采用永磁结构。由于没有励磁绕组，不消耗励磁功率，因而有较高的效率。永磁电机转子结构的具体形式很多，按磁路结构的磁化方向，基本上可分为径向式、切向式和轴向式三种类型。采用永磁发电机的微、小型风力发电机组常省去增速齿轮箱，发电机直接与风力机相连。在这种低速永磁电机中，定子铁耗和机械损耗相对较小，而定子绕组铜耗所占比例较大。为了提高电机效率，主要应降低定子铜耗，因此采用较大的定子槽面积和较大的绕组导体截面，额定电流密度取得较低。起动阻力矩是用于微、小型风电装置的低速永磁发电机的重要指标之一，它直接影响风力机的起动性能和低速运行性能。为了降低切向式永磁发电机的起动阻力矩，必须选择合适的齿数、极数配合，采用每极分数槽设计，分数槽的分母值越大，气隙磁导随转子位置越趋均匀，起动阻力矩也就越小。风力机的种类和式样很多，但由于风力机将风能转变成机械能的主要部件是受风力作用而旋转的风轮，因此，风力机依风轮结构及其在气流中的位置大体上可分成两大类：一类为水平轴风力机，风轮围绕一个水平轴旋转；另外一类为垂直轴风力机，风轮围绕一个垂直轴而旋转。风力发电机的式样也很多，其原理和结构总的说来大同小异。以水平轴风力发电机为例，它主要由以下几部分组成：风轮、传动机构(增速箱)、发电机、机座、塔架、调速器或限速器、调向器、停车制动器等。 （2）整流器 整流器的主要功能是对风力发电机输出的三相交流电进行整流，整流后的直流电经过控制器再对蓄电池进行充电。一般采用的都是三相桥式整流电路。在风电支路中整流器的另外一个重要的功能是，在外界风速过小或者基本没风的情况下，风力发电机的输出功率也较小，由于三相整流桥的二极管导通方向只能是由风力发电机的输出端到蓄电池，所以防止了蓄电池对风力发电机的反向供电。 （3）控制器 小型风力发电机多用于远离电网的偏远地区，由于风速的多变，使风力发电机的电压和频率不稳定。因此，为有效利用风力发电机电能，需要经过一个中间储能环节。一般小型风力发电机采用蓄电池储能，将风力发电机的交流电通过整流变为直流电一方面给蓄电池充电，另一方面变为交流电给交流负载供电输出。控制器在独立运行系统中是一个非常重要的部件，它不但控制、协调整个系统的正常运行，而且实时检测系统各参数以防异常情况的出现，一旦检测到异常，它能够自动保护并报警。总的说来，控制器的主要作用有如下几个方面：a.保证风电向蓄电池充电，向负载供电的同时保证各种必要参数的计量、检测和显示； b.当蓄电池过充电或过放电时，可以报警或自动切断线路，保护蓄电池； c.按需要提供高精度的恒电压或恒电流； d.当蓄电池出现故障时，可以自动切换，启动备用蓄电池，以保证负载正 常用电； e.当负载发生短路时，可以自动断开负载。 （4）耗能负载 由于小型独立运行风力发电站主要是解决当地居民生活用电问题，负载的用电时间主要为夜晚。在蓄电池充满电的时候，为了防止风力发电机组继续对蓄电池充电，通过继电器接入耗能负载，用它来消耗风力发电机发出的电能。在正常风速的情况下，耗能负载接入后，降低了整流桥的交流输入电压，无法满足整流桥的整流二极管的导通条件，所以，也就停止了风力发电机组对蓄电池的充电过程。耗能负载另外一个用途就是当风速过高，风力发电机的输出电压高于设定的保护电压时，立即接入耗能负载，让耗能负载消耗风力发电机所获得的机械能。 （5）蓄电池 风力发电系统的储能装置就是蓄电池。与发电系统配用的蓄电池通常在浮充状态下长期工作，电池放电给系统提供能源，风机给蓄电池充电，属于循环、浮充混合工作方式；它的电能容量需要满足连续各种情况下，几天的负载供电量；多数处于浅放电状态。 常用的蓄电池主要有三种：铅酸蓄电池、碱性锡镍蓄电池和铁镍蓄电池。总的来说，发电系统中蓄电池的工作环境有以下几个特点： a.放电时间长、电流小、频率高，电池常处于长期放电状态，有时甚至过放电，电池内易出现硫酸盐化及结晶现。 b.一次充电时间短，偶尔长时充电，电池往往会在一些时间段里处于电状 态。 c.高原地区大气压力较低，湿度较小，电池内压下的电解液与周围大气之间的相互作用增加，导致失水速率增加。d.大型发电系统电压等级较高，蓄电池串联只数多，浮充均衡性问题和电池旁路的问题较为突出。 （6）逆变器 风力发电系统中，风力发电机虽然产生的是三相交流电，但因为风能资源非常不稳定，输出的电能也非常不稳定，电压和电流经常变化。在独立运行系统中采取的措施就是把风力发电机输出的交流电通过整流变为直流电。当风能充足时一方面通过风电控制器对蓄电池充电，以及为直流负载供电，另一方面通过逆变器向交流负载供电。现代电气设备大多都是交流负载，逆变器无疑成为系统中不可缺少的重要组成部分。 逆变器将直流电转变成交流电。它的转换效率和稳定性直接影响到系统的转换效率和稳定性。在风力发电系统中要求使用的逆变器具有较高的效率，特别是轻载时的效率要高，这是因为风力发电系统经常运行在轻载状态。另外，由于输入的蓄电池电压随充放电状态改变而变动较大，这就要求逆交器能在较大的直流电压变化范围内正常工作，而且保证输出电压的稳定。独立运行的风力发电系统主要用于边远地区，运行维护条件比较差，可靠性和稳定性是风力电站中逆变器一个特别重要的指标。 2.3 小型风力发电逆变器系统结构和工作原理逆变系统的核心是完成逆变功能的逆变电路，此外逆变系统还需要产生和调节驱动脉冲的电路即控制电路，还要有保护电路、辅助电源电路、输入电路和输出电路等。这些电路构成了逆变系统的基本结构，其系统结构框图如图2-2。 图2-2逆变系统的结构框图输入电路是对输入电能进行处理以实现逆变器输入所需的直流电的电路。对于输入为直流电能的系统来说，输入电路一般包括滤波电路和EMI对策电路。若输入为交流电网，则输入电路还应包括整流电路。输出电路一般包括滤波电路和EMI电路，有的根据需要还包括逆变变压器。控制电路用于按要求产生和调节一系列控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，配合主电路完成逆变功能。这一部分对于逆变系统的性能至关重要。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所需的直流电压。逆变系统离不开完善的保护措施，保护电路主要有交流侧过压保护、欠压保护、过流保护等。2.4 本章小结 本章首先简单介绍了小型风力系统的基本构成，对系统中各组成部分做简单的分析，并分析了小型风力发电系统逆变器特点。第三章 逆变器主电路设计3.1主电路拓扑结构及其选择 户用小型风力发电机的输出电能储存在24V、36V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，小型风力发电系统中的逆变电路一般包括直流升压部分和直交变化两部分，即DC/DC变换和DC/AC变换。3.1.1 DC-DC部分的电路拓扑结构适用于直流转换部分的电路拓扑有：升压斩波电路（boost电路），推挽变换器等等。 方案一：采用升压斩波电路（boost电路）其结构原理图如图3-1所示。图3-1 升压斩波电路升压斩波电路主要有电源E，电感L1，开关管IGBT，二极管VD，电容C构成，其中直流电源E，可能来自整流滤波后的直流输入，也可能来自蓄电池，其工作原理如下： （1）当开关管VT导通时，a、b两端之间相当于短路，二极管承受反向电压而截至。由E、L、VT组成回路，电感L储存能量，流经L，VT的电流逐渐增大，电源E的电场能量转化为电感L中的磁场能量，储存在电感中。由C和负载构成回路，C放电供给负载能量，负载两端电压逐渐降低。 （2）当VT关断时，二极管正偏导通，电感L和电源E一起经过二极管给C充电，同时也向负载提供能量，电感电流逐渐减小。BOOST工作的方式有两种：连续导电模式和断续导电模式。在连续导电模式下，负载两端的直流电压为： （3-1）其中，为占空比，调节a的大小，即可保持输出电压大小不变。由上式知，当时，。方案二：采用推挽变换器其结构原理图如图3-2所示。 推挽变换器主要有电源E，高频变压器T，开关管IGBT，整流桥，电感L，电容C构成，主要应用于低输入电压的电源。其中直流电源E，可能来自整流滤波后的直流输入，也可能来自蓄电池。高频变压器对输入输出进行隔离，克服了工频变压器笨重的特点，其工作原理如下：图3-2推挽变换器原理图其基本工作原理为：电路中的两个开关管VTl、VT2接在带有中心抽头的高频变压器初级两端，在电路工作中，两个开关管交替导通，在匝数均为N1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。经过高频变压器升压后，通过整流电路进行整流滤波，以降低每个整流管的反向承受电压，D1、D2、D3、D4为整流二极管，L、C为输出滤波电感和滤波电容。其中输出电压为： （3-2）通过调节a，使保持恒定。 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，本系统选择了推挽电路作为直流变换模块。推挽变换器结构简单，可以看成两个完全对称的单端正激变换器的组合，变压器双向磁化，利用率较高，原副边不需隔离，同时变压器原边在导通时承受全部的电源电压，因此比较适合低压大电流场合。但是推挽电路必须具有良好的对称性，否则容易引起直流偏磁导致铁芯饱和。变压器绕组必须紧密耦合，减小漏感，从而降低开关管的关断电压尖峰。 功率管承受两倍的输入电压，不宜在高压输入的场合使用，但本系统属于低压系统，选择推挽电路是比较合适的。 3.1.2 DC-AC部分的电路拓扑结构 目前的单相逆变器主电路拓扑主要是全桥和半桥两种结构。常用的电压型单相逆变电源主电路一般有推挽逆变电路、半桥逆变电路和全桥逆变电路三种基本主电路形式。图 3-3推挽逆变电路图3-4 半桥逆变电路图3-5 全桥逆变电路 方案一：图3-3所示的推挽电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两路相反的PWM驱动脉冲送至开关管VTl、VT2的基极，控制两只功率管交替工作，得到方波交流电压经变压器输出。由于功率晶体管共地，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是很难防止输出变压器的直流饱和，变压器利用率低，带电感性负载的能力较差，此外开关管的耐压值要高于直流输入电压两倍以上，和全桥逆变相比它对开关器件的耐压值要高出一倍，只适合于原边电压比较低的功率变换器。方案二：图3-4所示的半桥逆变电路，在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的联接点A为直流电源的中点，当VT1、VT2都截止时，电容连接点电压为直流输入电压的一半。开关器件VT1和VT2基极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。当VT1闭合(T2断开)时，中点电位将有所上升：当VT2闭合(VT1断开)时，中点电位将有所下降。半桥逆变电路使用的器件很少，驱动简单，抗电路不平衡能力强，但输出交流电压的幅值仅为Vd/2，同样输出功率条件下，功率管额定电流值要大于全桥逆变电路两倍，且需要分压电容器，所以一般用于中小功率等级逆变电路。 方案三：图3-5所示的全桥逆变电路与图3-4所示半桥电路的区别是用两只相同型号的开关管代替了两只电容，全桥逆变电路工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制两对开关管，功率晶体管VT1、VT4和VT2、VT3反相，相位互差180度。调节VT1和VT3的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。该电路拓朴结构及控制较为复杂，组件较多。由于主电路可以输出高压和大电流，所以一般常用于高压大功率逆变电源系统。对于半桥逆变电路由于在开关管导通时变压器的输入电压仅为逆变器输出电压的一半，而全桥逆变电路中变压器的初级输入端的电压与逆变器输出的电压相同，即为半桥的电路的二倍，因此在输出相同功率的条件下，全桥电路原边的电流仅为半桥电路的一半，因此在中大容量的场合，全桥逆变电路的性能要高于半桥逆变电路。本文逆变器DC/AC模块采用全桥逆变电路。根据前面的理论分析，综合考虑各方面的因素，其完整的逆变器主电路拓扑结构如图3-6所示。图3-6全桥逆变部分3.2 推挽变换器的参数设计 （1）主功率变压器的设计 驱动芯片选用EBX841，考虑到死区时间，取占空比0.46，开关频率设计在10KHz。考虑到风力发电蓄电池的特性，系统应该能在输入电压最低为21V时保证输出电压达到350V。由公式： （3-3）可以求得变压器变比n=N2N1=18.1，考虑到实际电路会有一定的占空比丢失和功率管及整流管的压降，所以选取变比n=19。 （2）开关管的选取 开关管的最高电压应力为两倍的最高输入电压，既48V。但是推挽变换器由于变压器漏感的存在，在开关管关断的时候有较大的电压尖峰，因此要考虑较大的电压裕量。 a.开关管的额定电流： （3-4）b.吸收电路：R取200，C取0.01 （3）副边整流二极管的选取 副边整流二极管承受的最大电压应为，考虑到1.5倍的裕量，可以选择耐压为1200V的功率整流管。流过二极管的最大电流为副边绕组的最大电流，考虑2倍以上的裕量，二极管要选5A以上的管予。MC33151的功率二极管可以满足要求。 （4）输出滤波电感的设计 在设计推挽变换器电路的输出滤波电感时，要求输出滤波电感上的电流在某一个最小电流时保持连续。则输出滤波电感可按照下式计算： （3-5）Lc的单位为亨(H)，是输出滤波电感的工作频率。 在工程设计中，一般的经验算法是要求输出滤波电感上的最大脉动电流为最大输出电流的15，由于输入电压是变化的，取最大值，是推挽变换器的开关频率的两倍。把相关数据带入上式便可求得输出滤波电感的数值2.438mH。实验取3mH。 （5）输出滤波电容设计输入滤波电路是由滤波电容,电感组成，用来减小输入端电压的脉动，假设变换器传输最大功率为，由输入输出功率相等可得出一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为： （3-6） 式中，为变换器的效率，为IGBT开关器件的工作频率。将 =1kW， =0.95，=10kHz代入上式可得0.1053J，每半个周期输入滤波电容所提供的能量为： （3-7）式中，为最小输入直流电压；一般取1%，本设计中=21V，代入式中可得到滤波电容选用铝电解电容，为减小电容的等效串联电阻，选用3个1000 F 电解电容并联实现，电解电容的高频特性不好，设计中在每一个电解电容旁并联6 F 的高频电容加以改善。3.3 逆变电路参数设计 （1）逆变侧功率管IGBT参数的选择逆变器输出为SPWM波，其基波幅值为： （3-8）其有效值为： （3-9）其中为占空比，由于逆变器输出为SPWM波，高次谐波被滤波器衰减，最终输出基波，故基波电流占所有谐波的主要成份，因此逆变器的输出功率近似为基波功率，即： （3-10）由上式得： （3-11）可推得：