小风力发电逆变系统.doc

小型风力发电机逆变系统摘要：本系统以PIC为控制核心。主电路采用两级拓扑结构，实现了电压220V，频率50Hz的交流输出。前级DC/DC推挽升压变换器，通过SG3525闭环控制；后级采用DC/AC电压型全桥逆变电路，通过软件PI运算，对输出的交流电压进行调整。PIC运用查表法产生SPWM调制信号，控制后级变换器双极工作模式。输出电压、电流进行采用同步采样，能避免由于交流滤波电路产生的滞后。该系统具有电压电流显示、过流保护及故障声光报警等功能；系统过流具有“自恢复”特性，过流点可通过按键设置。 关键词：PIC ；推挽升压；全桥逆变 Inverter system of small wind turbinesAbstract:This system is controlled by PIC which is the systems control core.The main circuit use two topological structure,realized the ac output of 220V voltage and 50Hz frequency.Preceding stage is DC-DC the push-pull boost converter,which use SG3525s closed loop control.Backword stage is DC-AC inverter circuit of voltage type bridge,it adjusts ac voltage output with PI operation of software.PIC use table lookup scheme to produce modulation signal and control the backward stage converters bipolar work mode.The output of voltage and current adopt synchronous sampling,which can avoid lag duing to ac filter circuit.This system has voltage and current show、over-current protection and fault sound and light alarm functions.The system can recover by itself from over-current and over-current point can be seted by keys.Key words: PIC ; push-pull boost ; bridge inverter1. 序言当今世界，电能已经成为了人们生活中最常用的动力能源。随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，人们对电力能源的依赖越来越强。在偏离电网的地区，如部队的边防哨所、邮电通讯的中继站、公路和铁路的信号站、地质勘探和野外考察的工作站、偏远的农牧民区，都需要成本低和可靠性高的独立供电系统。如果采用常规的柴油发电机，柴油运输成本太高且难以保障。为了解决偏远地区长期可靠地供电问题，我们只有依赖当地的资源资源太阳能和风能。风能是比较普遍普遍的资源资源，也是取之不尽用之不竭的可再生能源，而且在偏远地区，风能资源一般比较丰富，这为我们在偏远地区采用风能发电提供了必要性和可行性条件。开发能源和环境保护已成为全球可持续发展的共识。充分利用风力资源，发挥风能资源在国民经济中的作用，是促进节能减排工作的一个重要的举措。随着国家对能源工业的更加重视，各种各样的风力发电装置相继诞生。中国风力资源仅次于美国和俄罗斯，居世界第三位，但是我国目前风力发电面临发电效率低、成本高等问题。我们要加大力度解决风力发电的技术问题，促进风力发电这种可再生资源的快速发展。2. 方案选择2.1主电路拓扑选择 方案一：单级逆变器。通过单级变换将输入25-30V直流电转换成交流电，再用工频变压器将电压升到220V.因它具有电路简单、元器件数目少及可靠性的优点，在满足系统性能下将会是首选。但由于工频变压器体积笨重，绕制麻烦，逐渐被无工频变压器所代替。 方案二：多级逆变器。常用的为两级拓扑结构，如图（1）所示，其第一级一般为升压电路，主要实现对直流输入的电压升压，满足输出电压要求；第二级为全桥高频电压型逆变器，完成把直流逆变成负载所需的交流电。这种拓扑结构简单，前后级之间相对独立控制，无需同步，前后两级均工作在高频状态，大大减小了高频变压器的体积和输出谐波电流。图（1）两级逆变拓扑结构综合以上分析，因为本题目所要求的功率不是太大，单级逆变器结构不够灵活，无法扩展，无法满足直流输入的多变性，因此我们选择方案二，采用两级拓扑结构。2.2 DC-DC升压为了减少直流与交流电路的相互影响，我们在DC-DC这级电路上采用隔离结构。方案一：全桥拓扑结构，MOS管的电压应力小，但其电路比较复杂，要实现输入输出隔离更是增加的它的难度方案二：反激式拓扑结构，电路简单，不需要续流二极管和一个大的储能滤波电感，电源所占体积小，但是该拓扑结构的输出电压瞬态控制特性相对比较差，初、次级线圈的漏感都比较大，低电压输入是工作效率低方案三：推挽式拓扑结构。输出瞬态响应速度很高，电压输出特性很好，电压利用率高，变压器的漏感以及铜阻损耗小，工作效率高。虽然MOS管的电压应力是输入电压的两倍，但输入电压低（20V30V）,，所以对MOS管的要求不是很高。 综上，方案三的推挽式拓扑结构明显具有优势。2.3 DC-AC逆变电路方案一：单相半桥逆变电路由一对桥臂以及一个带有中点的直流电源构成（如图（2）所示），在实际中，通常用一个直流电源与两个足够大的电容器串联代替带有中点的直流电源，其输出电压幅值为Ud/2，在输出工频电压时，电容的容量要取得大。图(2) 单相半桥式逆变拓扑方案二： 单相桥式逆变电路是两个单相半桥逆变电路的组合，其电路如图(3)所示。桥式电路的输出波形与单相半桥的输出波形相同，谐波成分也相同，但是幅值增大了一倍。图（3）单相桥式逆变拓扑经论证比较：单相半桥电路输出幅值低，直流利用率低，且需要很大的电容来保证电容电压的均衡与恒定，很难达到题目的要求，故采用方案二作为DC-AC主电路拓扑。2.4 SPWM的方案方案一：采用SPWM专用芯片进行SPWM波的发生。方案二：模拟产生SPWM波。用模拟比较器比较生成SPWM波，如果用信号波正弦作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入信号，便实现了自然法生成SPWM波。方案三：使用采样算法产生SPWM波。可以采用软件算法全数字化实现。是由经过采样的正弦波与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。当然，这种经过采样的正弦波实际上是阶梯波，只在三角波的顶点位置或底点位置对正弦波进行采样。由单片机进行采样处理，易于实现对SPWM的主观控制，实现对输出交流信号频率和幅度的快速调节。经论证比较：方案一存在开关频率较低，且控制不灵活的缺点，且成本较高，方案二需要搭建较高频率的三角波发生器，且要求比较器速度快，精度高，方案三控制灵活，无需外加电路，且可以实现高频率开关信号的发生，虽然需要处理的数据量较大，但已PIC为控制中心的单片机完全可以实现SPWM波形的数字化产生。综合考虑控制精度及性价比等因素，系统采用方案三产生SPWM波。2.5 输出电压控制方法选择 方案一：输出电压平均值反馈控制。这种控制方法简单，对输出电压的幅值可以连续调节，输出电压精度较高。但缺点也十分明显，主要表现为： (a) 系统动态响应较慢。由于输出滤波器由电感电容组成，对于电压环来说是一个二阶系统，影响了系统调节速度，当输入电压或负载突变时，系统常常要经历几个周期才能稳定。(b) 负载适应性差。当电源面对一些非线性负载时会产生强大的冲击电流。方案二：输出电压同步采样。将输出电压的瞬时峰值进行采样反馈，与给定的电压进行比较，所得的误差用于PI调节，去控制SPWM调节输出，每个一个周期采一次样，使正弦波在每个采样点都得到控制。此方法又可以改善输出波形质量，提高系统的动态响应时间。综上所述，本系统采用方案二。2.6 PI调节器的选择方案一：模拟PI 控制器是通过硬件（电子元件，气动，液压元件）来实现其功能。因为不同的系统PI的参数不同，所以在调节电路确定PI系数时比较麻烦，需要不断的更改硬件来得到最适合系统所需的参数，此方案比较费时，也比较复杂，难以实现。方案二：数字PI控制器，其数学模型是从模拟PI控制器导出的，将它移植到计算机的控制系统中，将原来的硬件实现的功能用软件来实现，其与模拟PI控制器相比优点是：具有强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，可以更好的控制性能。由以上分析，故选择方案二。3. 系统总体方案系统包括推挽升压、DC-AC控制变换电路、控制、反馈、测量、显示6个部分。全桥逆变电路是核心部分，PIC通过读表法产生双极性SPWM，按键改变中断时间及用不同的表可以产生不同频率的SPWM波，输出电压通过电压互感器，过零比较后产生触发同步信号给单片机采样，通过调节SPWM波的调制比实现稳压功能。当系统检测到输出过流动作时，单片机封锁SPWM，当故障解除后，进行软启动，直至系统恢复正常。系统整体框图如下图（4）所示。 图（4）系统整体框图4.理论分析与计算4.1 双极性SPWM波原理分析及交流输出的形成双极性SPWM控制模式是用正负交变的双极性三角载波ut与正弦调制波（基波）ur，如图（5）所示，进行比较采样得到双极性的PWM脉冲。即每一周期的基波与若干个载波进行调制，并依次按正弦函数值定位的有效相位区间集合成等幅不等宽且总面积等效于正弦量平均值的正弦化脉冲序列。 图（5）根据产生的SPWM波，对应于正弦量的正负半周，实施双路调制，控制驱动开关器件运行，最终得到的正弦化交流量的样本波形，如图（6）所示，LC滤波后流经负载的电流即为正弦波电流。 图（6）4.2 DC-DC推挽升压电路设计4.2.1 变压器的设计初级最小匝数：=,=20V,T=s,Ae=1.38cm,因开关频率小于50KHz,所以取dB =3200Gs,可以算得=6.88，又由=得到N=19.7，所以我们根据所算得的匝数关系取初级线圈10匝，次级35匝。 由于电路有大约300W的功率，初级的电流达到十几安，每匝线圈都要用多匝漆泡线并绕。4.2.2 输出滤波器设计输出电感：输出电感不允许进入不连续工作模式， dI=(V1-V0)=2I,T=,即V1=1.25V0，又I=0.1I，所以L0=，由V=400V,T=s，额定电流I=0.75A,算得L0=10mH,输出电容C=dI,V=0.05V,dI=0.2I,算得最小C=240uF。4.3 DC-AC电路中的LC滤波电路通常，选择SPWM逆变器的输出LC滤波器的转折频率远远低于逆变输出频率，它对逆变输出频率以及其附近频带的谐波具有明显的抑制作用。系统中，逆变输出是频率为15-30kHz的SPWM矩形脉冲(输出的基波频率为20Hz-200Hz),谐波主要也集中在这附近，取此处截止频率为2KHz。又因f=, ,则得到LC=16500，取C=6uF,算得L=2.56mH。5. 系统硬件电路设计5.1 推挽升压电路推挽升压控制芯片采用SG3525，占空比最大可以到50%。前级升压电源输入输出隔离，减少了对后级的干扰，提高了可靠性。输入从2030V升到最大电压400V,最大效率可达85%以上。5.2 全桥逆变电路如图（7）所示，主电路拓扑采用电压式全桥逆变电路，其中对管Q1Q4接入相位相同的SPWM1与SPWM4驱动信号，Q2Q3接入另一组相位相同的SPWM2和SPWM3驱动，为防止上下两个MOSFET出现对通，这两组信号互补而且带有1us的死区时间。为减小因器件关断产生的尖峰电压，采用了RCD吸收电路，既抑制了尖峰，又减少了EMI的干扰。 图（7）电压型全桥逆变电路 单片机的驱动频率高达30KHz,普通的线性光耦PC817的截止频率只有80KHz,上升时间和下降时间都太长，显然不满足要求。这里我们选则了6N137，此光耦的截止频率为1MHz，上升时间30ns，下降时间10ns，满足需求。驱动芯片我们选用了常用的IR2113，IR2113的最高引导电压为600V，最高VDD电压25V,工作频率接近1MHz,传输延迟时间10ns，输出电压为10-20V。另外IR2113输入端的电压必需高于供电电压的一半以上时才能时芯片工作，所以这里由12V电压通过下拉电阻分别接到光耦的两个输出端，使IR2113正常工作。驱动电路如图（8）所示。开关管选择：功率MOSFET具有开关速度快，损耗低，驱动电流低，无二次击穿现象，抗干扰能力强等优点。 图（8）光耦隔离驱动5.3 采样电路和保护电路设计为了达到精确的电压采样，采用外部触发PIC采样，通过电压互感器，采得的小信号电压经过RC滤波后，通过OP07放大，输出一路做跟随给单片机的AD，做为电压显示的信号；另一路通过LM393做过零比较，产生一个触发信号，作为峰值保持的信号，单片机通过AD采样，当读到一个上升沿的的时候通过AD读取LM358的输出电压。图（9）输出电压采样 这样可以精确读取输出电压峰值作为输出显示，而且输出电压瞬时值反馈，系统动态响应快，负载适应性好。 通过电流互感器对输出电压进行采样，全波整流后，把交流电流整成直流，再经过LM358放大电流信号给单片机，作为电流显示；另一方面，放大的电流信号经过LM393比较后，当单片机读到一个低电平时封锁SPWM输出，限制电流的增大，从而达到过流保护。过流保护具有自恢复功能，当检测的电流小于过流点时，单片机给出SPWM驱动信号，输出电压逐渐增大，起到了软启动的功能。5.4 辅助电源电路设计本系统采用UC3845控制芯片为核心，采用单端反激开关电源结构，用于产生+12V、-12V、+5V三路电压，其中+5V给单片机供电，+12V和-12V给其它芯片供电。此电源不仅有着较高的效率，而且这三路电压都是相互隔离的，提高了系统的稳定性。其电路图如图（10）所示。 图（10）UC3845反激辅助电源6. 系统软件设计软件部分主要分为闭环控制，PI调节， 电压、电流显示，电源保护。 单片机须产生spwm进行逆变，并对产生的正弦波进行pi负反馈调节，进行闭环控制以产生峰值稳定的正弦波。由于硬件电路的特性，spwm的载波频率只能在15kHz30kHz范围内变化。软件流程图如下： 图（11） 程序总流程图 7. 测试方案与结果7.1 测量仪器序号名称、型号、规格数量备注160M示波器TDS10021Tektronix2直流稳压电源1YB1732A 3A34位半数字多用表 1MS80504普通万用表1UT515滑动变阻器10200/200W6失真度测量仪17.2 测量方法 （1）电压电流测量：用数字万用表测量。 （2）功率效率测量：输出功率PO可以用测得输出电压、电流的有效值UO和IO直接相乘，输入段Ui、Ii均为直流信号，直接相乘即为输入功率，效率按进行计算。 （3）失真度测试：直接用失真度仪测量。7.3 性能测试7.3.1 负载调整率和电压调整率VinVoutIout202530输出调整率0220.30220.22220.350.16%11219.95219.90220.050.14%负载调整率0.15%0.145%0.136%7.3.2 失真度测试输出电压输出电流失真度220.10V 1.12A 82.1%7.3.3 故障保护功能过流保护：预设1.3A，实测：1.36 预设1.6A，实测：1.53 故障消除可自恢复，具有故障声光报警功能。7.4 改进与优化7.4.1 效率的提高：前级推挽升压采用软开关结构，降低辅助电源的损耗可以提高整机的效率。7.4.2波形失真度的改善：SPWM产生采用双极性等面积法，可以有效降低二次谐波；减少死区时间，可以改善过零点上的失真；合理设计滤波器参数，可以滤除高次谐波和杂波。7.4.3采用电压电流双闭环控制，可以提高系统的动态响应以及调节精度。8. 总结本次设计小型风力发电机逆变系统涉及了DC-DC升压和DC-AC电压型桥式逆变拓扑结构，运用了PIC产生SPWM波控制桥式电路四个开关管的导通。由测试可知此设计的方案基本上满足了设计要求。当然此方案还有优化和改进的可能。9. 致谢 此次毕业设计我需要对 老师表示我最衷心的感谢。在方案确定的过程中，他给我们提供了许多宝贵的建议；我们遇到困难时，他也给与了耐心的解答。另外我也需要对我的合作伙伴，像 等表示我由衷的谢意。每次我向他们请教问题时都得到了很友善的解答，我们在此次设计达到了共同进步。总之此次毕业设计让我更进一步体会到了团队合作的重要性，同时我对开关电源在社会生活中的应用有了更深刻的了解，我在此次设计中收益匪浅。