小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

○○A基礎(chǔ)理論●B應(yīng)用研究○C調(diào)查報(bào)告○D其他本科生畢業(yè)論小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院：信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化完成日期：2015年5月24日目目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 21.1風(fēng)力發(fā)電概述 21.1.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的概況 21.1.2國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景 31.2論文的主要結(jié)構(gòu)組成 42小型風(fēng)力發(fā)電單相并網(wǎng)逆變器主電路的設(shè)計(jì) 42.1小型風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu) 42.2單相并網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 42.3主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 52.3.1整流環(huán)節(jié)的選擇 52.3.2升壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇 52.3.3逆變環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇 62.4直流升壓電路的設(shè)計(jì) 62.4.1boost升壓電路基本原理 72.4.2升壓電路的設(shè)計(jì) 72.5單相全橋SPWM逆變電路的設(shè)計(jì) 92.5.1逆變電路的基本工作原理 92.5.2SPWM控制方法 102.5.3逆變電路功率器件的選擇 112.5.4逆變輸出濾波電路的設(shè)計(jì) 113小型風(fēng)電單相并網(wǎng)逆變器的仿真 113.1SPWM發(fā)生器的仿真模型 113.2Boost升壓電路仿真模型 133.3單相全橋SPWM逆變電路仿真模型 143.3.1開(kāi)環(huán)逆變電路仿真模型 144總結(jié) 15參考文獻(xiàn) 17致謝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)摘要：本文主要研究小型單相并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電力變換部分。首先選擇了總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了前級(jí)整流電路、Boost升壓電路和電壓型單相全橋逆變電路的工作原理，同時(shí)對(duì)各電路參數(shù)的選擇作了理論推導(dǎo)和計(jì)算。接著對(duì)控制策略進(jìn)行了分析。最后利用MATLAB/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)系統(tǒng)各部分作了仿真分析。關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嗖⒕W(wǎng)；逆變器；風(fēng)力發(fā)電；Boost電路Thedesignofinverterandgrid-connectedsmallwindsimulationAbstract:Thetitlestudysmallsingle-phasepowerconversionpartofgridwindpowergenerationsystem.Firstchoosetheoveralltopology,thefront-endrectifiercircuitisanalyzed,andtheBoostboostercircuitandvoltagetypesinglephasefullbridgeinvertercircuitprincipleofwork,atthesametime,theselectionofcircuitparametersforthetheoreticalderivationandcalculation.Thenthecontrolstrategyareanalyzed.FinallybyusingMATLAB/Simulinktobuildthesystemsimulationmodel,thevariouspartsforthesystemsimulationanalysis.Keywords:powergridsingle-phaseaccess;inverter;Windpower;theBoostcircuit1緒論1.1風(fēng)力發(fā)電概述1.1.1國(guó)外風(fēng)力發(fā)電的概況風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視,其在地球上蘊(yùn)量巨大。全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW,比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還要大10倍[1]。風(fēng)很早就被人們利用主要是通過(guò)風(fēng)車(chē)來(lái)抽水、磨面等,而現(xiàn)在,人們感興趣的是如何利用風(fēng)能來(lái)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從多種結(jié)構(gòu)形式逐步向少數(shù)幾種過(guò)渡的過(guò)程。20世紀(jì)80年代初期,市場(chǎng)上有上風(fēng)向式和下風(fēng)向式；風(fēng)輪主軸有水平的和垂直的；風(fēng)輪葉片數(shù)有三個(gè)﹑兩個(gè)﹑甚至一個(gè)的；葉片材料有木頭的和玻璃鋼的。到現(xiàn)在只剩下以水平軸﹑上風(fēng)向﹑三葉片的機(jī)組為主,其中又有定槳距和變槳距風(fēng)輪,定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī),有齒輪箱和無(wú)齒輪箱等幾種。以歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家為代表，全球風(fēng)電呈現(xiàn)出規(guī)?；陌l(fā)展態(tài)勢(shì)[2]。歐洲風(fēng)電裝機(jī)在2014年實(shí)現(xiàn)了小幅增長(zhǎng)，新增裝機(jī)容量達(dá)到12820MW,比2012年的歷史最高裝機(jī)紀(jì)錄稍遜。德國(guó)5279MW新增裝機(jī)容量超越了其之前的裝機(jī)紀(jì)錄,穩(wěn)居歐洲首位；英國(guó)表現(xiàn)不俗,以1736MW裝機(jī)容量位居歐洲第二；瑞典裝機(jī)容量首次超過(guò)1000MW，達(dá)到1050MW；法國(guó)位列歐洲第四，裝機(jī)容量達(dá)到1042MW。非洲最大的風(fēng)電場(chǎng)摩洛哥Tarfaya風(fēng)電場(chǎng)（300MW）并網(wǎng)并投入運(yùn)營(yíng),南非風(fēng)電起步穩(wěn)健，2014年實(shí)現(xiàn)了560MW的新增裝機(jī)容量,使得非洲總裝機(jī)容量達(dá)到934MW。巴西以2472MW新增裝機(jī)容量繼續(xù)引領(lǐng)拉丁美洲。拉丁美洲總裝機(jī)3749MW。其中智利506MW,烏拉圭405MW。美國(guó)風(fēng)電在2013年的低谷后開(kāi)始回暖,年新增裝機(jī)達(dá)到4854MW。加拿大1871MW的裝機(jī)容量創(chuàng)歷史紀(jì)錄,墨西哥522MW的裝機(jī)成績(jī)也表現(xiàn)不俗。澳大利亞由于過(guò)去一年政府政策的變化對(duì)可再生能源影響巨大，然而，567MW的裝機(jī)容量依然表現(xiàn)不凡。為促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，世界各國(guó)政府特別是歐美國(guó)家出臺(tái)了許多優(yōu)惠政策，主要包括有:投資補(bǔ)貼、低利率貸款、規(guī)定新能源必須在電源中占有一定比例、從電費(fèi)中征收附加基金用于發(fā)展風(fēng)電、減排C02獎(jiǎng)勵(lì)等。歐洲的德國(guó)、丹麥、荷蘭等采用政府財(cái)政扶持、直接補(bǔ)貼的措施發(fā)展本國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)；美國(guó)通過(guò)金融支持，由聯(lián)邦和州政府提供信貸資助來(lái)扶持風(fēng)力發(fā)電事業(yè)；印度通過(guò)鼓勵(lì)外來(lái)投資和加強(qiáng)對(duì)外合作交流來(lái)發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)；日本采取的措施則是優(yōu)先采購(gòu)風(fēng)電。多種多樣的優(yōu)惠政策促進(jìn)了各國(guó)風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展[3]。1.1.2國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與前景中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估計(jì)[4]，中國(guó)陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億KW,其中可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億KW,總計(jì)為10億KW。據(jù)有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè),我國(guó)可利用風(fēng)能資源約為16億千瓦。在我國(guó),約20%的國(guó)土上具有比較豐富的風(fēng)能資源，其主要分布在東南沿海及其附近島嶼,以及西北、華北和東北地區(qū),特別是新疆和內(nèi)蒙古的風(fēng)能資源極為豐富。目前,我國(guó)風(fēng)能利用發(fā)展很快,無(wú)論是發(fā)展規(guī)模還是發(fā)展水平都比以前有很大提高。風(fēng)能作為一種無(wú)污染、可再生且運(yùn)行成本低廉的新能源,在我國(guó)有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。近兩年風(fēng)電行業(yè)繼續(xù)保持較快發(fā)展勢(shì)頭,據(jù)國(guó)家可再生能源信息管理中心的信息,2014年我國(guó)新裝風(fēng)電并網(wǎng)容量1981萬(wàn)千瓦,新增裝機(jī)容量創(chuàng)歷史新高,累計(jì)并網(wǎng)容量9637萬(wàn)千瓦；新增風(fēng)電核準(zhǔn)容量3600萬(wàn)千瓦,同比增加600萬(wàn)千瓦；風(fēng)電單機(jī)功率顯著提升,2兆瓦機(jī)型市場(chǎng)占有率增長(zhǎng)9個(gè)百分點(diǎn)。風(fēng)能已成為僅次于煤電、水電外的第三大發(fā)電能源。目前,我國(guó)已經(jīng)成為全球風(fēng)力發(fā)電規(guī)模最大、增長(zhǎng)最快的市場(chǎng)。在能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展清潔能源的迫切需求[5],及風(fēng)電鼓勵(lì)性政策的引導(dǎo)下,2014年中國(guó)風(fēng)電行業(yè)迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展回歸理性健康的道路,增長(zhǎng)方式也將繼續(xù)發(fā)生變革。風(fēng)電設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)秩序得到規(guī)范，技術(shù)門(mén)檻也在不斷提高,市場(chǎng)需求逐漸從原來(lái)的重規(guī)模到重效率、從重速度到重質(zhì)量、從重裝機(jī)到重度電成本過(guò)渡。2015年,這種行業(yè)變革將繼續(xù)推進(jìn),并且促進(jìn)中國(guó)風(fēng)電行業(yè)走向新的發(fā)展階段。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展前景廣闊，預(yù)計(jì)未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間都將保持高速發(fā)展，同時(shí)盈利能力也將隨著技術(shù)的逐漸成熟穩(wěn)步提升。在“十二五”期間，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)速度仍將繼續(xù)保持較快增長(zhǎng),風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)電設(shè)備制造等領(lǐng)域已成為投資熱點(diǎn),市場(chǎng)前景很好。預(yù)計(jì)到2020年，將在新疆﹑甘肅﹑內(nèi)蒙古﹑河北﹑東北以及江蘇沿海等地建立6個(gè)千萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地，在河北﹑內(nèi)蒙古﹑遼寧等地建立若干百萬(wàn)千瓦風(fēng)電基地。1.2論文的主要結(jié)構(gòu)組成第一章主要論述了世界風(fēng)電發(fā)展的概況及其我們中國(guó)近幾年風(fēng)力發(fā)電的情況與對(duì)風(fēng)力發(fā)電前景的預(yù)測(cè)。第二章介紹了紹小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各部分元器件參數(shù)的選擇以及單相并網(wǎng)的控制方法。第三章主要介紹搭建小型風(fēng)電單相并網(wǎng)逆變器的MATLAB仿真模型。2小型風(fēng)力發(fā)電單相并網(wǎng)逆變器主電路的設(shè)計(jì)2.1小型風(fēng)力發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)電系統(tǒng)、整流系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。交流負(fù)載逆變系統(tǒng)整流系統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)交流負(fù)載逆變系統(tǒng)整流系統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)隔離變壓器直流負(fù)載隔離變壓器直流負(fù)載電網(wǎng)電網(wǎng)圖1小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)框圖小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是利用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能,如圖1所示，小型風(fēng)力發(fā)電輸出的不穩(wěn)定的交流電經(jīng)過(guò)整流系統(tǒng)變?yōu)榈蛪旱闹绷麟?，再通過(guò)逆變系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為交流電[6]。實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，需要在逆變系統(tǒng)和電網(wǎng)之間加上隔離變壓器。整流、逆變環(huán)節(jié)是整個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分,也是技術(shù)的關(guān)鍵所在。逆變系統(tǒng)通過(guò)逆變電路提供交流電供交流負(fù)載使用也可以并入電網(wǎng)。本文主要研究小型風(fēng)力發(fā)電裝置當(dāng)中的整流、逆變部分。2.2單相并網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的單相并網(wǎng)逆變器,將由風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過(guò)整流環(huán)節(jié)后,變成低壓直流電,然后通過(guò)boost電路進(jìn)行升壓變?yōu)橹绷鞲邏?，升壓后的直流通過(guò)單相并網(wǎng)逆變器后變成與電網(wǎng)電壓同頻率和同相位的交流電并入電網(wǎng)。小型風(fēng)力發(fā)電中并網(wǎng)逆變電路的直流電壓是由前級(jí)整流電路提供的，一般為48V左右[7]，因而需要經(jīng)過(guò)升壓后才可逆變?yōu)?20V/50HZ的工頻交流電。所以必須采用升壓電路，實(shí)現(xiàn)升壓作用后再連接逆變電路。如圖2所示，單相并網(wǎng)主電路由流電路、升壓電路、逆變電路和隔離變壓器四部分組成。工作原理為：前級(jí)先將風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)整流輸出的48V直流電經(jīng)過(guò)boost升壓到達(dá)310V左右的直流高壓,再以單相全橋結(jié)構(gòu)逆變成220V/50HZ可并入電網(wǎng)的交流電。圖2主電路設(shè)計(jì)原理圖2.3主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.3.1整流環(huán)節(jié)的選擇三相不可控整流電路如圖3所示。其作用是將風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電轉(zhuǎn)化為直流電供后級(jí)的電路使用。圖3三相不可控整流電路2.3.2升壓環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇直流升壓有很多種方法,有直接DC-DC變換器,電氣隔離型DC-DC變換器。直接DC-DC變換器中包含Boost升壓電路,buck-boost升降壓電路等。帶電氣隔離的升壓電路多為DC-AC-DC變換電路,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積較大。帶電氣隔離的升壓電路多為DC-AC-DC變換電路,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積較大。直接變換電路中boost升壓電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用到的器件很少可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的直流升壓boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。圖4簡(jiǎn)單Boost電路2.3.3逆變環(huán)節(jié)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇逆變電路根據(jù)直流側(cè)是電壓源還是電流源分為電壓型逆變和電流型逆變，按相數(shù)分為單相、三相逆變電路。本文研究的是小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),所以選擇單相逆變。對(duì)于單相逆變電路,單相半橋式逆變電路在輸入端只能產(chǎn)生兩種電平,因此采用脈寬調(diào)制的方式在輸入端生成的是雙極性的調(diào)制波[8],其逆變橋輸出電壓的幅值Uab只有直流母線電壓的一半，欲得到和全橋相同的輸出功率，高壓開(kāi)關(guān)管必須流過(guò)兩倍的電流，而且它必需有兩個(gè)輸入電容,一般只宜獲得中等功率的輸出。全橋逆變電路中四個(gè)開(kāi)關(guān)管VT1-VT4組成了兩個(gè)橋臂,每個(gè)開(kāi)關(guān)元件都并聯(lián)反向二極管為電感電流續(xù)流提供通路,與半橋電路相比控制相對(duì)復(fù)雜，但靈活度更大，電壓源VDC上并聯(lián)大電容以吸收無(wú)功電流,減小電壓紋波。采用全橋逆變電路,輸出電壓、電流的幅值為半橋逆變電路輸出幅值的兩倍[9]。克服了半橋逆變電路直流側(cè)串聯(lián)電容的電壓均衡問(wèn)題。所以DC-AC變換級(jí)選擇單相全橋逆變電路。其電路圖如圖5所示。圖5單相全橋逆變電路2.4直流升壓電路的設(shè)計(jì)2.4.1boost升壓電路基本原理假設(shè)L和C值很大,V處于通態(tài)時(shí),電源E向電感L充電，電流I1恒定,電容C向負(fù)載R供電,輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時(shí),電源E和電感L同時(shí)向電容C充電,并向負(fù)載提供能量[10]。當(dāng)電路工作處于穩(wěn)態(tài)時(shí),一個(gè)周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即：(1)(2)將升壓比的倒數(shù)記作β,即，則β和導(dǎo)通占空比α有如下關(guān)系：(3)式2可以表示成：(4)輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個(gè)原因：一是L儲(chǔ)能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住[11]。如果忽略電路中的損耗,則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載消耗，即：(5)輸出電流的平均值Io為：(6)(7)2.4.2升壓電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的升壓電路要求將直流電壓由48V升高到310V左右。己知被升電壓和所要求達(dá)到的電壓,就可得到其開(kāi)關(guān)器件IGBT的開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖的占空比α。由式7可以得到:(8)代入?yún)?shù)得：(9)由于需要引入負(fù)反饋的閉環(huán)控制，所以開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖占空比肯定不能固定為某一常數(shù)[12]，而是需要不斷的微調(diào)變化,下面是關(guān)于可調(diào)的脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì),這是在matlab中建模完成的。輸出電流平均值：(10)直流輸入電壓為48V,直流輸出電壓值為310V,總功率為1kW,系統(tǒng)效率0.9，直流輸出電流IO=3A。開(kāi)關(guān)管的工作頻率fs=20kHz,則其周期T=50us。本文設(shè)計(jì)的BOOST升壓電路要工作在電感電流連續(xù)狀態(tài),因此要求升壓電感值要足夠大，使流過(guò)電感上的電流基本保持不變[13]。設(shè)電感電流平均值為IL,電流臨界連續(xù)的峰值電流為IM,直流輸入電壓為Uin直流輸出電流為IO,直流輸出電壓UO,電源轉(zhuǎn)換效率為。根據(jù)功率守恒可得：(11)當(dāng)電感電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)時(shí),平均電流IL為電感峰值電流IM的一半,其值為：(12)由式(11)和（12）可得電感連續(xù)時(shí)的電感值：(13)實(shí)際取L=100uH。升壓電路達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí),其輸出的電壓為恒定值U0,此時(shí)輸出的電流為I0。因?yàn)楫?dāng)功率管關(guān)斷時(shí),輸出的全部電流都是由電容C提供的,所以電容C上的電流等于輸出電流IO,且在這段時(shí)間內(nèi)電容C上的電壓變化量就是直流輸出電壓的紋波電壓值Uo，由此得到如下的關(guān)系式：(14)由上式可得到濾波電容：(15)輸出電壓的紋波系數(shù)：(16)輸出電壓的紋波系數(shù)取為2%，由式(15)和(16)得：(17)輸出電容取470uF,耐壓值為450V直流升壓電路中開(kāi)關(guān)所能承受的最高電壓為310V,最大電流為32.29A,所以選用600V/59A的MOSFET管。輸出二極管需要承受最大反向電壓310V,流過(guò)二極管的最大電流為3A,選用平均電流30A、峰值200A、耐壓600V快恢復(fù)二極管MUR3060PT[15]。2.5單相全橋SPWM逆變電路的設(shè)計(jì)2.5.1逆變電路的基本工作原理以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明最基本的工作原理如圖6。S1-S4是橋式電路的4個(gè)臂,由電力電子器件及輔助電路組成。(a)(b)圖6逆變電路及其波形逆變電路工作過(guò)程：S1、S4閉合，S2、S3斷時(shí),負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí),負(fù)載電壓Uo為負(fù)。這樣就把直流電變成了交流電,改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率,即可改變輸出交流電的頻率。當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí),負(fù)載電流io和U0的波形相同,相位也相同。阻感負(fù)載時(shí),Io相位滯后于U0,波形也不同。圖6給出的就是阻感負(fù)載時(shí)電壓電流波形[14]。2.5.2SPWM控制方法圖7SPWM逆變電路圖8單極性SPWM控制方式SPWM控制的控制電路如圖7所示。調(diào)制信號(hào)Ur為正弦波,載波Uc在Ur的正半周為正極性的三角波,在Ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波，在Ur和UC的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。在Ur正半周,V1保持通,V2保持?jǐn)?。?dāng)Ur>Uc時(shí)使V4通,V3斷,Uo=Ud。當(dāng)Ur〈Uc時(shí)使V4斷,V3通，Uo=0。同理可適用于Ur的負(fù)半周。以上控制方式稱(chēng)為單極性PWM控制方式。在Ur的半個(gè)周期內(nèi),三角波載波有正有負(fù),所得PWM波也有正有負(fù),其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號(hào)Ur和載波信號(hào)Lie的交點(diǎn)時(shí)刻控制器件的通斷。ur正負(fù)半周,對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)Ur>Uc時(shí),給V1和V4導(dǎo)通信號(hào),給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如Io>0,V1和V4通，如Io<0，VD1和VD4通，Lio=Ud。當(dāng)UKuc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào),給VI和V4關(guān)斷信號(hào)。如Io<0，V2和V3通，如Io>0，D2和VD3通，Uo=-Uc。SPWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用的最為廣泛,對(duì)逆變電路的影響也最為深刻。目前中小型的逆變電路幾乎都采用了SPWM技術(shù),可以說(shuō)SPWM控制技術(shù)正是有賴(lài)于在逆變電路中的應(yīng)用,才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。所以本文中采用了單相全橋SPWM逆變電路[14]。2.5.3逆變電路功率器件的選擇逆變電路額定輸出為：電壓U=220V,功率P=1KW,考慮逆變環(huán)節(jié)的效率η=90%，實(shí)際應(yīng)用中IC的取值需留有2倍的安全過(guò)載裕量。則流過(guò)功率器件IGBT的額定電流IC可按下式計(jì)算:(17)因?yàn)橹绷鱾?cè)的輸入電壓U=310V以及尖峰電壓的影響,所以應(yīng)留有一定裕量,可以選擇600V的IGBT功率管。功率二極管是照通態(tài)平均電流來(lái)選取的,最后選取平均電流30A、峰值200A、反向恢復(fù)時(shí)間60ns、耐壓600V的快恢復(fù)二極管MUR3060PT。2.5.4逆變輸出濾波電路的設(shè)計(jì)在逆變電源的輸出端加入低通濾波器可以濾掉其中的高頻分量,r型濾波器具有低通濾波、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛與濾波器元件少等優(yōu)點(diǎn),本電源輸出濾波器采用此結(jié)構(gòu)。輸出濾波器中L和C參數(shù)與SPWM的頻率緊相關(guān)[15]。頻率越高,就可以減小濾波器的體積,但同時(shí)也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗,從而影響逆變器的輸出效率。所以應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的截至頻率fc以及負(fù)載RL來(lái)設(shè)計(jì)濾波器。逆變電源輸出參數(shù)為：輸出功率P=1KW,輸出電壓U=220V,頻率為50Hz。3小型風(fēng)電單相并網(wǎng)逆變器的仿真3.1SPWM發(fā)生器的仿真模型由于本文逆變電路為SPWM逆變電路,所以要先設(shè)計(jì)一個(gè)SPWM發(fā)生器,由于逆變電路開(kāi)關(guān)器件IGBT的開(kāi)關(guān)頻率一般在5k-40k之間以及matlab仿真的精度和步長(zhǎng)范圍,將設(shè)計(jì)電路的頻率設(shè)為10k。對(duì)于單相全橋逆變來(lái)說(shuō),共有四個(gè)開(kāi)關(guān)器件,兩兩成組,共兩對(duì)橋臂,所以需要四個(gè)SPWM脈沖作為開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖[16]。(1)模型搭建。根據(jù)直流升壓變流器原理電路建立變流器的仿真模型,在Simulink中搭建電路模型model,如圖9所示。(2)設(shè)置元件參數(shù)。(3)設(shè)置仿真參數(shù),取仿真時(shí)間50ms,步長(zhǎng)取le-5,仿真算法采用ode23tb。圖9SPWM發(fā)生器仿真模型圖9中只是用一個(gè)定幅定頻的正弦波信號(hào)作為模型代替了原本是變化的正弦波信號(hào)進(jìn)行建模,實(shí)際中調(diào)制正弦波是由給定信號(hào)與反饋信號(hào)之差提供,進(jìn)過(guò)HD調(diào)節(jié)器的控制進(jìn)入相應(yīng)端口。另外,由于matlab中沒(méi)有三角波發(fā)生器,所以三角波載波信號(hào)需由自己搭建。下面是三角波發(fā)生器的搭建。利用matlab中提供的據(jù)齒波和方波作為元件,其他元件有Simulink提供,加入定值電壓,可以改變SPWM脈沖的調(diào)制方式。圖10仿真輸出波形圖10進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,由方波發(fā)生器作為門(mén)控信號(hào),當(dāng)方波為高電平時(shí),選通上方的信號(hào)輸出,鋸齒波呈上升趨勢(shì),當(dāng)方波為低電平時(shí),選通下方信號(hào)輸出,鋸齒波呈下降趨勢(shì),這樣,在方波的一個(gè)周期內(nèi),就能形成一個(gè)等腰三角形波,且幅值為IV。在三角波model中,加入上圖中的定值C1,C2后,就由雙極性調(diào)制波變?yōu)閱螛O性調(diào)制,雙極性調(diào)制電路得到的波形要比單極性的理想。3.2Boost升壓電路仿真模型升壓變流器主電路的設(shè)計(jì)除要選擇開(kāi)關(guān)器件和二極管外,還需要確定電感L的參數(shù),電感參數(shù)的計(jì)算是復(fù)雜的,但是采用仿真卻很方便。仿真的模型線路如圖11所示。在模型中開(kāi)關(guān)器件采用了IGBT,IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由脈沖發(fā)生器Pulse產(chǎn)生,設(shè)定脈沖發(fā)生器的脈沖周期和脈沖寬度可以調(diào)節(jié)脈沖占空比。模型中連接了多個(gè)示波器,用于觀察線路中各部分電壓和電流波形,并且通過(guò)傅里葉分析來(lái)檢測(cè)輸出電壓的直流分量和諧波。仿真設(shè)計(jì)步驟如下:(1)模型搭建。根據(jù)直流升壓變流器原理電路建立變流器的仿真模型,在Sitmilink中搭建電路模型model,如圖11所示。(2)設(shè)置元件參數(shù),取脈沖發(fā)生器脈沖周期為0.1ms,脈沖寬度為84%,初選直流電源U=48V,L=le-4H,C=le-4F。(3)設(shè)置仿真參數(shù),取仿真時(shí)間50ms,仿真算法采用ode23tb。圖11boost直流升壓電路當(dāng)負(fù)載電阻為1?的仿真結(jié)果分析可以得到超調(diào)量：（19）上升時(shí)間為t=0.025s調(diào)節(jié)時(shí)間為ts=0.15s。圖12輸出電壓Ur3.3單相全橋SPWM逆變電路仿真模型3.3.1開(kāi)環(huán)逆變電路仿真模型仿真設(shè)計(jì)步驟如下：(1)模型搭建。在Simulink中搭建電路模型model,如圖13所示。(2)設(shè)置元件參數(shù)。初選直流電源U=310V,L=60e-3H,C=4e-6F,負(fù)載R=30?PWM脈沖發(fā)生器采用自制SPWM脈沖發(fā)生器。(3)設(shè)置仿真參數(shù),取仿真時(shí)間0.08s,即四個(gè)調(diào)制波周期,仿真算法采用ode23tb。圖13逆變電路仿真模型圖14逆變輸出波形圖4總結(jié)本文所設(shè)計(jì)的逆變電源系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,閉環(huán)控制時(shí)系統(tǒng)工作穩(wěn)定,并且系統(tǒng)的輸出電壓波形平滑,失真率較低,具有較好的正弦度,帶載能力較強(qiáng)。逆變電源系統(tǒng)可以獲得穩(wěn)定的電壓輸出,基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目的,適合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)逆變器性能的要求。全文根據(jù)對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)逆變器的性能要求,提出了逆變器控制電路的設(shè)計(jì)方案。小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單相并網(wǎng)逆變器的性能要求,介紹了系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各部分元器件參數(shù)的選擇。包括前級(jí)直流升壓電路的設(shè)計(jì)和后級(jí)單相全橋逆變電路的設(shè)計(jì)以及單相并網(wǎng)逆變器的控制方法。介紹了相關(guān)部分電路,主要包括:采樣電路、過(guò)流保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路等。在MATLAB里邊搭建boost升壓電路的仿真模型和單相全橋逆變電路的仿真模型時(shí),進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的仿真比