风光互补逆变器控制方法的研究与仿真

高胜利 ，冯文秀，申 强，赵小荣

(1.内蒙古工业大学，内蒙古 呼和浩特 010080;2.内蒙古蒙电华能热电股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

现在仍然有许多偏远地区电力问题得不到解决，为了早日实现小康生活的目标，小型风光互补逆变器便应运而生了。该装置可以解决草原、沙漠、高原以及边远地区例如太阳能和风能资源丰富但是电力基础设施相对薄弱的地区的用电问题[1]。现在小型风光互补逆变器的研究方法各种各样，但是都需要有一个统一基本的要求便是低成本、高效率、尺寸小。本设计将充分考虑这些因素，通过使用高频逆变技术，使用电压控制芯片PWM控制器SG3525作为前端电路，驱动功率效应管。而后级电路则通过PIC单片机来作为控制芯片，这类芯片的特点是便宜而且功能强大，可以适应恶劣的环境，可以做到平稳正常的工作。这个设计的要求是可以实现输入为直流低压，输出为标准的市电。同时这一设计还设计了一些反馈回路，在此基础上还建立了一个直流升压电路以及全桥逆变的仿真模型。并且在论文中使用MATLAB/SMULINK对一些部分进行了仿真分析并得出了很好的实验波形[2]。

1 逆变器主电路原理与设计

内高频逆变的原理是将直流电先转变为高频交流电，隔离变压部分用高频变压器进行隔离，用整流器将其整流为直流。最后设计逆变电路将直流电逆变成为负载所需要的低频交流电。其结构图如图1所示。本设计采用单向电压型内高频逆变器[3]。

图1 内高频环逆变器电路结构Fig.1 Within the high － frequency link inverter circuit configuration

逆变器主电路需要有控制电路来控制，现在的许多微处理器芯片都有PWM功能，而且技术也十分成熟。在该设计中，直流升压部分的脉宽调制采用芯片KA3525来实现，此芯片可以实现PWM调节，输出信号可以控制直流升压部分的功率效应管。逆变部分利用单片机来控制，通过SPWM控制技术调节逆变电路，逆变电路采用全桥逆变，这样就可以实现低电压直流电输入，输出稳定标准的交流电。我们使用的交流信号的输出反馈给单片机，通过比较，然后再通过改变输出电压来达到稳定工作[4]。

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°。电压型全桥逆变电路输出电压U0的波形和半桥电路的波形U0形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍。输出电流I0波形和半桥电路的I0形状相同，幅值增加一倍 。VD1、V1、VD2、V2相继导通的区间，分别对应 VD1和 VD4、V1和 V4、VD2和 VD3、V2和V3相继导通的区间[5]。

对电压波形进行定量分析，将幅值为U0的矩形波展开成傅里叶级数，得其中基波幅值U01m和基波有效值U01分别为

图2 逆变系统主电路结构框图Fig.2 Inverter system block diagram of main circuit

图3 全桥逆变电路图Fig.3 Full－ bridge inverter circuit diagram

上述公式对半桥逆变电路也适用，只需将式中的Ud换成Ud/2即可。U0为正负电压为180°的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud来实现。

蓄电池是该设计必须的设备，它用来储备能源，并且可以为直流升压部分来提供电源。该装置为家用户型电源，所以前级采用推挽升压电路。变压器采用高频磁芯材料，这种材料的特点是体积小、结构简单、效率高，能够有效地抑制变换电路偏磁。变换电路的设计是通过KA3525输出互补信号来控制开关电源。这样在高频变压器一次侧出现交流电，通过高频变压器变压、整流、滤波之后得到350 V直流高压电。单相逆变电路中使用全桥逆变电路，这样直流高压电就可以通过逆变器变成220 V，50 HZ的交流家用电[6]。下图是逆变电路系统电路图。

图4 逆变系统电路图Fig.4 Inverter system circuit diagram

由于要求电源的额定输出为:Uo=220 V，功率Po=1 kW，效率η=95%，因此，逆变器总功率

输出的电流峰值

式中KA——过载系数，取值为1.5;

KR——安全系数，取值为 1.2。

直流输入电压U=350 V，鉴于这种影响选择功率效应管时需要充分考虑电压尖峰同时需要有一定的裕量。因此根据需求我们选择FCH47N60F型号的MOSFET。

如果输出端需要一个标准的正弦波逆变波形时，还需要设计滤波电路，在设计滤波器的时候，我们通常使用的是LC滤波器电路。

LC低通滤波器能够很好地消除高次谐波，这样就可以得到一个较好的正弦波输出电压波形。在正常情况下，开关频率远远高于LC滤波器截止频率，它的截止频率通常是开关频率的1/10—1/5之间，所以，该产品具有很好的高次谐波衰减功能[7]。

霍尔电压传感器主要有隔离主电流电流与控制电流的作用，将输出的逆变电压转化为幅值较小的交流电压。通过霍尔效应，被测电压通过电阻R1与传感器相连，输出电流与被测电压成正比。由于需要检测的输出端交流电压为220 V，通过电阻采样，经过计算，我们选取采样电阻R1=22 kΩ，得到采样电流值在0～±10 mA。为了保证单片机的A/D输入要求，需要利用电压偏移电路和电压跟随器将 －2.4～ +2.4 V的电压信号变为0～2.4 V的电压信号。传感器输出额定电流为25 mA，通过R3=70 Ω电阻，经过与单片机的设定值进行比较，调节SPWM的频率，从而稳定输出电压的电压值和频率[8]。

图5 交流电压反馈电路Fig.5 AC voltage feedback

负载电流的采样电流通过传感器采样后，通过反馈送到单片机的A/D采样口，这个时候，通过比较单片机中的设定值，如果出现过流或者过载时，单片机的SPWM脉冲就停止发送。

2 主电路仿真建模与实验结果

2.1 DC/DC 反馈部分

DC/DC部分直流电输入为直流48 V，经过推挽逆变，再经过整流滤波，得到350 V高压直流电，其波形如图 7[9]。

图6 DC/DC反馈仿真模型Fig.6 DC/DC feedback simulation model

图7 DC/DC部分仿真波形Fig.7 DC/DC part of simulation waveform

图8 SPWM部分仿真模型Fig.8 SPWM part of simulation model

2.2 DC/AC 部分

DC/AC部分是在DC/DC之后，通过DC/DC输出的350 V高压直流电输入，经过单相全桥逆变环节，然后再经过滤波电路可以得到220 V的交流电压如图9。

图9 DC/AC部分仿真模型Fig.9 DC/AC part of simulation waveform

2.3 实验结果

根据实验理论设计出测试样机，将蓄电池并联而成的电池串作为输入电压，根据理论得到的参数应用于电路中，对风光互补逆变器进行了实验，实验中所用到的示波器采用TEK公司的TDS1000，下面是实验时空载的波形，实验结果如图10。

图10 空载实验波形Fig.10 The experiment waveform of no － load

图11 阻性负载实验波形Fig.11 The experiment waveform of resistive load

由上图可以看出，在逆变器空载的情况下，当改变输入条件时，输出电压波形成正弦，我们可以看到一个很小的波形畸变，电压有效值为220 V，输出电流几乎为零。实验结果表明，在风能和太阳能发生变化时，逆变器逆变稳定，供电平稳，输出符合了设计要求。

当输出接电阻负载的时候，我们选择电阻为160 Ω，和100 Ω的电阻，实验结果如图11。在一个理想的电压源下，因为输出电压不变，因此，在输出交流220 V时，当负载为160 Ω时，逆变器输出功率为300 W，当负载为100 Ω，逆变器输出功率为484 W[10]。

从上述实验结果可以看出，当逆变器输出电压负载增加或者减少时，在误差范围内，两者的负载电压波形畸变很小。电流波形也为正弦，与电压的波形相似。为了便于分析，显示与电压反相。当外部的条件与环境发生变化时，该系统都能保持稳定性，能够充分体现太阳能和光能的互补优势。

3 结论

风光互补逆变器在新能源领域中发挥着越来越重要的作用。本设计采用高频逆变技术、单极性SPWM控制技术、低电压直流输出等技术实现了稳定标准的电源输出，并且运用MATLAB/SMULINK实现了对风能和太阳能优势互补的输出波形仿真。该技术与传统方法实现的风光互补逆变器相比，除技术上有所提高外，还具有价格低廉、使用简单快捷、输出稳定、成本低易批量生产且能够较好的维护等特点。这对于风能、太阳能及其他清洁能源的开发与利用有着深远的意义。

[1]郭培军.我国风能的利用现状和思考[J].科技信息，2008，23:598.

[2]王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2006，9.

[3]陈道炼.DC－AC逆变技术及其应用[M].北京:机械工业出版社，2005.

[4]李维华.风光互补控制逆变器[J].可再生能源，2003(6):33－34.

[5]李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].北京:中国电力出版社，2006，8.

[6]王宇.风光互补发电控制系统的研究与开发[D].天津:天津大学，2004.

[7]张源.我国新能源发电技术现状与发展[J].中国能源，1997(7):1 －4.

[8]陈坚.电力电子学:电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2002.

[9]周玉柱.户用风光互补正弦波逆变电源的研制[D].合肥:合肥工业大学，2007.

[10]NMAbdel－ Rahim，JEQuaieo.Anaiysis and design of a multiple feedback loop control strategy.For single Phase voltage － source UPS inverter[J].IEEE Trans.Power Electron，1996，11(4):532 －541.

[11]Abraham I.Pressman.Switching Power Supply Design[M].北京:电子工业出版社，2006.

[12]Global Wind Energy Council.Global wind 2007 report[R].Belgium:Global Wind Energy Council，2008.

[13]Palsson M P，Toftevaag T，Uhlen K，et al.Large －scale wind power integration and voltage stability limits in regional networks[J].Power Engineering Society Summer Meeting.IEEE 21th －25th，2002，2:762 －769.