基于PLECS的小型风力发电系统热分析

尹佳蓓 ，莫秋云 ，2，陈 林

（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.广西科学信息试验中心，广西 桂林 541004）

0 引言

小型风力发电机可以为偏远地区在缺少并网电能的情况下提供生活所需的电能，但同时，在包含极端风速以及温变环境下，小型风力发电系统的工作性能会有不同程度的波动，进而影响系统的可靠性［1］。

失效是可靠性的一个具体表现，温度升高引起的元器件功能失效能直接影响系统的可靠性，而器件损耗与结温有关，所以可以从损耗的角度分析电子元器件结温以及环境温度的关系。同时，复杂环境下，由于风速的不稳定使得永磁电动机的输出不稳定，一般加装变压装置使得小型风力发电机电力系统的输入为稳定的电压输入。超过额定风速后，电动机即停止工作。所以相比温度而言，风速对于小型风力发电机的电力系统影响有限。目前对于复杂环境对小型风力发电系统影响的研究多关注于机械结构方面，对于电力系统关注较少。

利用PLECS中独特的热分析功能可以分析每一个电子元器件的损耗。PLECS软件是一款用于电路和控制结合的多功能仿真软件，非常适用于电力电子和传动系统仿真分析。PLECS以其准确快速的性能、独特的热分析功能、C语言控制器和强大的波形分析工具等众多优势，在热分析领域应用广泛［2］。本文借用PLECS独特的热分析功能对小型风力发电系统进行了热分析。

1 小型风力发电系统模型建立

一般小型风力发电机的电力系统如图1所示。

图1 小型风力发电系统结构

为了方便研究，对模型进行简化，采用稳定的交流电源代替整流电路的前面部分，后面电力系统的输入更加稳定。同时，由于温度对于电力系统的影响主要体现在对开关管的影响上，并且感性原件对于功率损耗影响较大，而温度只对开关管的功率损耗影响，所以在不影响电路功能的前提下尽量只保留与开关管相关的电路，采用了简单的桥式电路构成电源-整流-逆变的电路基本模型作为基本电路进行研究［3］。建立的电路模型如图2所示。

图2 小型风力发电系统基本电路图

整流电路即将交流转换为直流，整流电路分为很多种，但基本都由二极管、电感以及电容来组成［4］。基本原理是通过二极管的单向导通性来实现交流转换为直流的过程。电压源串联的电感相当于电压源的内阻抗，同时电感的存在使得通过二极管的电流变得平缓，起到滤波的作用。而电容则能够在电压处于负半轴时给负载提供电流，也能起到滤波作用，并且电容的大小C通过RC大小计算而得，一般而言 RC≥（1.5～2.5）T，T 为交流电源的周期。

逆变是将直流电转变为交流电的过程，是整流的逆过程。逆变电路可作多种分类，按功率器件可分为半控器件逆变电路和全控器件逆变电路。前者采用晶闸管器件，负载换流或者外接电路强制换流，正逐渐被采用GTO／IGBT等器件的全控器件逆变器所代替。按输出波形可分为方波逆变器、正弦波逆变器等。按直流电源形式可分为电压源逆变器、电流源逆变器。前者采用电容元件作为直流源进行电场储能，电源电压脉动以及电源阻抗小，特性类似电压源。而后者采用电感元件为直流源进行电场储能，电源电流脉动小，电源阻抗大，呈现电流源特性。按电路结构可分为桥式逆变电路、非桥式逆变电路和组合逆变电路等。按输出相数可分为单相逆变器、三相逆变器以及多相逆变器。按开关器件工作状态可分为硬开关和软开关逆变器。选择应用较多的采用全控器件的硬开关的电压源方波逆变器进行研究。在此电路中，IGBT with diode与一般的IGBT原理相同，可以同等对待，对于IGBT的启动电压设为常用的15 V。因为PLECS将半导体元器件作为导通作用时视为理想开关，所以整流电路中的阻抗容抗都设为0。

根据IGBT with diode的损耗计算原理，可以研究影响电路可靠性的具体因素。以下为IGBT with diode损耗的计算公式。

导通损耗：

开关损耗Pk：

总损耗P为开关损耗与导通损耗之和，即：

而开关管结温与环境温度的关系：

从上式可以看出，开关管的结温与损耗有关，所以可以通过损耗得出开关管工作极限下所能允许的最大环境温度。而损耗不仅与开关管自身的工作特性有关。同时，通态电流以及占空比与损耗都具有线性关系。其中，通态电流受接通负载大小的影响，而占空比是调节电路输出波形的一项重要指标。所以，结合电路实际情况，可以进行定量分析负载以及占空比与损耗之间的关系。

2 热仿真分析

2.1 开关管热数据库以及热环境的建立

由于整流电路二极管仅为导通作用，PLECS将导通作用的开关管视为理想开关，即无压降。本实验选择1N4001型整流二极管，ISXN 80N601型IGBT with diode，极限工作结温为125℃，热阻0.95 K／W，最大正向电压600 V，最大电流140 A。查询所需电子元器件的工作手册，建立其热分析数据库［8］。整流电路中二极管以及逆变电路中的IGBT with diode的热数据如图3、图4所示。

同时，可以借助PLECS软件中的Thermal模块库里的散热板Heat sink、热源控制器Controlled tempreture、连续热源 Constant tempreture 构造热环境［9］。其中，散热板的热容设置为0。并且，在PLECS中，温度的参数单位设置为开尔文（K）。热环境下的系统电路如图5所示。

由于本实验散热板提供模拟的为开关管的结温，一般开关管的工作结温为25～125℃。结合开关管的操作手册数据，将热源设置为398.16 K，热源控制器占空比0.5，结合IGBT的频率，将热源控制器频率设定为100 Hz。高频输出为100，低频输出为0，构成25～125℃的变温环境。

图3 开关管的导通损耗

图4 IGBT的开关损耗

图5 热环境下的系统电路图

需要说明的是，由于整流二极管视为理想开关，所以导通损耗基本由IGBT构成。Probe测量二极管结温，Probe1测量IGBT的导通损耗以及开关损耗。

2.2 仿真分析

图6为电路外接100Ω负载时两个示波器结果。

图6 负载为100Ω时Scope以及Scope1波形

从图中看出，电路的功能正常，开关管的结温与所建立的热环境一致，而开关损耗相对于导通损耗可以忽略不计。所以总损耗可以以导通损耗为主。导通损耗是依据器件动态特性而来，与环境温度无关，但是却影响器件的结温。以最大值为准，图7为不同负载时IGBT with diode损耗。

从图7可知，随着负载的增大，损耗功率在逐渐变小。根据式（6）计算可知，在IGBT极限工作条件下，所能允许的最大环境温度49℃，如果环境温度为60℃，则所允许的最大损耗为68.42 W，负载阻值应大于5Ω。又由于温度以及占空比的变化对于损耗影响较小，但是占空比的大小却能影响电路的输出，所以可以从损耗比的角度进一步讨论负载以及占空比对电路的影响。

图7 负载与损耗功率关系

占空比理论上可以逼近1，但由于占空比要满足伏秒平衡，考虑电路特性，本电路允许最大占空比约为0.5，前述电路占空比初始为0.5。同时，占空比影响输出波形的谐波分量，按照相关标准，谐波分量应小于等于10%。由于仿真结果不能趋于完全稳定，所以按照示波器的步长，将一定周期内的数据保存为CSV格式来测量损耗比。首先研究在占空比D=0.5时，负载与损耗比的关系；然后选择某一负载阻值，讨论占空比与损耗比的关系，结果如图8所示。

图8说明，占空比对电路损耗比的影响没有太大变化，损耗比均在0.75%上下浮动。计算过程中发现占空比对于开关管的开关损耗影响明显，但由于开关损耗低于导通损耗3个数量级，所以占空比对于电路的总损耗也没有太大影响。而负载对占空比的影响大体趋于阶梯形降低，但损耗比都小于2%，并且在负载增大时开关管损耗降低。

图8 负载与占空比的功率损耗比

3 结论

针对复杂环境因素对电气系统的影响，分析了小型风力发电系统电气部分的工作原理，利用PLECS的热分析功能分析了开关管的损耗与结温的关系，并且计算分析了小型风力发电系统功率损耗与负载以及占空比的相关性。

1）开关管的损耗由导通损耗以及开关损耗组成，其中开关损耗受温度影响但小于导通损耗3个数量级，所以总损耗近乎等于导通损耗。即开关管的损耗不受温度的影响，似乎与环境温度无关。但是开关的损耗却影响开关管的结温，从而限制了开关管的工作温度，即环境温度。同时损耗与负载有关，与占空比无关。当负载较小（＜5Ω）时，电路最大工作环境温度为49℃。

2）进一步分析计算开关管的损耗比发现，占空比对于损耗比几乎无影响，基本在0.75%上下浮动，而负载对于损耗比影响随着负载的增大而阶梯形降低，最大值小于2%。均没有对电路产生过大影响。

3）在寻求电路的最大工作环境温度的同时也讨论了电路的损耗比，能最大限度的利用电能，并且能间接为可靠性评估提供参考。