小型風力發電系統正弦波逆變器設計

摘要：為了提高小型風力發電系統輸出電能質量，設計了高效、可靠、低成本的正弦波逆變器。主電路由推挽升壓變換器和單相逆變橋組成，采用高頻變壓器實現電壓比調整和電氣隔離，降低了噪聲，提高了效率、減小了輸出電壓紋波。逆變器功率開關管采用了RCVD緩沖電路，確保逆變橋安全工作。控制部分采用集成脈寬調制芯片SG3524和正弦函數發生芯片ICL8038實現正弦波脈寬調制(SPWM)，簡單可靠、易于調試。實驗樣機體積減小到傳統逆變器的1／4，效率達到86％。實驗結果表明輸出電壓波形失真度小于5％，在復雜的工況下實現了220 V／50 Hz的市電輸出。
關鍵詞：正弦波逆變器；小型風力發電；脈沖寬度調制；推挽電路；單相逆變橋

戶用小型風力發電機的輸出電壓儲存在24 V、32 V或48V等的蓄電池中，這就使許多交流電器無法直接配套使用。為了解決這一問題，就需要在小型風力發電系統中配置逆變器，將直流電變為220 v／50 Hz的交流電輸出，以滿足交流電器的需要。正弦波逆變技術在風力發電系統中是一個極其關鍵的技術，它承擔著將直流電調制成穩壓穩頻的交流電直接供給負載或安全并聯到交流電網的任務。由于小型風力發電系統使用的工況十分復雜，逆變器作為系統的最末一級變換裝置，其品質的好壞直接影響整個發電系統的投資和性能。因此，正弦波逆變技術的性能直接決定著風力發電系統的推廣和應用。

1 系統設計
1．1 系統構成及逆變器主電路
1．1．1 系統構成
小型風力發電系統逆變器主要組成包括：主電路、輸入電路、輸出電路、控制電路、輔助電源和保護電路，其基本結構如圖1所示。

逆變主電路輸入為直流電由蓄電池提供。輸出電路一般包括輸出濾波電路，對于開環控制的逆變系統，輸出量不用反饋到控制電路，面對于閉環控制的逆變系統，輸出量還要反饋到控制電路。控制電路的功能是按要求產生和調節一系列的控制脈沖來控制逆變開關管的導通和關斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。在逆變系統中，控制電路和逆變電路具有同樣的重要性。輔助電源的功能是將逆變器的輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。保護電路主要實現過壓欠壓保護、過載保護、過流和短路保護。
1．1．2 主電路
戶用風力發電系統主要用戶是西部偏遠地區的農牧民，那里環境比較惡劣，技術條件相對薄弱。因此所選拓撲結構必須穩定可靠，技術相對比較成熟；考慮到那里的經濟條件，拓撲結構也必須具有成本低、效率高的特點。綜合考慮上述因素，主電路采用單向電壓源高頻環節逆變電路，該電路結構主要采用高頻設計思想，省掉了體積龐大且笨重的工頻變壓器，降低了整個逆變電路的噪聲，而且該電路具有變換效率較高、輸出電壓紋波小等特點。
它包括直流升壓部分和直交變化兩部分。其中直流升壓部分為推挽電路結構，直交變化采用全橋逆變結構。主電路如圖2所示。