风力发电电能变换装置的研究.doc

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）大学毕业设计（论文）题目：风力发电电能变换装置的研究学 生 姓 名： 学号： 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 电气工程及其自动化 指 导 教 师： 职称或学位： 讲师 年 6月 2日21目 录 摘要 I 关键词 I Abstract I Key words I 前言 I1. 绪论1 1.1 课题背景及意义.1 1.2风力电能变换装置的发展趋势1 1.2 本文研究的主要内容32. 风力发电电能变换系统介绍 3 2.1 现行风能变换方案分析 3 2.2现行风能变换系统存在的问题 4 2.3本文提出的风能变换系统方案53.逆变器主电路及其控制技术研究与仿真 5 3.1 三相不控整流电路分析6 3.2 Boost电路技术分析7 3.3 PFC数字控制实现8 3.4 DC/AC电路及其控制技术实现 104. 系统电路关键参数的选择与计算 15 4.1 不可控整流模块的选择15 4.2 Boost升压电路模块的选择 16 4.3 DCAC逆变部分选择17 结束语18 参考文献 20 致谢 21风力发电电能变换装置的研究摘 要本文通过一个小型的针对性强的方便实用的经济高性能的风力发电电能变换系统的设计流程，来论述风力发电电能变换装置。该风力发电电能逆变方案采用同步永磁发电机作为风力发电机，并设计了发电机与用户之间的电力电子接口逆变器。本文采用SG3525芯片，该芯片可以产生互补的SPWM，具有可以实现稳压的反馈端，也具有过流保护的控制端。SG3525主要实现逆变环节的SPWM波形的产生和系统不同负载情况下的稳压功能。系统采用了AC-DC-AC的逆变结构，完美的实现风力发电电能变换过程。此外讨论了实现风力发电机MPPT控制的扰动法，实现风力发电系统输出功率的最大值，提高风能的利用效率。关键词：逆变器；风力发电；单相正弦脉冲Research of Wind Power GridConnected InverterAbstractIn this paper, a small, convenient and practical targeted economic performance of wind energy power conversion system design process, to discuss wind energy conversion device. The wind power inverter program using synchronous permanent magnet generator as a wind turbine, and designed the generator and power electronic interface between users - the inverter. In this paper, SG3525 chip, the chip can produce complementary SPWM, feedback regulation can be achieved with the end of the control side also has overcurrent protection. SG3525 key sectors to achieve SPWM inverter waveform generation and the system of regulation under different load functions. System uses the AC-DC-AC inverter structure, the perfect realization of wind power conversion process. Also discussed the realization of the disturbance wind turbine MPPT control method to realize wind power system maximum power output, improve energy use efficiency.Key Words： Inverter；Wind power generation；SPWM前言能源是现代社会和经济发展的基础。经济的发展与人口的增长使得能源需求日益增加，同时以煤炭、石油和天然气为主的常规能源对自然环境产生了严重的污染和破坏，人类正面临着能源利用和环境保护的双重压力。经过全球的各国的调查研究发现，在所有新型能源当中，目前最具有发展潜力的就是风能。但是风能能量密度低、稳定性差，华中科技大学文华学院毕业设计等特点。这样就给风能发电带来不小的难题。为此，学术界很风力发电电能变换装置研究的很多。本文针对像利用风力发电解决偏远无电山区的供电问题这些场合提出了小型的风力发电电能变换方案。该方案针对性强，经济实惠，方便。在其针对的场合提供较完美的风力发电电能变换方案。方案中采用SPWM控制方法以提高风力发电电能变换系统的输出电能的质量，要克服类似的风力发电电能变换方案中直接采用了方波逆变输出的电能在有些情况下就不尽人意的缺点。另外，在本系统中采用一块集成控制芯片来解决逆变控制问题。系统小巧实用，利用该控制电路不仅可以解决SPWM的产生问题，还可以用作保护电路的设计。实现在故障时候自动启动保护电路，在故障被排除后重新启动系统，使其正常工作。本文主要研究针对上述的特定场合，利用较简单的但是成熟的问题，提出能够自动适应变化的负载环境的风力发电电能变换方案。根据风力发电电能变换系统的关键点(逆变器)等，电能变换方案进行了主要的分析和讨论。并选择一个实用的、经济实惠的、可以对所针对的环境提供好的风力发电电能变换方案。 本方案可以为像偏远无电山区这样的环境解决无电问题，其中利用的是目前最用具有前景的风能，加上目前国家正在出提高农村等偏远地区生活水平的政策。因此，本方案的从环保、经济、方便、适用方面都具有展示出较好的前景。1 绪论1.1 课题背景及意义能源是现代社会和经济发展的基础。经济的发展与人口的增长使得能源需求日益增加，同时以煤炭、石油和天然气为主的常规能源对自然环境产生了严重的污染和破坏，人类正面临着能源利用和环境保护的双重压力。早在80年代世界各国就开始寻求能够代替常规能源的新能源。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。因此受到了世界各国的重视，目前世界各国都已经把开发新能源和利用可再生能源作为未来能源发展的方向。据多年调查分析，发现风力发电在目前是最具发展前景的。风力发电可以为无电偏远地区，如高山、草原和海岛等，提供电力。主要是利用风力发电机进行性能能源的采集，在利用整流滤波电路得到满足要求的直流电。最后利用DC/AC的逆变电路进行逆变，升压、滤波满足电网要求后，送与用户使用。也可以用许许多多的风力发电设备组建一个大型的风力发电厂，把它作为电力系统的一部分。这样可以很好的缓解现行发电系统的对环境的污染和破坏。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量就有约2.53亿千瓦。中国新能源战略开始把大力发展风力发电设为重点。按照国家规划，未来15年，全国风力发电装机容量将达到2000万至3000万千瓦。以每千瓦装机容量设备投资7000元计算，未来风电设备市场将高达1400亿元至2100亿元。因此，不管是从政治上还是经济上都非常有发展空间。1.2 风力电能变换装置的发展趋势 风力发电要经过两次能量转换，首先需要风轮机将风能转换成机械能，再由发电机及其控制系统将机械能转换成电能。由于风能能量密度低、稳定性差，所以大中型风轮机的最高转速一般在2040r/min，这样低的转速是不能直接驱动常规发电机的。目前，主要是采用齿轮箱对风轮机提速的方法来解决这一问题，这种风力发电系统结构，我们称其为非直驱风力发电系统。这类风力发电系统又主要分为定桨距风力发电机和变桨距风力发电机两种。定桨距风力发电机的风轮机桨叶与轮毂的连接是固定的，既当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化，发电机一般采用双速发电机来保证低风速段风力发电机具有较好的效率特性。变桨距风力发电机的风轮机的桨叶可绕叶片中心轴旋转，使叶片攻角在一定范围内变化，以便调节输出功率不超过设计容许值。这两种系统的发电机均采用异步发电机。图1-1非直驱风力发电系统结构图图1-2直驱风力发电系统结构图 图1-2所示系统为直驱风力发电系统，该系统主要由风轮机、发电机和电能变换装置三部分组成。由于风能密度的问题，该系统的发电机需运行在低转速下，并且输出的电能不稳定，需采用电能交换装置来解决。但是，目前在国内对直驱风力发电系统的研究还较少，尤其是对电力电子装置功率接口的研究。 风力发电机的MPPT(Max Power Point Tracker)控制是针对风力机输出功率最大点的跟踪控制。根据风车的空气动力学特性，在一定的风速下为了将风能最大转化为电能，存在一个最优的风车转速。最大功率控制是指在不同风速情况下，控制系统通过调节负载自动搜索最佳叶尖速比，使风力发电系统总是工作在或接近最佳状态，获得最大输出功率，从而最大限度地利用风能。风能是一种能量密度低，稳定性差的能源。由于风速和风向变化的随机性，风力机的输出转矩和功率将会随机变化，偏离最大输出点。根据风力发电供电方式的不同将功率输出定性地分为两类：调节机械功率，在风力机控制回路加调节装置使风力机输出机械功率稳定；调节电功率，在发电机的控制部分加入反馈，使用快速响应的控制器和优化控制策略来控制发电机输出功率。本次设计采用直驱式风力发电系统，省去齿轮箱，风轮机与发电机直接耦合，本着去掉机械调节装置目的，因此不采用调节机械功率的方式。对于直驱风力发电机来说，发电机转子与风轮机转轴直接耦合，要改变风轮机的转速使风轮机运行在最大功率输出点处只需改变发电机的转速即可。由于直驱风力发电机多采用永磁同步发电机，所以无法通过调节发电机的励磁来改变发电机的转速。但是由电机学知识可知，发电机的输出电流与转矩有关，同时发电机输出电压又与频率或者转速有关，因而我们可以控制输出电流来实现对永磁同步发电机工作点的控制，从而控制风力发电机的转速。使风力发电机的转速随风速的变化而变化，两者之间保持一个恒定的最佳比值，从而在很大的风速范围内均可使叶片各处以最佳的攻角运行。常用的寻找风力机在最大功率点的最佳转速的MPPT控制方法被称为“爬山法”，也称为扰动法。其基本思想是：对风力机转速控制的指令值以一定的转速扰动值进行扰动，然后观测风力机的输出功率变化。若风力机输出功率增大，则转速扰动变化方向不变；若风力机输出功率减小，则转速扰动变化方向反向。具体控制手段是额定风速以下风力发电机正常运行，对风力发电机工作点的控制即是通过控制升压斩波器送给逆变器的电流实现对风力发电机功率的控制，从而控制风轮机转速。在永磁同步发电机当中输出电压有效值正比于发电机转速。电机转速高于直流电压所对应的转速时，发电机输出电流增大，制动力矩增加，电机减速，输出电压降低：相反，电机加速，输出电压升高，最终使得风轮机工作于给定的时尖速比。使风力机在很大的风速范围内以最佳效率运行，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获：当风速超过设计风速时，偏离风向超速保护装置动作，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。 以上从风力传动系统和风力发电最大功率点出发，概要的指出了其优点。并可以从中看见以后风力变换装置的发展趋势。1.3 本文主要研究内容本文主要研究直驱式风力发电系统逆变针对特定场合的适用性问题。要为用户提供一个质量满足要求的电源系统。就必须使系统的电压、频率至少可以到达电网的电能质量要求。同时风力发电系统存在着风速变化或风速较低的时候，直驱式风力发电系统输出的电能电压幅值变化较大且频率不稳，与电网电能质量要求相差胜远，所以不能将风力发电机发出的电能直接提供给用户使用，因此在风力发电机的输出端设计一个电力电子界面(变换器)把电能进行进一步的转换，达到电能的相关标准后，在供给用户使用。该变换器实现了风力发电系统输出电能的可用性、适用性和低风速时风能的利用问题。2 风力发电电能变换系统介绍2.1 现行风能变换方法分析到目前为止，学术界已经提出了有很多种风能变换方案并且实际应用在各种的场合。总得来说，目前风能变换方式大致可以分为AC-AC风能变换系统，AC-DC-AC风能变换系统。2.1.1 AC-AC风能变换系统该系统的特色之处是在AC-AC的逆变环节。顾名思义，其是将某一频率和电压幅值的交流直接转换成另一频率和电压幅值交流。运用与风能发电环节时，就是把风力发电机直接与AC-AC变换器相接。将风力发电机发出的电压波动，频率不稳的畸形波变换成满足电力系统要求的正弦波型。此变换系统的特点是，只用一级变换就可以直接把某一频率、电压的交流功率变成另一频率和电压的交流交流功率；可以采用廉价的晶闸管开关器件靠交流电源电压过零反向时自然换相；能够使功率在电源和负载之间双向传送，实现交流电动机的四象限运行。由不控整流和电压型逆变器构成的间接变频器供电时，交流电动机制动时的能量就难于返回交流电网，难于四象限运行。因此，对于要求迅速加速和减速的大功率可逆传动系统，这种相控直接变频器较为优越；在风速很低时，也可以输出一个较高质量的正弦波形，这是因为这个低频的波是由大量的交流电源电压脉波段逐段相连所组成的，因此相控直接变频器更适合用于大容量的交流电动机低速电力传动。需要注意的是，利用AC-AC变换方案进行逆变的时候。需要风力发电机发出的交流频率在150Hz以上，才能得到较好的效果。对于小型的风力发电机的输出的交流波形频率在最高在250HZ以上，但是由于风力的不稳定性，存在很多频率在150Hz以下的场合。所以用此种方法的设计的逆变系统输出的波形很肯能不会又较高的质量。2.1.2 AC-DC-AC风能变换系统AC-DC-AC风能变换系统特色之处在于其AC-DC,DC-AC的变换。应用于风能发电变换系统来说，先把发电机发出的电压波动，频率不稳的交流功率经过整流装置变换成直流功率，然后再将直流的功率转换成固定幅值电压，固定频率的较完美的正弦波（以上均为相对说法）。理论上讲，用此电路可以实现任意频率、任意电压幅值的输出波形的实现。再者，经过了整流装置的的电路，可以保证较高的功率因数。交直交逆变器组成的逆变系统采用了，较为规律的控制方法，可以使谐波的次数较规律，这样方便滤波。另外，主电路的控制电路相对交交逆变系统来说简单许多。2.2 当前风能变换系统存在的问题 从上述分析中可以知道目前风能变换系统主要有AC-AC风能变换系统和AC-DC-AC风能变换系统。AC-AC风能变换系统把风力发电机直接与AC-AC变换器相接。经过AC-AC变换器后直接供给用户。但是输出频率必须比输入的频率低得多，否则输出的波形很差，一般输出频率在输入频率的三分之一以下；相控直接变换器需要大量的晶闸管，而且它的控制电路比许多的有直流环节逆变器的控制电路要复杂的多；相控直接变频器的输入功率因数很低，这是由相控的本质决定的，尤其在输出电压很低时，尤其如此；交流电源输入电流谐波较严重其谐波的情况复杂难于控制。AC-DC-AC风能变换系统先把发电机发出的电压波动，频率不稳的交流功率经过整流装置变换成直流功率，然后再将直流的功率转换成固定幅值电压，固定频率的较完美的正弦波（以上均为相对说法）。但是此种风能变换系统会经过AC-DC和DC-AC两次变换，会一定程度的增加电路的损耗。在通常的情况下，还需要在这两次变换中间加入DC到DC的变换。如此，电路的结构会变的复杂和系统的整体效率降低。2.3 本文提出的风能变换系统方案根据上面风能发电电能变换系统的问题，在本文中，通过对具有各种保护和运行控制功能，具有完善的运行参数显示和键盘控制能力，具有远程数据通行能力，可以实现高效率的高性能的风力发电变换系统设计具体对风力发电变换装置就行分析和研究。主要对象是逆变器的主电路和控制电路，而对保护模块和相关的外围智能模块就行简要的系统流程分析。图2-1风力发电电能变换主电路图如图2-1所示，风力发电电能变换系统由直驱式风力发电机、三相不控整流器、boost升压电路、逆变器等设备组成。风能通过风力发电机把风能转换成电能，然后经过三相不控整流器将发电机发出的交流功率转换成直流功率。接着送入Boost电路中进行后续的处理，Boost电路的主要作用是调节直流输出电压，满足逆变电路的工作要求和完成功率因数校正，提高逆变器的功率因数并抑制谐波。采用此种系统结构可以很好的解决低风速时的风力发电机的输出的电压大幅度波动和频率不稳的问题。当风速较低的时候，风机转动较慢，由于风机与发电机是直接耦合的，中间没有采用增速齿轮箱，因此发电机输出的电压比较低，在中间加入直流升压环节后，整流后得到的低的直流电压通过直流升压就可以在系统的直流侧获得较高的直流电压，满足逆变电路的正常工作，使得系统可以在风速较低时也能满足电能质量要求。同时直流斩波电路还可以完成功率因数校正功能，提高逆变装置的功率因数并抑制高次谐波。3 逆变器主电路及其控制技术研究与简单仿真在风力发电电能变换系统中，逆变器是其能否成功变换电能的关键所在，逆变装置的主电路结构及其控制技术的选择决定了逆变器的性能。逆变器主电路分为PFC功率因数校正环节和DC/AC逆变环节两部分。3.1 三相不控整流电路分析在本系统中采用了三相交流发电机，并且风力发电机输出电压较低。因此，选用三相不控整流电路。三相桥式不控整流电路不使用中线、输出电压高、输出纹波小等优点。如图3-1中，三相交流电压、相差;6个线电压、依次相差;在图3-2的的时区中，最正，因此A相导电，同时由于最负，B相导电，故在区P点电位,N点电位。即与导电。同理顺次与导电，与导电，与导电，与导电，与导电。其直流平均值为： (3-1)式中为相电压有效值，为线电压有效值。图3-1三相桥式不可控整流电路图3-2三相桥式不可控整流电路的波形图3.2 Boost电路技术分析 在本系统中，不控整流电路和Boost升压电路的联合设计使用，可以使系统在发电机输出电压在一个较宽的范围内工作。其作用是整流后进行DC-DC变换升压，经变换后的电压满足后级逆变电路的工作要求。另外，该boost电路带有反馈功能。可以发电机输出电压（boost电路的输入）在变化时，保证boost电路的输出稳定，以保证系统的正常运行。如果采用适当的控制方法，也完成功率因数校正功能，提高逆变器的功率因数并抑制谐波。不可控整流电路和Boost升压电路就形成本系统中的功率因数校正部分。图3-3 Boost直流电路结构Boost电路的工作原理分析。如图3-3所示，当开关管VT关断时，电感L在其电流减小时所产生的反电动势与电源电压串联相加送至负载，在负载可以获得高于电源电压的电压。通过改变开关管VT的开关波形的占空比就可以改变电感L在关断时的反向电动势的大小，进而改变负载输出电压的大小。在实际的电路中boost都有闭环反馈回路，因此可以工作在空载的状况下。如果boost电路工作在开环的状况下，那么就不允许其工作在空载的状况下，否则就会出现输出端电压会变的非常的高，最终烧毁电路。3.3 PFC数字控制实现(boost电路控制方法)如果用PFC的控制方法来控制boost电路和整流电路协同工作，就可以实现PFC功能。采用Boost电路可实现功率因数校正(PFC)功能(功率因数可以达到O95099)。Boost电路结构简单，实现成本低，是目前应用最广泛的功率因数校正电路。主电路由电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧有储能电感可以减小输入电流纹波，防止对后级电路的高频瞬态冲击；其输出侧有滤波电容可以减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。PFC控制电路有模拟电路和数字电路两种。虽然最早采用的都是模拟电路来实现PFC功能，但是现在都采用数字电路来实现PFC功能。原因主要有二：一、模拟电路都有共同的缺点，采用的元器件较多，容易受到干扰，也容易产生对其他电路产生干扰。二、现在都用非常成熟的、并且廉价的数字PFC控制芯片，其集成度高，外围功能扩展方便。图3-4 PFC数字控制原理图PFC数字控制目的是控制电感电流，使其输入电流正弦化。保证其功率因数接近于1，并使输入电流基波跟随输入电压相位；控制输出电压，使输出电压保持恒定。如图3-3所示，电流内环调节电感电流，使之波形上跟随电压的波形变化，调节功率因数。电压外环的输出与输入电压值的值相乘，乘积作为电流控制环节的基准信号，通过调节电流基准信号的平均幅值，使得输出电压保持恒定。Boost电路采用PWM控制方法，以实现直流电压可以满足后续逆变器输入电压要求。用Simulink/ MATLAB组建的逆变器环节系统框图如图3-5所示。图3-13 Simulink/ MATLAB组建的Boost升压电路系统框图如图3-5所示，上半部分是Boost升压电路的输入电流，从图中可以看出在刚刚接入电源的时候，输入电流有个大的波动。经过一段时间后慢慢稳定，稳定后形状是波浪形的。而图3-6下半部分是Boost升压电路的输入电压波形，接近于一系列的半波。对比上下两部分可以观察到，电流波形是跟踪电压波形变化的，由此可说明Boost电路的PFC校正效果图3-6 Boost电路输入电流和输入电压仿真图3.4 DCAC电路及其控制技术分析逆变器中最重要的环节就是逆变电路环节。经过它后的电能，再经过简单的滤波处理直接提供用户使用。因此，需要到达相应的技术指标。如表3-1所示为逆变环节主要的技术指标(以额定功率为2KW为例)：表3-1逆变环节主要技术指标额定功率2KW整机效率=85%输入电压400VDC输出电源波形正弦波并网功率因素cos=0.98输出频率(500.5%)Hz输出电压(2205%)V(AC)3.4.1 单相逆变主电路逆变主电路电路的形式有多种，单相逆变电路常采用的电路形式有推挽逆变电路、半桥逆变电路和全桥逆变电路三种。推挽逆交电路会带来功率不平衡现象，导致功率管电流过大。半桥逆变电路所使用的器件较少，但是其直流电压利用率不高，要输出220V的交流电压其直流侧需要至少620V的直流电压输入。全桥逆变电路带负载能力强，比较适用于大功率的场合。这里采用了单相全桥逆变电路的拓扑结构。图3-7单相全桥逆变电路图3-8理想条件下的单相全桥逆变电路的工作波形全桥逆变电路的结构如图3-7所示、工作波形如图3-8所示。V1V4为电力电子开关器件。工作时，V1和V4同时导通和关断，V2和V3同时导通和关断，两组各交替导通180。且同一桥臂上的两个开关管不能同时导通，否则会造成短路。D1D4为续流二极管，分别与V1V4反并联，其作用是为交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。图3-8(b)中脉冲波为开关管的电压驱动波形，V1、V4与V2、V3开关管电压驱动波形是互补的。输出LC滤波器对输出波形中的高次谐波进行滤波处理，使逆变电路输出高质量的正弦波形。3.4.2 逆变器控制方法研究目前对于小型的逆变系统的驱动波形的常用的控制方法一般有PWM和SPWM两种。两者都可以就行逆变，但是相对PWM控制方法来说，SPWM控制方法使用更加细致的算法，可以使一个周期内的所有脉冲波对时间冲量更加接近一个标准正弦波对时间冲量。使用这样的控制方法，全桥逆变输出的波形中的最低谐波的次数较高，很容易滤波。可以得到比PWM控制方法更加完美的正弦波型。如图3-8所示，首先把一个周期的正弦波形平分成多个相等时间的时区。然后，在每一个时期中，把正弦波对应单位时区的冲量转换成固定幅值的电压对对应时间的冲量。即，将图3-8(a)中的每个时区的面积转换成图3-8(b)中每个时区的面积。这样的话就可以用图3-8(b)的等高不等宽的波形来代替图3-8(a)的正弦波波形。本系统逆变部分是采用单相全桥拓扑结构，控制方法是SPWM。用Simulink/ MATLAB组建的逆变器环节系统框图如图3-9所示。图3-9 Simulink/ MATLAB组建的逆变器系统框图逆变部分输出的仿真结果如图3-10所示，从仿真结果可以看出逆变电路的效果是不错的，达到预期的目标。图3-10逆变器单元仿真结果3.4.4 SPWM控制波形的实现(1) 采样电路分析如图3-11 SPWM波形产生电路所需的采样电路如图3-12采样电路主要波形取样电路如图3-11所示，其工作过程为：从两桥臂中点e、f点取样，在、分别得到两半周期正弦电压和(如图3-12所示)。和经分压后，分别送到两运算放大器和的脚3和脚5，由于其脚2和脚6有一定的负电压，所以运放的脚1和脚7得到抬高后的两半周期正弦电压经和叠加,在a点得到电压 ，该电压被送到SG3525的脚1，和脚2基准电压进行比较。(2) 基准电路分析 基准电路如图3-13所示，其工作原理为：50Hz正弦基准电压，经分压后得到电压。该电压分别送到两只运放和的脚2和脚5，同样由于两运放有一定的基准电压，在运放的脚1和脚7得到抬高后的两半周期正弦电压，经和叠加后得到电压， 该电压送到SG3525的脚2作为其内部运放的基准电压。如图3-13 SPWM波形产生电路所需的基准电路(4) SPWM波形产生电路分析如图3-14所示，由SG3525组成的SPWM脉冲形成电路，其工作原理为：采样电压和基准电压，分别输人到SG3525内部运放的反向端脚l和同相端脚2进行比较，在运放输出端脚9得到正弦误差放大信号(叠加在一个电平上的馒头波)，该信号和SG3525内部锯齿波再进行比较，在脚ll和脚l4得到相位相差的正弦调制脉冲信号。如图3-14 SPWM波形产生电路该控制电路中一般采用20K左右的开关频率，巧合与主电路中的IGBT管的最佳开关频率不谋而合。4 主电路关键参数的选择与计算方法4.1 不可控整流模块的选择(1) 整流二极管的选择：整流二极管的主要参数有：(1)正向平均电流。是指整流二极管长期运行时，指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，这也是标称额定电流的参数。在使用整流二极管时应按照工作中实际波形的电流与正向平均电流造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取整流二极管的电流定额，并应留有一定的裕量。 (2)正向压降。指整流二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。(3)反向重复峰值电压。指对整流二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。该参数常按照电路中整流二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。(4)浪涌电流。指整流二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 (4-1)式中，为峰值电流,其中通过二极管的有效值为 (4-2) 根据估算让Boost电路控制波形的占空比在变化，则允许三相交流风力发电机输出交流电压范围大约为40150V。输入逆变器最高电压值为配，则整流二极管所承受的最大反向电压为=，选择整流二极管电压定额为,并考虑一定的裕量，取=500V。设计系统最大功率为25KW，考虑风力发电机输出电压较低，整流输出直流电压最小值为936V，则直流母线上的电流为：，则流过整流二极管的电流有效值为：，得到整流二极管的额定电流为：，选取整流二极管的电流定额为：2，并考虑一定的裕量。从而确定整流二极管参数指标为： 电压额定：500V600V,电流额定：20A。(2) 整流输出滤波电感、电容的选择：为了给后级电路提供一个好的直流源，本系统将在整流器后面添加一个LC滤波器。设计LC滤波器的时候首先应根据镇流器输出电压中最低次谐波的频率、整流器电路输出谐波电压的大小及要求负载端所允许的谐波电压的大小，确定滤波器所需的衰减系统，然后根据式(5-1)确定滤波器的谐振频率，进而得出LC的乘积。然后确定出电感L和电容C的值。需要较平均的分配L和C的值，因为L过大就会对系统造成较大的压降，而C过大则会增加整流器中二极管的电流。 (4-3)4.2 Boost升压电路模块的选择(1) 输入电感的选择输入电感是用来储能和传输能量，并限制高频纹波电流。升压电感值的大小决定了输入端的高频纹波电流总量，因此可以根据电流的纹波值来进行电感值的设计。Boost电路在临界时，负载电流。当占空比时，有最大的负载电流：。 (4-4)适中为输出电压，很系统中，开关频率。在系统最大功率输出时候，Boost电路输出最大电流。由式(4-4)可知,临界时电感大小为(2) 输出电容的选择：输出电容值的选择主要考虑因素有：开关频率的纹波电流、二次谐波纹波电流、直流输出电压、输出纹波电压和维持时问。按照经验值来说，输出电容可以根据输出功率选取。工程计算方法主要有两种，其一按输出电压的纹波要求来计算，其二是按维持时问来计算的。本次设计需要考虑电路维持时间，所以采用后一种计算方法。逆变器额定功率为2KW，维持时间设为50ms。输出电压纹波取为直流输出电压的10。计算电容值的公式为： (4-5)(3) 开关管和输出二极管的选择对于主电路的开关管的选择，主要是依据其导通时候承受的电流和关断时候承受的电压来选择；当功率开关管导通时，二极管反向截至，流经开关管的电流为电感电流，二极管上的反向电压为输出电压；当功率管关断的时候，二极管正向导通，功率管上的电压为输入电压，流经二极管的电流为电感电流。4.3 DCAC逆变部分选择(1) 全控型开关器件的选择：目前在中等功率的电力电子电路中用到的全控型开关器件主要有MOSFET和IGBT两种。功率MOSFET器件由于开关损耗低，因而能在100kHz以上工作频率领域据主导地位。IGBT则凭其低导通损耗占据50kHz以下的市场。至于50KHz至100kHz频率范围会视乎应用状况而由两者之一来完成。功率MOSFET具有正的温度系数，热稳定性好，多只管子并联应用时有自动均流作用。但是MOSFET反向恢复时间相对较长，当应用于逆变器中，由于输出电感的存在，续流时间长，容易烧坏MOSFET。因此本次设计中选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为主电路的开关器件。IGBT是MOSFET与GTR的复合器件，因此它具有工作速度快、输入阻抗大、驱动电路简单、控制电路简单、工作频率较高、元件容量大等多项优点。在选择IGBT时，主要考虑其电压定额和电流定额的选择。在室温(25)下，每个IGBT开关管最大允许的耗散功率称为IGBT的最大功率，用表示，在实际应用电路中要保证实际功率不能大于这个值。(a)额定电压的选择。考虑电网电压瞬态尖峰、电压波动、开关电流引起电压尖峰等，一般如果稳态时加在IGBT之间的电压最高为，则可选择耐压值。逆变电路的最高直流输入电压为400V，根据分析，选择IGBT的额定电压值为,实际选择额定电压值为1200V。(b)额定电流的选择。在选择时要根据实际电路中最大额定电流、负载的类型、允许过载的程度等因素决定设计参考在带电动机负载的变频器中，一般允许过载50，甚至100，并在此基础上留有一定的余量。在一般电阻性负载的电压变换装置中，若实际电路中电流最大有效值为，则要选IGBT的。还有注意在任何情况下，通过集电极的最大电流必须处在安全工作区的规定范围内。根据设计要求，交流电路的最大输出电流为,则IGBT的峰值电流为，实际选择IGBT的额定电流值为35A。所以逆变电路的开关管选用35A、1200V，模块化封装带续流二极管的IGBT管。(2) 逆变器输出滤波电路设计逆变器输出电压中包含了50Hz正弦波，还包含了开关频率分量及其它谐波。设计的输出滤波器采用型LC滤波器。其设计参数与整流器后接的滤波器参考方法相同。本次设计中开关频率，截止频率正与开关频率五的关系为： (4-6)式中b是滤波器的衰减系数，为滤波器输出电压的比值对数。系统取，则截止频率为：。 (4-7) (4-8)式中为滤波器的特性阻抗，一般取值为,而负载阻抗为结束语 本文主要研