【《直驱式风力发电系统并网逆变器的主电路设计分析案例》2300字】

风力发电机所发出来的三相交流电，经过整流电路变为直流电，再经过boost升压电路将电压升高，并且实现功率因数校正，然后再经过逆变电路转为直流电，再经过滤波电路之后进行并网[3]。本章将通过对风力发电系统总体分析，然后进一步确定主电路的结构拓扑结构，并给出元器件参数设计过程。根据对直驱式风力发电系统的分析，整个风力发电系统主要由主电路和控制系统两大部分组成。其中主电路包括整流电路、升压电路、逆变器和滤波电路几个部分组成。控制系统主要由采样电路、主控制电路、检测电路、保护电路等主要几个部分组成[4]，如图1.1所示,其参数如表1.1所示：图1.1风力发电系统整体结构图Fig1.1Windpowergenerationsystemoverallstructurediagram表1.1风力发电系统参数Table1.1Windpowersystemparameters相关参数参数大小永磁同步发电机输入功率10kW永磁同步发电机输入相电压218.2-461V逆变器输入电压720-880V逆变器输出电压380±10%V逆变器输出频率50Hz开关频率15-16kHz整流电路是将交流电能转化为直流电能的电路，这个过程也叫做整流，整流电路也可以从多个角度进行分类，如图1.2所示：图1.2整流电路分类Fig1.2Rectifiercircuitclassification本设计已知风力发电机所输入的交流电为三相交流电，所以整流电路应为三相桥式整流电路，按组成器件分为以下三种结构，分别如图1.3、图1.4和图1.5所示。图1.3三相桥式不可控整流电路Fig1.3Three-phasebridgetypeuncontrollablerectifiercircuit图1.4三相桥式半控整流电路Fig1.4Three-phasebridgetypesemi-controlrectifiercircuit图1.5三相桥式全控整流电路Fig1.5Three-phasebridgefullcontrolrectifiercircuit三种三相桥式整流电路，其电路结构拓扑一样，只有所用器件不完全一样。晶闸管属于半控型器件，其正常工作不仅产生较大谐波电流，还会吸收无功功率，为了并网谐波含量不能过高，所以需要对系统进行补偿，所以本设计选用没有晶闸管的三相桥式不可控整流电路[6]。由表1.1可知，风力发电机输入的三相线电压的范围为，其峰值为。最大电流风机发出的三相交流电经过三相整流桥得到直流电压脉动较高，所以需要设置合适的电容C来减小电压脉动。在C的选取中，主要考虑以下两点:1、C选择太小，则输出直流电压V的脉动会比较大。2、C选择太大，功率因数下降，电磁干扰(EMI)增大。风力发电机发出的交流电经过整流后，设整流后的直流电压为Udc,波动系数为α，功率为P，则滤波电容C满足以下式：,fr为电网频率，大小为50Hz，P为10kW,UBoost升压斩波电路是一种直流升压电路，它的作用是能将直流输入电压等级提高，并且能够实现功率因数校正[7]，其结构如图1.6所示：图1.6升压斩波电路Fig1.6Boosterchoppercircuit1.3.1电感的选择电感可以依据电流纹波值来设计升压电感的大小，输入最大峰值电流:纹波电流的取值应该尽可能小,所以本设计选取最大电流的20%，而当输入电压取其最小值时，输入电流则取得最大值，此时电流纹波也达到最大值，其开关管IGBT的占空比D也将取最大值:则电感Ton为IGBT导通时间，频率为15kHz，=0.9，则L=20mH。1.3.2IGBT和二极管的选择对于IGBT选择主要根据其导通时电流与关断时承受的最大电压，本设计考虑2倍裕量：根据上式可以求得额定电压和额定电流分别为1200V和100A。1.3.3输出电容的选择输出电容可以滤除高频纹波，还可以在一定程度上缓冲电压波动，其大小为：式中：△V是输出纹波电压，本设计取其为输出电压的0.5%，由上式可得C0=1000uF。逆变器是把直流电转换成交流电的一种电能转换装置。图1.7对逆变器从多种角度进行分类：图1.7逆变器分类Fig1.7Inverterclassification图1.8三相电压型桥式逆变电路Fig1.8Three-phasevoltagetypebridgeinvertercircuit综合考虑电压波动、裕量大小及元器件性价比等因素，本设计选择三菱公司的内置6个IGBT开关管的PM75RSE120模块来实现三相逆变电路。一般的L型滤波器难以满足电网并网要求的低谐波量。如果增大其电感值，将会带来成本大量增加、稳态性能降低，所以本设计选用带有阻尼电阻LCL型滤波电路，合适的LCL参数可以有效减少高次谐波分量，其结构如图1.9所示。图1.9LCL滤波电路结构图Fig1.9LCLfiltercircuitstructurediagram其具体设计步骤如下:电容的选取主要考虑逆变器产生的无功功率和电感大小，这里电容产生的无功功率为15%的额定功率[10]。电流纹波决定逆变器侧电感值L1的最小值，本文取额定电流的20%为电流纹波，则电感L1与电流纹波△i的关系式为：式中，fs为开关频率，通过以上式子，L1取值3.3mH符合要求。在低频时，滤波电容的影响很小，本设计将其忽略不计。然后将L1和L2看出一个整体:L=L1+L2。一般电感L2=kL1，k为一个系统在0~1之间。k值越小对高次谐波衰减性能越低，但k值越大，引起的功耗也越大，所以k值不能太大也不能太小，本文k取值为0.5，则L2=1.65mH。滤波器谐振频率：滤波器谐振频率范围为：10fgridfrfc(fgrid为电网频率，fc为开关频率)，通过代入C、L1和L2的值，满足以上范围。阻尼电阻R取值通常是谐振频率时容抗的1/3，则图1.10为风力并网逆变器主电路,系统主电路分为整流滤波电路、升