彭家勇，馬瑞卿，皇甫宜耿

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0 引 言

目前，小型(一般為小于2 kW的離網(wǎng)型)風力發(fā)電系統(tǒng)以無污染、投資周期短、占地少［1］等特點，在農(nóng)牧民定居點、邊防哨所、通信基站、高速公路路燈系統(tǒng)中有所運用，并且產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益和社會效益［2］。因此小型風力發(fā)電系統(tǒng)控制器的研究具有重要意義。

一般，小型風力發(fā)電控制器的主電路采用Buck、Boost、Buck － Boost三種，尤其是 Buck 電路使用最多?；贐uck電路的傳統(tǒng)小型風力發(fā)電系統(tǒng)控制器雖然結(jié)構(gòu)簡單，卻具有如下缺點:適用功率范圍小，一般在1 kW以下;電路中存在雜散電感，使得MOSFET管(以下簡稱MOS管)漏源極之間存在電壓尖峰，從而極易造成MOS管損壞［3］;控制器控制輸出的蓄電池充電電流大，可能會影響蓄電池使用壽命。為此，作者設計了一種基于Buck零電壓全波準諧振變換器(事實上分為M型和L型，其工作原理是相同的，作者采用的是M型，以下將不予區(qū)分，簡稱Buck ZVS－QRC)的小型風力發(fā)電系統(tǒng)控制器。該控制器輸出電流平穩(wěn)，MOS管漏源極電壓尖峰減小，輸出額定功率為1.5 kW，能很好地克服以上缺點。另外，作為采用Buck ZVS－QRC為主電路的控制器與同類產(chǎn)品相比，還具有體積更小、變換效率更高、成本更低等特點。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)組成

1.5 kW風力發(fā)電控制系統(tǒng)主要由水平軸風力機、永磁同步發(fā)電機、電磁制動器、儲能部件VRLA

(免維護密封閥控鉛酸蓄電池)、LCD人機界面、用電負載及控制器等主要部件組成，如圖1所示。

圖1 水平軸風力發(fā)電控制系統(tǒng)組成框圖

1.2 控制器組成

控制器主要功能是對風力機帶動永磁同步發(fā)電機所轉(zhuǎn)換到的電能進行實時電源變換，對蓄電池充、放電過程進行監(jiān)督控制，對風力發(fā)電機切出風速后進行剎車與制動，對負載用電參數(shù)超限，LCD顯示等輔助功能進行管理和保護?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 風力發(fā)電系統(tǒng)控制器組成框圖

由圖2可見，1.5 kW風力發(fā)電系統(tǒng)控制器并未采用以變壓器為隔離元件的隔離電路，這是該控制器體積減小、成本降低的重要原因。

該風力發(fā)電系統(tǒng)控制器的工作過程是:發(fā)電機三相輸出信號R、S、T經(jīng)過三相全橋整流后獲得六個波頭的“饅頭”波，經(jīng)電解電容器濾波后產(chǎn)生比較平直的直流電壓，再經(jīng)過Buck ZVS－QRC變換后，生成與蓄電池48 V端電壓相匹配的直流低壓，實現(xiàn)給蓄電池充電。

控制核心采用了由TMS320F28035構(gòu)成的DSP最小系統(tǒng)，并通過電流/電壓傳感器、溫度傳感器、電壓互感器等，實現(xiàn)對圖2中的Buck ZVS－QRC、鉛酸蓄電池(儲能部件VRLA)、LCD數(shù)字顯示、鍵盤和用電負載進行綜合管理與控制。

2 Buck ZVS－QRC原理

控制器的主電路Buck ZVS－QRC是在普通的Buck電路基礎上利用諧振原理形成的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Buck全橋式M型準諧振變換器

圖中，C1、C2為大容值輸入、輸出濾波電容;Q為開關(guān)管MOS管;Cr為諧振電容(包括開關(guān)管的結(jié)電容);Lr為諧振電感(包括電路中的雜散電感和變壓器漏感);D1為普通二極管，其作用是使開關(guān)管電流只能單向流動，并且為Q承受反向電壓;L和D2為電路儲能電感和續(xù)流二極管;E為負載蓄電池。

需要說明的是，圖3中的開關(guān)管、二極管均采用了多管并聯(lián)技術(shù)，可使得每個管子所承受的電壓和流過的電流變小，從而降低每個管子的功耗。這是使得整個控制器的功率等級得以提高的原因之一。

該電路的基本工作思想是:Q為通態(tài)時，Cr上的電壓為零;當Q關(guān)斷時，Cr限制了Q兩端電壓的上升率，從而實現(xiàn)Q零電壓關(guān)斷;當Q開通時，Cr、Lr諧振工作使Cr的電壓回到零，從而實現(xiàn)Q零電壓開通。為分析其具體工作過程，假定［4］:

(1)電路中的各元件是理想元件;

(2)電感L和電容C2足夠大，那么電感L的輸出電流基本保持不變，記為Io。這樣L、C2、蓄電池可以看成一個電流Io的電流源。

圖4為Buck ZVS－QRC一個工作周期內(nèi)重要器件波形。

圖4 Buck ZVS－QRC波形

t0～t1階段:在 t0時刻前，Q為通態(tài)，D2為斷態(tài)，Cr兩端電壓uCr=0，流過 Lr的電流iLr=iL=Io。在t0時刻，Q關(guān)斷，流過Q的輸入電流Ii轉(zhuǎn)移到Cr中，Cr開始充電，uCr線性增加，即限制了Q的端電壓，從而實現(xiàn)了Q的零電壓關(guān)斷，減少了關(guān)斷損耗。之后，Lr+L持續(xù)給Cr充電，當 t=t1時刻，uCr=Ui時，D2導通。這個階段，Cr電壓、Lr電流方程:

當 t=t1時，uCr=Ui，則

t1～t2階段:從 t1時刻起，D2開始導通，Cr、Lr一起諧振工作，Cr端電壓uCr按諧振規(guī)律變化，經(jīng)一正一負諧振峰值后到達uCr=0。這個過程中uCr、iCr的表達式:

當t=t2時，uCr=0，則

t2～t3階段:初始時，uCr=0，若此時開通 Q，則實現(xiàn)Q的零電壓開通，但也可能此時Q已經(jīng)開通。盡管如此，開通損耗也相比普通電路大為減少。之后，電路運行于Q和D2都開通的情形，接著iLr線性增加直至使D2關(guān)斷。有關(guān)方程:

當 t=t3時，iLr=Io，則:

t3～t4階段:在此階段中，諧振電容Cr、諧振電感Lr停止工作。電路進入Q開通、D2關(guān)斷的狀態(tài)。在這階段有:

3 實驗驗證與分析

本文闡述了控制器變換效率和功率等級都得以提升的原因之一是采用軟開關(guān)電路，而MOS管的漏源極電壓和驅(qū)動電壓可以間接反映是否采用軟開關(guān)及效果如何，所以須測量;另一方面，蓄電池充電電流有無尖峰可能會影響蓄電池使用壽命，其大小又能反映功率等級(額定功率1.5 kW，蓄電池端電壓48 V，則額定充電電流是30 A)，自然需要檢測。

在基于普通Buck電路的風力發(fā)電控制器中，一般其輸出的蓄電池的充電電流尖峰較大，可能會影響蓄電池使用壽命。而且MOS管驅(qū)動電壓波形變形，漏源極電壓也有明顯有尖峰和振蕩，而這易造成MOS管開關(guān)損耗大或損壞。而圖5～圖8所顯示的是基于Buck ZVS－QRC的控制器原理樣機實驗波形，很明顯，波形得到了很大改善。

圖5顯示的是PWM占空比為50%時，MOS管的驅(qū)動電壓波形，其并未有顯著的變形。

圖6顯示的是MOS管漏源極電壓波形。由圖6可知，電壓波形振蕩很小，尖峰也很小，可以接受。其與圖5中的MOS管驅(qū)動電壓波形幾乎互補，使得開關(guān)損耗減小，進而能夠減小控制器損耗、提高控制器變換效率和功率等級。Buck ZVS－QRC變換器的缺點在此有所表現(xiàn)，即MOS管漏源極電壓幅值比在Buck中時要大。不過，這可通過選取漏源極耐壓值更高的MOS管解決。

圖7中的波形為一個PWM波周期內(nèi)的蓄電池充電電流波形。由圖7可知，波形無尖峰，電流平均值是31 A，最大值為35 A，即已達額定電流30 A、額定輸出功率1.5 kW。所以，控制器具有輸出電流能力較強、功率等級較高的特點。另外，此時控制器的效率為90%，因此，效率得以相對較高。

圖8中的波形為450 ms時間內(nèi)的蓄電池充電電流波形，電流平均值是22 A。顯然，在所考察的時間范圍內(nèi)，電流波形由于風能的不穩(wěn)定性造成一定起伏，實屬正常，不會影響蓄電池壽命。綜上，控制器在較長時間內(nèi)也沒有尖峰，滿足電流平穩(wěn)設計要求。

4 結(jié) 語

本文設計了一種采用軟開關(guān)型Buck ZVSQRC變換器來替代常規(guī)Buck電路作為小型風力發(fā)電控制器的方法。控制器性能優(yōu)異，在不使用隔離變壓器的條件下，可將常用Buck電路控制器功率等級由最大功率1 kW提高到1.5 kW以上，輸出電流平穩(wěn)，并且控制器體積更小、成本更低、變換效率更高。

［1］陳鳴，楊剛.風力發(fā)電技術(shù)及其趨勢［J］.電力學報，2008，23(4):273－275.

［2］崔嘯鳴.小型風光互補發(fā)電系統(tǒng)集成控制［D］.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2009.

［3］楊世彥，韓明武，孔治國.大功率BUCK變換器電壓電流尖峰的分析及抑制措施［J］.電子器件，2004，27(2):257 －260.

［4］阮新波，嚴仰光.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)［M］.北京:科學出版社，2000.