基于Buck ZVS－QRC的小型风力发电控制器研究

2013-06-19彭家勇马瑞卿皇甫宜耿

微特电机 2013年3期

彭家勇，马瑞卿，皇甫宜耿

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引言

目前，小型(一般为小于2 kW的离网型)风力发电系统以无污染、投资周期短、占地少［1］等特点，在农牧民定居点、边防哨所、通信基站、高速公路路灯系统中有所运用，并且产生了良好的经济效益和社会效益［2］。因此小型风力发电系统控制器的研究具有重要意义。

一般，小型风力发电控制器的主电路采用Buck、Boost、Buck － Boost三种，尤其是 Buck 电路使用最多。基于Buck电路的传统小型风力发电系统控制器虽然结构简单，却具有如下缺点:适用功率范围小，一般在1 kW以下;电路中存在杂散电感，使得MOSFET管(以下简称MOS管)漏源极之间存在电压尖峰，从而极易造成MOS管损坏［3］;控制器控制输出的蓄电池充电电流大，可能会影响蓄电池使用寿命。为此，作者设计了一种基于Buck零电压全波准谐振变换器(事实上分为M型和L型，其工作原理是相同的，作者采用的是M型，以下将不予区分，简称Buck ZVS－QRC)的小型风力发电系统控制器。该控制器输出电流平稳，MOS管漏源极电压尖峰减小，输出额定功率为1.5 kW，能很好地克服以上缺点。另外，作为采用Buck ZVS－QRC为主电路的控制器与同类产品相比，还具有体积更小、变换效率更高、成本更低等特点。

1 控制系统结构与原理

1.1 系统组成

1.5 kW风力发电控制系统主要由水平轴风力机、永磁同步发电机、电磁制动器、储能部件VRLA

(免维护密封阀控铅酸蓄电池)、LCD人机界面、用电负载及控制器等主要部件组成，如图1所示。

图1 水平轴风力发电控制系统组成框图

1.2 控制器组成

控制器主要功能是对风力机带动永磁同步发电机所转换到的电能进行实时电源变换，对蓄电池充、放电过程进行监督控制，对风力发电机切出风速后进行刹车与制动，对负载用电参数超限，LCD显示等辅助功能进行管理和保护。控制器结构框图如图2所示。

图2 风力发电系统控制器组成框图

由图2可见，1.5 kW风力发电系统控制器并未采用以变压器为隔离元件的隔离电路，这是该控制器体积减小、成本降低的重要原因。

该风力发电系统控制器的工作过程是:发电机三相输出信号R、S、T经过三相全桥整流后获得六个波头的“馒头”波，经电解电容器滤波后产生比较平直的直流电压，再经过Buck ZVS－QRC变换后，生成与蓄电池48 V端电压相匹配的直流低压，实现给蓄电池充电。

控制核心采用了由TMS320F28035构成的DSP最小系统，并通过电流/电压传感器、温度传感器、电压互感器等，实现对图2中的Buck ZVS－QRC、铅酸蓄电池(储能部件VRLA)、LCD数字显示、键盘和用电负载进行综合管理与控制。

2 Buck ZVS－QRC原理

控制器的主电路Buck ZVS－QRC是在普通的Buck电路基础上利用谐振原理形成的，其结构如图3所示。

图3 Buck全桥式M型准谐振变换器

图中，C1、C2为大容值输入、输出滤波电容;Q为开关管MOS管;Cr为谐振电容(包括开关管的结电容);Lr为谐振电感(包括电路中的杂散电感和变压器漏感);D1为普通二极管，其作用是使开关管电流只能单向流动，并且为Q承受反向电压;L和D2为电路储能电感和续流二极管;E为负载蓄电池。

需要说明的是，图3中的开关管、二极管均采用了多管并联技术，可使得每个管子所承受的电压和流过的电流变小，从而降低每个管子的功耗。这是使得整个控制器的功率等级得以提高的原因之一。

该电路的基本工作思想是:Q为通态时，Cr上的电压为零;当Q关断时，Cr限制了Q两端电压的上升率，从而实现Q零电压关断;当Q开通时，Cr、Lr谐振工作使Cr的电压回到零，从而实现Q零电压开通。为分析其具体工作过程，假定［4］:

(1)电路中的各元件是理想元件;

(2)电感L和电容C2足够大，那么电感L的输出电流基本保持不变，记为Io。这样L、C2、蓄电池可以看成一个电流Io的电流源。

图4为Buck ZVS－QRC一个工作周期内重要器件波形。

图4 Buck ZVS－QRC波形

t0～t1阶段:在 t0时刻前，Q为通态，D2为断态，Cr两端电压uCr=0，流过 Lr的电流iLr=iL=Io。在t0时刻，Q关断，流过Q的输入电流Ii转移到Cr中，Cr开始充电，uCr线性增加，即限制了Q的端电压，从而实现了Q的零电压关断，减少了关断损耗。之后，Lr+L持续给Cr充电，当 t=t1时刻，uCr=Ui时，D2导通。这个阶段，Cr电压、Lr电流方程:

当 t=t1时，uCr=Ui，则

t1～t2阶段:从 t1时刻起，D2开始导通，Cr、Lr一起谐振工作，Cr端电压uCr按谐振规律变化，经一正一负谐振峰值后到达uCr=0。这个过程中uCr、iCr的表达式:

当t=t2时，uCr=0，则

t2～t3阶段:初始时，uCr=0，若此时开通 Q，则实现Q的零电压开通，但也可能此时Q已经开通。尽管如此，开通损耗也相比普通电路大为减少。之后，电路运行于Q和D2都开通的情形，接着iLr线性增加直至使D2关断。有关方程:

当 t=t3时，iLr=Io，则:

t3～t4阶段:在此阶段中，谐振电容Cr、谐振电感Lr停止工作。电路进入Q开通、D2关断的状态。在这阶段有:

3 实验验证与分析

本文阐述了控制器变换效率和功率等级都得以提升的原因之一是采用软开关电路，而MOS管的漏源极电压和驱动电压可以间接反映是否采用软开关及效果如何，所以须测量;另一方面，蓄电池充电电流有无尖峰可能会影响蓄电池使用寿命，其大小又能反映功率等级(额定功率1.5 kW，蓄电池端电压48 V，则额定充电电流是30 A)，自然需要检测。

在基于普通Buck电路的风力发电控制器中，一般其输出的蓄电池的充电电流尖峰较大，可能会影响蓄电池使用寿命。而且MOS管驱动电压波形变形，漏源极电压也有明显有尖峰和振荡，而这易造成MOS管开关损耗大或损坏。而图5～图8所显示的是基于Buck ZVS－QRC的控制器原理样机实验波形，很明显，波形得到了很大改善。

图5显示的是PWM占空比为50%时，MOS管的驱动电压波形，其并未有显著的变形。

图6显示的是MOS管漏源极电压波形。由图6可知，电压波形振荡很小，尖峰也很小，可以接受。其与图5中的MOS管驱动电压波形几乎互补，使得开关损耗减小，进而能够减小控制器损耗、提高控制器变换效率和功率等级。Buck ZVS－QRC变换器的缺点在此有所表现，即MOS管漏源极电压幅值比在Buck中时要大。不过，这可通过选取漏源极耐压值更高的MOS管解决。

图7中的波形为一个PWM波周期内的蓄电池充电电流波形。由图7可知，波形无尖峰，电流平均值是31 A，最大值为35 A，即已达额定电流30 A、额定输出功率1.5 kW。所以，控制器具有输出电流能力较强、功率等级较高的特点。另外，此时控制器的效率为90%，因此，效率得以相对较高。

图8中的波形为450 ms时间内的蓄电池充电电流波形，电流平均值是22 A。显然，在所考察的时间范围内，电流波形由于风能的不稳定性造成一定起伏，实属正常，不会影响蓄电池寿命。综上，控制器在较长时间内也没有尖峰，满足电流平稳设计要求。