近年來，隨著經濟和社會的迅速發(fā)展，我國的能源供需缺口不斷擴大，能源供應緊張。不僅如此，我國面臨能源和環(huán)境的雙重巨大壓力，保持清潔、經濟、充足、安全的能源供應是我國經濟發(fā)展長期需要面對的重要問題。取之不盡的清潔能源是根本解決我國能源問題的主要途徑之一。目前風能、太陽能、生物能的部分技術已逐漸成熟，有望成為解決我國能源缺口和環(huán)境污染的重要途徑

　　鑒予這種情況，對用于風力發(fā)電的逆變電源的研究有很大的現實意義。逆變電源也是一種產生交流電的裝置，具有以下優(yōu)點；變頻，逆變電源能將市電轉換為用戶所需頻率的交流電；變相，逆變電源能將單相交流電轉換成三相交流電，也能將三相交流電轉換成單相交流電；逆變電源能將直流電轉換成交流電；逆變電源能將低質量的市電轉換成高質量的穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電。也正由于這些特點逆變電源將取代旋轉型變流機組。

　　1 系統(tǒng)硬件

　　用于風力發(fā)電的逆變電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由主電路和控制電路兩部分組成。其中，控制電路以DSP為核心，驅動電路、保護屯路、通信顯示電路以及采樣反饋等電路均為控制電路的外圍電路。

　　2 電路的設計

　　風力發(fā)電逆變電源的主電路圖如圖2所示，主要包括整流濾波部分、逆變吸收部分、變壓器及濾波電路等，其中逆變吸收部分是整個主電路的核心。本文采用的逆變器為單相全橋逆變電路，當輸出交流側接阻感負載時需要提供無功功率，因此在每個IGBT的集電極與發(fā)射極間并聯(lián)了快恢復二極管，以便為無功功率提供通道，為了防止逆變器因死區(qū)時間不合適造成上下橋臂直通短路、輸出負載端短路或者變壓器嚴重偏磁飽和時導致的初級組過流等現象，需在逆變橋前串一個熔斷器，以起保護作用。整流濾波部分主要給逆變橋提供無波紋的直流輸入電壓。吸收電路主要用于吸收因直流母線分布電感的存在，導致的開關管關斷時產生的尖峰電壓。變壓器主要用于電氣隔離或變壓。

　　主電路的工作原理如下

　　(1)假設Q1，Q4先導通，則吸收電路中C3，C6上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向為上正下負；由于Q1，Q4導通時管壓降近似為零，故二極管 D5，D8上的電壓也為逆變器的輸入端電壓Ud，但方向為上負下正。Q2，Q3上的電壓為逆變器的輸入端電壓Ud，方向為上正下負，二極管D6，D7上的電壓為零。

    (2)當Q1，Q4關斷時，由于直流母線分布電感的存在，使得IGBT在關斷過程中產生很大的尖峰電壓；當Q1，Q4上的電壓超過Ud時，尖峰電壓會分別通過C3，R3和C6，R2放電，尖峰電壓全部耗在電阻上，待吸收電路放電結束后，Q1，Q4完全關斷。此時，Q2，Q3還沒開通，Q1～Q4上的電壓為 Ud／2。此時C3，C4，C5，C6上的電壓為Ud，方向為上正下負，二極管D5～D8上的電壓為Ud／2，方向為上負下正。

　　(3)當Q1，Q4關斷后，若仍未開通Q2，Q3，則電流會經Q2和Q3的集電極與發(fā)射極并聯(lián)的二極管續(xù)流，Q1，Q4上的電壓為Ud；Q2，Q3上的電壓為零。C3～C6上的電壓為Ud，方向為上正下負；二極管D5，D6上的電壓為零；二極管D6，D7上的電壓為Ud，方向為上負下正。

　　(4)二極管續(xù)流直到電流減小為零時，可開通Q2，Q3，吸收電路中各處電壓不變。

　　3 控制電路的設計

　　3．1 主控芯片選擇

　　該設計采用DSP對逆變電源PWM波部分、死區(qū)部分、電壓有效值外環(huán)及電容電流瞬時值最內環(huán)實現全數字化。電壓瞬時值內環(huán)及電容電流瞬時值最內環(huán)要求對逆變電源實現實時控制。并且本文所用的開關頻率較高，所以對DSP的主頻要求也較高，并且要求DSP具有方便快捷的事件管理模塊，于是本文選用TI公司的TMS320LF2407A DSP處理器作為主控芯片。TMS320LF2407A有以下特點；改進的哈佛結構；靈活的指令系統(tǒng)；高速運算能力；大容量存儲能力；有效的性價比。主要的應用領域包括：工業(yè)電機驅動、逆變電源、功率轉換器和控制器、汽車系統(tǒng)、儀表和壓縮機電機控制、機器人和計算機數字控制機械。

　　TMS320LF2407A具有2個事件管理器，32位中央算數邏輯單元，32位累加器，16位×16位乘法器，3個比例移位器，間接尋址用的8個16 b輔助寄存器和輔助算數單元，4級流水線操作，8級硬件操作，6個可屏蔽中斷，544 word的片內DARAM和2 KB的片內SARAM，32 KB的片內FLASH程序存儲器，64 KB程序存儲空間，35．5 KB的數據存儲空間；I／O空間64 KB。此外，還有功能強大的外設、串行通信接口SCI、串行外圍皆空SPI、CAN總線控制器、事件管理器EV和A／D轉換器、看門狗WDT。

　3．2 驅動電路

　  對于IGBT來說，只要驅動電路在柵極和發(fā)射極間提供正偏電壓，IGBT就會導通。當+VGE增加時，開通時間和通態(tài)壓降減小，這有利于減小通態(tài)損耗和開通損耗，但并不意味著+VGE越大越好。

　　當負載短路時，短路電流將隨著+VGE的增大而增大，并使IGBT承受短路電流的時間變短，因此+VGE的取值要適當，通常推薦使用+15 V。為了保證IGBT承受短路電流的時間變短，也為了保證IGBT在C，E間出現dv／dt噪聲時能可靠關斷，必須在柵極與發(fā)射極關斷時施加一個負偏壓 -VGE。采用負偏壓還可以減小關斷損耗。負偏壓-VGE一般取-5 V左右為宜。另外，為了使IGBT工作在理想狀態(tài)下，選擇合適的驅動電路尤為重要。

　　3．3 保護電路的設

　　保護電路是傈證電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全工作的關鍵。根據實際需要，設計了許多保護電路，使得本逆變電源能更好地完成任務，并提高電源的安全性和可靠性。系統(tǒng)設計了過流保護、欠壓保護、溫度保護，以及輸出過壓保護反饋，一旦出現上述任意異常狀況，首先通過硬件保護電路迅速封鎖DSP的PWM輸出信號，同時，引起DSP功率驅動保護中斷輸入引腳上的電平跳變，程序執(zhí)行相應中斷，并進一步在軟件中斷程序中封鎖所有的驅動信號。系統(tǒng)中設定過載／過流保護和短路保護為不可自恢復的保護，即一旦發(fā)生過載、過流或者短路現象，系統(tǒng)將自動關閉，無輸出，直到人為的重新啟動開關為止。系統(tǒng)中設定的過熱保護、欠壓保護、過壓保護為可自恢復的保護，即一旦發(fā)生故障，只要恢復正常的工作條件系統(tǒng)就可以自動正常運行。

　　4 軟件設計

　　通過對DSP編程來控制整個系統(tǒng)工作。通過系統(tǒng)初始化子程序對各個參數、寄存器等進行設定。對主電路的控制，逆變輸出50 Hz交流電。編程采用順序結構，使調用子程序方便。在整個工作過程中，能隨時對電流、電壓進行測量比較，一旦出現欠壓、過流等故障，將及時報警，并通過子程序顯示在LED屏上。主程序及中斷子程序如圖4、圖5所示。

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　　5 結語

    考慮到該逆變電源的工作要求，本文在設計的過程中加入了卸荷接口及蓄能部分，使其能很好地應對隨時變化的風力。經過多次試驗測試表明，該電源能具有較高的穩(wěn)定度，通過選擇不同的功率，既可以用于輸出大功率的發(fā)電站，也可以用于普通用戶。