內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，屬于電力電子技術(shù)和新能源【技術(shù)領(lǐng)域】，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)非工頻整流電路；一個(gè)具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路、一個(gè)負(fù)載端低通濾波器、一個(gè)為蓄電池充電的電流反饋降壓型斬波電路；其中，具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路又包括：一個(gè)具有升壓功能的直流斬波級(jí)、一個(gè)由電感和電容構(gòu)成的阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)、一個(gè)由單向全控型電力電子器件構(gòu)成的逆變電路。本發(fā)明適合于電阻、電容、電感等任何負(fù)載；在最大負(fù)載到空載范圍內(nèi)均可工作；可靠性、抗電磁干擾性能等方面符合船舶電磁環(huán)境的要求。
【專利說(shuō)明】 內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的配套設(shè)備，具體地說(shuō)是一種內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，該變換器特別適合于在內(nèi)河船舶中的1000W10000W范圍的中小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中使用。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)河船舶采用小型風(fēng)力發(fā)電作為輔助電源，特別是在停泊狀態(tài)，是一種節(jié)能、環(huán)保的有效措施。現(xiàn)在有一些內(nèi)河船舶安裝了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。作為其核心部件的電能變換器一般都采用通用的離網(wǎng)式小型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)品，并沒(méi)有考慮船舶上的電氣負(fù)載的諸多特殊點(diǎn)。就船舶用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的負(fù)載而言，有以下特殊之處:(1)負(fù)載性質(zhì)多變，電感性、電容性、純電阻性均有可能運(yùn)行。(2)負(fù)載變化較大，有可能滿載甚至過(guò)載，也有可能負(fù)載極輕甚至空載。(3)內(nèi)河船舶的空間局促，電磁干擾很強(qiáng)烈。(4)由于船舶行駛和停泊的關(guān)系，風(fēng)力和風(fēng)向變化很大而且頻繁，可能造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓有大的波動(dòng)，變換器必須具有特殊的適應(yīng)能力。一般通用小型風(fēng)力發(fā)電變換器是難以很好地應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題的。本發(fā)明針對(duì)上述特殊要求，開(kāi)發(fā)一種適合于在內(nèi)河船舶供電系統(tǒng)中使用，并能夠兼顧其他工作環(huán)境的離網(wǎng)式小型風(fēng)力發(fā)電變換裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的技術(shù)任務(wù)是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器。
[0004]風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的頻率、幅值均變化的交流電壓經(jīng)非工頻整流器整流后成為幅度隨風(fēng)力變化的直流電壓。該能量的走向可以為后級(jí)電路提供能源經(jīng)各級(jí)變換后為負(fù)載供電；也可以經(jīng)過(guò)充電器為蓄電池供電。
[0005]負(fù)載獲得的工頻交流電能由無(wú)死區(qū)逆變電路提供；逆變電路由直流升壓電路供給直流能量；而直流升壓電路獲取能量的途徑有二:其一是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)非工頻整流器輸出提供；另一途徑是在無(wú)風(fēng)或風(fēng)力過(guò)小時(shí)由蓄電池供給。兩者的選擇靠圖1中二極管Da和Db的連接自動(dòng)完成，即上述2個(gè)能量源中輸出電壓較高者向后級(jí)電路提供能量。
[0006]非工頻整流輸出的另一用途是為蓄電池充電，在非工頻整流電壓高于蓄電池電壓時(shí)，可以通過(guò)充電電路為蓄電池供應(yīng)穩(wěn)定的充電電流。
[0007]為了使負(fù)載得到規(guī)范的50Hz正弦波電壓，并且對(duì)于電感性、電容性和純電阻性任何負(fù)載都能夠可靠用電，在逆變器輸出與負(fù)載之間接有LC濾波器。
[0008]整個(gè)強(qiáng)電系統(tǒng)靠控制電路控制，控制電路的輸入信號(hào)為:1)來(lái)自負(fù)載端的反饋信息，為直流電壓信號(hào)，其值正比于輸出正弦電壓的有效值。2)蓄電池電壓檢測(cè)信號(hào)，為直流電壓信號(hào)，其值正比于蓄電池電壓，該信號(hào)作為決定蓄電池充電與否的依據(jù)。3)非工頻整流的輸出電壓信號(hào)，正比于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓，在一定程度上能夠反映風(fēng)力的大小。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，它包
括:
一個(gè)非工頻整流電路；
一個(gè)具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路；
一個(gè)負(fù)載端低通濾波器；
一個(gè)為蓄電池充電的電流反饋降壓型斬波電路。
[0010]所述非工頻整流電路包括二極管Drf Dr4和電容Cr，二極管Drl的正極與二極管Dr3的負(fù)極相連接并一起接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其中一輸出端，二極管Dr2的正極與二極管Dr4的負(fù)極相連接并一起接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的另一輸出端，二極管Drl和二極管Dr2的負(fù)極分別接Uin+端，二極管Dr3和二極管Dr4的正極分別接Uin-端和接地線，電容Cr串聯(lián)在Uin+端和Uin-端之間。該電路適合于對(duì)IOHf 1000Hz的交流電進(jìn)行整流，輸入交流電壓可以是正弦波，也可以是非正弦波。所采用的整流元件具有高于工頻的頻率特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓的基波頻率在20Hz?300Hz范圍變化，電壓有效值在50疒300V之間變化。該電壓進(jìn)入本變換器后，首先被由Drf Dr4和Cr組成的非工頻整流電路整流、濾波形成直流電，輸出到圖2中的Uin+和Uin-端。為后級(jí)電路供電。
[0011]所述具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路又包括:
一個(gè)具有升壓功能的直流斬波級(jí)；
一個(gè)由電感和電容構(gòu)成的阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)；
一個(gè)由單向全控型電力電子器件構(gòu)成的逆變電路。
[0012]所述直流斬波級(jí)包括電感LO、功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO、二極管D0、電容CO，所述電感LO一端接Uin+端，一端接二極管DO的正極，功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO的漏極(a0節(jié)點(diǎn))接極管DO的正極，功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO的源極(b0節(jié)點(diǎn))接Uin-端，電容CO接在二極管DO的負(fù)極和Uin-端之間。該直流升壓級(jí)為直流Boost電路，其輸入端連接在非工頻電路的輸出端，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流輸出電壓低于要求值時(shí)，可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出整流電壓進(jìn)行升壓，升壓幅度實(shí)際運(yùn)用中能夠達(dá)到輸入電壓的3倍。保持逆變級(jí)直流母線電壓在負(fù)載電壓振幅值以上。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流輸出電壓高于要求值，直流升壓級(jí)停止工作，逆變級(jí)直流母線電壓即為風(fēng)力發(fā)電機(jī)整流輸出電壓。輸入電源電壓的正端Uin+，負(fù)端Uin-分別接在升壓直流斬波電路的輸入兩端。在其作用下，a0、b0兩端可以得到高于Uin+、Uin-的直流電壓，調(diào)節(jié)VTO的占空比可以得到所需的直流電壓值。D0UC01和RO構(gòu)成RCD保護(hù)電路，對(duì)VTO和DO進(jìn)行保護(hù)。VTO和DO的電壓應(yīng)力不大于a0、b0之間的電壓。
[0013]所述阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)包括兩個(gè)對(duì)稱的電感L1、電感L2和兩個(gè)對(duì)稱電容Cl、電容C2，所述電感LI接于節(jié)點(diǎn)al和節(jié)點(diǎn)a2之間，電感L2接于節(jié)點(diǎn)b I和節(jié)點(diǎn)b 2之間，電容Cl接于節(jié)點(diǎn)al和節(jié)點(diǎn)b 2之間，電容C2接于節(jié)點(diǎn)a2和節(jié)點(diǎn)b I之間，所述節(jié)點(diǎn)al與二極管Da的負(fù)極相連接，二極管Da的正極接二極管DO的負(fù)極，節(jié)點(diǎn)bl接Uin-端。其作用是，保證a0、b0端，al、bl端電壓不會(huì)出現(xiàn)突跳；同時(shí)保證a0、b0、al、bl這4個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流不會(huì)出現(xiàn)突跳。因此在橋臂出現(xiàn)瞬間短路和瞬間開(kāi)路時(shí)，均不會(huì)出現(xiàn)短路和開(kāi)路的現(xiàn)象。該電路部分區(qū)別于一般阻抗源變換器之點(diǎn)在于，由于電路工作時(shí)不設(shè)置直通零矢量，出現(xiàn)的瞬間短路和瞬間開(kāi)路均由干擾引起，持續(xù)時(shí)間很短，達(dá)不到us數(shù)量級(jí)。所以L1、L2、C1、C2的數(shù)值都非常小，經(jīng)計(jì)算，對(duì)于輸出功率為1000W的電路，電容只需幾μ F，電感只需幾μ H?？梢源蟠罂s小體積和重量。
[0014]所述逆變電路，其結(jié)構(gòu)包括場(chǎng)效應(yīng)管VT1-VT4和續(xù)流二極管D1-D4，構(gòu)成逆變橋，由于前級(jí)的升壓型直流斬波的作用，可以保持a2、b2兩端的電壓穩(wěn)定在所要求的數(shù)值，無(wú)需像阻抗源電路那樣，由于直通零矢量的作用，占用了一個(gè)斬波周期的一定的時(shí)間段，從而影響了最大調(diào)制度的調(diào)節(jié)，進(jìn)而又迫使進(jìn)一步增加直通零矢量的時(shí)間，最終導(dǎo)致直流母線a2、b2兩端的電壓很高，導(dǎo)致增加橋臂器件的電壓應(yīng)力。續(xù)流二極管DfD4在感性和電容性負(fù)載時(shí)輸出電壓和輸出電流的方向矛盾時(shí)，為負(fù)載電流提供通路。場(chǎng)效應(yīng)管VTl的漏極與場(chǎng)效應(yīng)管VT2的漏極相連接并一起接節(jié)點(diǎn)a2，場(chǎng)效應(yīng)管VTl的源極接場(chǎng)效應(yīng)管VT4的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管VT2的源極接場(chǎng)效應(yīng)管VT3的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管VT3的源極與場(chǎng)效應(yīng)管VT4的源極相連接并一起接節(jié)點(diǎn)b2，續(xù)流二極管D1-D4分別接在場(chǎng)效應(yīng)管VT1-VT4的漏極和源極之間且續(xù)流二極管的負(fù)極均與場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連接。用于阻抗網(wǎng)絡(luò)的存在，同側(cè)橋臂允許短時(shí)間的瞬間短路和瞬間開(kāi)路，不需要設(shè)置防止共態(tài)導(dǎo)通和共態(tài)關(guān)斷的死區(qū)，也無(wú)需設(shè)置RCD吸收網(wǎng)絡(luò)。逆變電路工作在SPWM模式，可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，只要直流母線的電壓不低于負(fù)載電壓振幅值，就可以為負(fù)載提供頻率、振幅均穩(wěn)定的正弦交流電。而由于直流升壓級(jí)的存在，直流母線的電壓不會(huì)低于負(fù)載電壓的振幅值。
[0015]負(fù)載端低通濾波器包括電感L31、L32和電容C31，電感L31接在場(chǎng)效應(yīng)管VTl的源極和U0+之間，電感L32接在場(chǎng)效應(yīng)管VT2的源極和U0-之間，電容C31串聯(lián)在Utj+和U0-之間?？紤]到電路的對(duì)稱性，電感電容組成對(duì)稱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得負(fù)載的任何一端在任何時(shí)刻都不會(huì)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地端直接連接。
[0016]所述電流反饋降壓型斬波電路包括場(chǎng)效應(yīng)管VT5、電感L5、二極管D51、D52，所述場(chǎng)效應(yīng)管VT5的源極與Uin+端連接，場(chǎng)效應(yīng)管VT5的源極與二極管D51的正極相連接，二極管D51的負(fù)極串聯(lián)電感L5后與蓄電池組的正極相連接，蓄電池組的正極與二極管Db的正極相連接，二極管Db的負(fù)極與二極管Da的負(fù)極相連接，二極管D52的負(fù)極與二極管D51的負(fù)極相連接，二極管D52的正極分別接Uin-端和蓄電池組的負(fù)極。該電路在傳統(tǒng)同類(lèi)電路中增加了起逆止作用的二極管D51，使得主電路電流只能順時(shí)針流動(dòng)，不能反向，可有效防止在風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓較低時(shí)蓄電池電流向非工頻整流電路“倒灌”。蓄電池充電模塊電路的控制對(duì)象為其輸出電流(即蓄電池充電電流)，所以閉環(huán)方式為電流反饋。
[0017]在風(fēng)力較大且蓄電池欠電時(shí)，非工頻整流器輸出的能量的一部分經(jīng)過(guò)充電模塊為蓄電池充電。充電模塊的基本原理為一個(gè)降壓型直流斬波器，由VT5、L5、D51、D52組成，VT5為主斬波開(kāi)關(guān)，其輸出占空比由充電電流決定，該電路經(jīng)過(guò)電池電流的反饋信號(hào)確定占空比，保證所需的充電電流。D52為續(xù)流二極管，D51的作用是使充電電流只能流向電池而不能反向流動(dòng)，保證能量傳遞的單向性。
[0018]當(dāng)雖然蓄電池電壓欠電，但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓較低，不足以給電池充電時(shí)，用于充電模塊的Buck結(jié)構(gòu)，VT5的占空比雖然增大到最大值，但由于二極管D51的作用，形不成充電電流，相當(dāng)于充電模塊開(kāi)路。因此，充電模塊的控制方案可以只考慮電池電壓是否充電這一個(gè)因素，而不必顧忌風(fēng)力情況，可以簡(jiǎn)化控制電路。這對(duì)于風(fēng)力大小隨航向、航速頻繁、大幅度改變的船舶風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是非常適用的。
[0019]負(fù)載獲得電能有兩個(gè)途徑:蓄電池或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)?？刂圃瓌t是在風(fēng)力較大時(shí)盡量使用發(fā)電機(jī)的電，電池電壓較低時(shí)盡量不使用電池的電。這個(gè)原則可以通過(guò)圖1中二極管Da和Db來(lái)實(shí)現(xiàn)。Da、Db的陰極接在一起，Da的陽(yáng)極接非工頻整流電路輸出的正極，該電壓正比于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓(也可以認(rèn)為正比于風(fēng)力的大小);Db的陽(yáng)極接蓄電池的正極。Da、Db任何時(shí)候只能有一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)處于關(guān)斷狀態(tài)。哪一個(gè)導(dǎo)通取決于其陽(yáng)極所接的電壓比另一個(gè)高，而導(dǎo)通的二極管將其陽(yáng)極連接的電路引入后級(jí)電路，為負(fù)載供電。即風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出經(jīng)整流得到的電壓和蓄電池電壓哪一個(gè)高，哪一個(gè)就為負(fù)載供電，另一路處于阻斷狀態(tài)，這符合前面所述的原則。
[0020]本發(fā)明的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器與現(xiàn)有技術(shù)相比，所產(chǎn)生的有益效果是:
將本發(fā)明安裝在船舶上的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備上，輸出的頻率、電壓均大范圍、頻繁快速變化的交流電能，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的220V/50HZ工頻交流電?？梢则?qū)動(dòng)電感性、電容性、純電阻性等多種性質(zhì)的用電負(fù)載。其中的逆變器可以升壓、也可以降壓，能適應(yīng)各種風(fēng)力、風(fēng)向狀態(tài)下的供電。逆變器工作時(shí)可以不設(shè)置死區(qū)，提高效率、減少散熱負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)與外接蓄電池組配合，根據(jù)風(fēng)力大小和負(fù)載用電要求的不同情況，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)向負(fù)載供電、蓄電池組向負(fù)載供電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)為蓄電池組充電、風(fēng)力發(fā)電機(jī)同時(shí)向負(fù)載供電和為蓄電池組充電等多種功能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器的方框圖；
圖2為內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器的主電路接線圖。
[0022]圖2所示電路采用的元件與通用電路相同。分別焊接在非工頻整流、直流升壓、逆變器、蓄電池充電這4塊印刷電路板上。Z網(wǎng)絡(luò)電路直接安裝在機(jī)箱底板，無(wú)需使用印刷電路板。各印刷電路板的連線間隔、線寬符合有關(guān)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)特殊要求。圖2中各功率器件按照通用電路設(shè)計(jì)要求加裝散熱器，或采取其他散熱措施。
[0023]圖2所示的變換器主電路均受控制電路的控制，控制電路的設(shè)計(jì)要求與一般電力電子產(chǎn)品的控制電路相同。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖1、2對(duì)本發(fā)明的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器作以下詳細(xì)地說(shuō)明。
[0025]如附圖1、2所示，本發(fā)明的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其結(jié)構(gòu)包括:
一個(gè)非工頻整流電路；
一個(gè)具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路；
一個(gè)負(fù)載端低通濾波器；
一個(gè)為蓄電池充電的電流反饋降壓型斬波電路。
[0026]所述非工頻整流電路包括穩(wěn)壓二極管Drf Dr4和電容Cr組成整流電路。二極管Drl的正極與二極管Dr3的負(fù)極相連接并一起接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一個(gè)輸出端，二極管Dr2的正極與二極管Dr4的負(fù)極相連接并一起接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的另一輸出端，二極管Drl和二極管Dr2的負(fù)極分別接整流輸出端即Uin+端，二極管Dr3和二極管Dr4的正極分別接輸出端Uin-，并與強(qiáng)電地線連接，濾波電容Cr并聯(lián)在Uin+端和Uin-端之間。[0027]所述具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路又包括:
一個(gè)具有升壓功能的直流斬波級(jí)Ia ；
一個(gè)由電感和電容構(gòu)成的阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)Ib ；
一個(gè)由單向全控型電力電子器件構(gòu)成的逆變電路lc。
[0028]所述直流斬波級(jí)Ia包括電感LO、功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO、二極管D0、電容CO，所述電感LO 一端接Uin+端，一端接二極管DO的正極，功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO的漏極(a0節(jié)點(diǎn))接極管DO的正極，功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO的源極(bo節(jié)點(diǎn))接Uin-端，電容CO接在二極管DO的負(fù)極和Uin-端之間。
[0029]所述阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)Ib包括電感L1、電感L2和電容Cl、電容C2，所述電感LI接于節(jié)點(diǎn)al和節(jié)點(diǎn)a2之間，電感L2接于節(jié)點(diǎn)b I和節(jié)點(diǎn)b 2之間，電容Cl接于節(jié)點(diǎn)al和節(jié)點(diǎn)b 2之間，電容C2接于節(jié)點(diǎn)a2和節(jié)點(diǎn)b I之間，所述節(jié)點(diǎn)al與二極管Da的負(fù)極相連接，二極管Da的正極接二極管DO的負(fù)極，節(jié)點(diǎn)bl接Uin-端。
[0030]所述逆變電路Ic包括場(chǎng)效應(yīng)管VT1-VT4和續(xù)流二極管D1-D4，場(chǎng)效應(yīng)管VTl的漏極與場(chǎng)效應(yīng)管VT2的漏極相連接并一起接節(jié)點(diǎn)a2，場(chǎng)效應(yīng)管VTl的源極接場(chǎng)效應(yīng)管VT4的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管VT2的源極接場(chǎng)效應(yīng)管VT3的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管VT3的源極與場(chǎng)效應(yīng)管VT4的源極相連接并一起接節(jié)點(diǎn)b2，續(xù)流二極管D1-D4分別接在場(chǎng)效應(yīng)管VT1-VT4的漏極和源極之間且續(xù)流二極管的負(fù)極均與場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連接。
[0031]負(fù)載端低通濾波器包括電感L31、L32和電容C31，電感L31接在場(chǎng)效應(yīng)管VTl的源極和U0+之間，電感L32接在場(chǎng)效應(yīng)管VT2的源極和U0-之間，電容C31并聯(lián)在Utj+和U0-之間。
[0032]所述電流反饋降壓型斬波電路包括場(chǎng)效應(yīng)管VT5、電感L5、二極管D51、D52，所述場(chǎng)效應(yīng)管VT5為N溝道M0SFET，其漏極與Uin+端連接，場(chǎng)效應(yīng)管VT5的源極與二極管D51的正極相連接，二極管D51的負(fù)極串聯(lián)電感L5后與蓄電池組的正極相連接，蓄電池組的正極與二極管Db的正極相連接,二極管Db的負(fù)極與二極管Da的負(fù)極相連接,二極管D52為續(xù)流二極管，其負(fù)極與二極管D51的負(fù)極相連接，二極管D52的正極分別接Uin-端和蓄電池組的負(fù)極。
[0033]圖2所示的本主電路，以下是對(duì)控制信號(hào)的具體要求。
1.對(duì)于直流升壓電路的主開(kāi)關(guān)管VTO的控制:
VT0,電感L0、二極管DO承擔(dān)著整個(gè)為負(fù)載供電的通道的能量傳遞和變換任務(wù)。VTO周期性地接通與關(guān)斷使電感中形成周期性地從前級(jí)電源中吸取能量-向Z網(wǎng)絡(luò)供出能量的效果，其通斷占空比決定能量傳遞的強(qiáng)度和輸出電壓的大小。VTO的柵極G和源極S之間接受控制電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，占空比根據(jù)電路所要求的輸出電壓和實(shí)際檢測(cè)到的al、bl間的電壓形成的誤差值決定。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓大小和波形形狀為所采用的器件對(duì)該信號(hào)的要求所決定，本電路無(wú)特殊要求。關(guān)于al、bl間電壓的檢測(cè)以及與控制器的連接與一般電壓檢測(cè)與連接相同。VTO的源極S與本主電路的接地線相連，控制電源可以與之共地，也可以經(jīng)過(guò)光電隔離控制電路與主電路分別接地。
[0034]2.對(duì)于無(wú)死區(qū)逆變電路的橋臂VTf VT4的控制:
逆變電路的4個(gè)橋臂均為場(chǎng)控型電力電子器件，如MOSFET或IGBT (圖2中為M0SFET)。器件的控制端(M0SFET為柵極G和源極S之間，IGBT為柵極G和發(fā)射極E之間)為電壓信號(hào)，脈沖幅度為12疒18V?？梢圆捎脝螛O性SPWM控制，控制規(guī)則簡(jiǎn)述如下:
在輸出電壓的正半周，PWM有輸出時(shí)VT1、VT3得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VT2、VT4無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而阻斷，輸出負(fù)載電壓為Ua2-Ub2。在PWM無(wú)輸出時(shí)(脈沖間隙)，要求輸出負(fù)載電壓為O，但是，考慮到如果是電感性負(fù)載，必須為其提供續(xù)流通道，所以此時(shí)要求:2個(gè)上橋臂VT1、VT2或者2個(gè)下橋臂VT3、VT4中的一組同時(shí)得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，形成續(xù)流通道。
[0035]在輸出電壓的負(fù)半周，PWM有輸出時(shí)VT2、VT4得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VT1、VT3無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)而阻斷，輸出負(fù)載電壓為Ub2-Ua2。在PWM無(wú)輸出時(shí)(脈沖間隙)，同樣要求輸出負(fù)載電壓為
O,同時(shí)也要考慮電感性負(fù)載的續(xù)流問(wèn)題，方法也是要求2個(gè)上橋臂VT1、VT2或者2個(gè)下橋臂VT3、VT4中的一組同時(shí)得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)而形成續(xù)流通道。
[0036]也可以采用雙極性SPWM控制,控制規(guī)則為,無(wú)論是正半周還是負(fù)半周,均有2種狀態(tài)，其一是VT1、VT3同時(shí)導(dǎo)通(此時(shí)VT2、VT4關(guān)斷)；其二是VT2、VT4同時(shí)導(dǎo)通(此時(shí)VT1、VT3關(guān)斷)。上述兩組器件交替導(dǎo)通，正負(fù)半周的區(qū)別僅在于兩組橋臂導(dǎo)通時(shí)間的長(zhǎng)短。此時(shí)沒(méi)有上端2橋臂或下端2橋臂同時(shí)導(dǎo)通的狀態(tài)，電感性負(fù)載的續(xù)流問(wèn)題完全由4個(gè)續(xù)流二極管Dl?D4完成。
[0037]由于本電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，無(wú)論是單極性還是雙極性，在兩組橋臂切換時(shí)，都無(wú)需設(shè)置死區(qū)。
[0038]3.對(duì)蓄電池充電模塊的控制:
蓄電池充電模塊電路實(shí)際是一個(gè)改進(jìn)了的降壓型(Buck)電路。VT5為本單元電路的主斬波開(kāi)關(guān)，D52為續(xù)流二極管，L5為濾波電感，D51起電流逆止作用，防止蓄電池電壓過(guò)高時(shí)形成電流向電源端流動(dòng)的“電流倒灌”現(xiàn)象?？刂芕T5的導(dǎo)通占空比可以得到所需的輸出電壓，該電壓可以轉(zhuǎn)換成所需的蓄電池充電電流。蓄電池電流檢測(cè)裝置串聯(lián)在蓄電池回路，電流的檢測(cè)方法與一般電流檢測(cè)相同，可以采用檢測(cè)電阻獲得檢測(cè)電壓，也可以采用霍爾傳感器等。蓄電池電壓低于一定數(shù)值時(shí)，該電路啟動(dòng)工作，在電流反饋信號(hào)的控制下，向蓄電池輸出給定的充電電流。如果此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓過(guò)低，不足以完成充電任務(wù)，則本電路的控制方案無(wú)需變化，只是輸出端暫時(shí)無(wú)輸出電流而已。待風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出增大時(shí)，電路會(huì)自行恢復(fù)充電。
[0039]4.蓄電池/非工頻整流器供電選擇:
在風(fēng)力較大時(shí)非工頻整流器可以輸出較大的能量，這些能量可以分配給負(fù)載，也可以給蓄電池充電，而蓄電池被充滿后，也可以向負(fù)載輸出能量。從電路結(jié)構(gòu)上看，二者是不可能同時(shí)向負(fù)載供電的。使用二者中哪個(gè)能量源為負(fù)載供電，遵循的原則是:哪個(gè)電源輸出電壓較高就由其為負(fù)載供電。此功能由圖2中的二極管Da和Db來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)二極管的陰極相連，并與后級(jí)的直流升壓電路輸入端al連接，而陽(yáng)極分別接非工頻整流器輸出和蓄電池輸出。如果蓄電池電壓高于非工頻整流器電壓，則二極管Db導(dǎo)通，同時(shí)加反壓于Da使其關(guān)斷，形成蓄電池供電通道。反之，如果蓄電池電壓較低，則二極管Da導(dǎo)通，同時(shí)使Db關(guān)斷，形成蓄電池供電通道。
[0040]5.非工頻整流器的構(gòu)成:
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓頻率隨風(fēng)力的大小變化,并且有一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出頻率遠(yuǎn)高于50Hz，所以整流電路必須采用特殊的元件。本整流電路的仍采用單相橋式結(jié)構(gòu)，但橋臂二極管Drl-Dr4選用超快速二極管或肖特基二極管，并且濾波電容采用大容量電解電容并聯(lián)小容量無(wú)感電容，以消除電解電容的電感效應(yīng)。
[0041]6.阻抗源網(wǎng)絡(luò)元件的選擇:
阻抗源網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2和電容Cl、C2構(gòu)成，其參數(shù)選擇原則是，在逆變器的一個(gè)工作周期(斬波周期)中，電容電壓的變化可以忽略；電感產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)不足以達(dá)到功率電阻器件的額定電壓，而且在控制信號(hào)的誤差使得逆變器的同側(cè)橋臂產(chǎn)生短時(shí)間的同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感的慣性可以使得電路不至于形成損壞逆變橋臂的電流。其具體參數(shù)應(yīng)該由逆變器的工作頻率、負(fù)載最大電流、負(fù)載最小電流等因素決定，其中最主要的是逆變器的工作頻率。工作頻率越高所需的參數(shù)就越小。
【權(quán)利要求】
1.內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，它包括: 一個(gè)非工頻整流電路； 一個(gè)具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路； 一個(gè)負(fù)載端低通濾波器； 一個(gè)為蓄電池充電的電流反饋降壓型斬波電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，所述非工頻整流電路包括二極管Drf Dr4和電容Cr，二極管Drl的正極與二極管Dr3的負(fù)極相連接并一起接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的其中一輸出端，二極管Dr2的正極與二極管Dr4的負(fù)極相連接并一起接風(fēng)力發(fā)電機(jī)的另一輸出端，二極管Drl 二極管Dr2的負(fù)極分別接Uin+端，二極管Dr3和二極管Dr4的正極分別接Uin-端和接地線，電容Cr串聯(lián)在Uin+端和Uin-端之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，所述具有升降壓功能的無(wú)源逆變電路又包括: 一個(gè)具有升壓功能的直流斬波級(jí)(Ia)； 一個(gè)由電感和電容構(gòu)成的阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)(Ib)； 一個(gè)由單向全控型電力電子器件構(gòu)成的逆變電路(Ic)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，所述直流斬波級(jí)(Ia)包括電感LO、功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO、二極管D0、電容CO，所述電感LO —端接Uin+端，一端接二極管DO的正極，功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO的漏極(a0節(jié)點(diǎn))接二極管DO的正極，功率場(chǎng)效應(yīng)管VTO的源極(b0節(jié)點(diǎn))接Uin-端，電容CO接在二極管DO的負(fù)極和Uin-端之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，所述阻抗網(wǎng)絡(luò)級(jí)(Ib)包括電感L1、電感L2和電容Cl、電容C2，所述電感LI接于節(jié)點(diǎn)al和節(jié)點(diǎn)a2之間，電感L2接于節(jié)點(diǎn)b I和節(jié)點(diǎn)b 2之間，電容Cl接于節(jié)點(diǎn)al和節(jié)點(diǎn)b 2之間，電容C2接于節(jié)點(diǎn)a2和節(jié)點(diǎn)b I之間,所述節(jié)點(diǎn)al與二極管Da的負(fù)極相連接,二極管Da的正極接二極管DO的負(fù)極，節(jié)點(diǎn)bl接Uin-端。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，所述逆變電路(Ic)包括場(chǎng)效應(yīng)管VT1-VT4和續(xù)流二極管D1-D4，場(chǎng)效應(yīng)管VTl的漏極與場(chǎng)效應(yīng)管VT2的漏極相連接并一起接節(jié)點(diǎn)a2，場(chǎng)效應(yīng)管VTl的源極接場(chǎng)效應(yīng)管VT4的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管VT2的源極接場(chǎng)效應(yīng)管VT3的漏極，場(chǎng)效應(yīng)管VT3的源極與場(chǎng)效應(yīng)管VT4的源極相連接并一起接節(jié)點(diǎn)b2，續(xù)流二極管D1-D4分別接在場(chǎng)效應(yīng)管VT1-VT4的漏極和源極之間且續(xù)流二極管的負(fù)極均與場(chǎng)效應(yīng)管的漏極相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，負(fù)載端低通濾波器包括電感L31、L32和電容C31，電感L31接在場(chǎng)效應(yīng)管VTl的源極和U0+之間，電感L32接在場(chǎng)效應(yīng)管VT2的源極和U0-之間，電容C31串聯(lián)在U0+和U0-之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的內(nèi)河船舶用小型風(fēng)力發(fā)電變換器，其特征在于，所述電流反饋降壓型斬波電路包括場(chǎng)效應(yīng)管VT5、電感L5、二極管D51、D52，所述場(chǎng)效應(yīng)管VT5的漏極與Uin+端連接，場(chǎng)效應(yīng)管VT5的源極與二極管D51的正極相連接，二極管D51的負(fù)極串聯(lián)電感L5后與蓄電池組的正極相連接，蓄電池組的正極與二極管Db的正極相連接，二極管Db的負(fù)極與二極管Da的負(fù)極相連接，二極管D52的負(fù)極與二極管D51的負(fù)極相連接，二極管D52的正極分別接Uin-端和蓄電池組的負(fù)極。
【文檔編號(hào)】H02M5/458GK103595265SQ201310569231
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】王旭光, 丁行 申請(qǐng)人:山東航宇船業(yè)集團(tuán)有限公司