一种基于风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器的制造方法
【专利摘要】DCM Boost PFC变换器具有开关管零电流开通、二极管无反向恢复和开关频率恒定等优点，恒定占空比控制在半个输入周期内能够实现较高的功率因数。基于风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器主要由两个单相风力发电机、并联DCM Boost PFC变换器和一个输出滤波电容组成。通过检测输出电压的波动量来不断地调节开关管占空比，改变两相输入电流的大小，从而调节发电机的电磁转矩，改变发电机之间的转速差，形成不同输入相位差。当错开适当的相位角时，输入功率脉动、输出电压波动及流经滤波电容的电流可减到最小。在输出电压波动满足要求时，可以用容量较小的薄膜电容取代电解电容，延长了变换器的寿命并减小了体积。
【专利说明】
-种基于风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost RFC 变换器
技术领域
[0001] 本发明是基于Boost开关电路、PFC变换器和分布式直驱风力发电机W及DSP控制 器、若干电阻、电容、运放等电路元件组成的一种基于调流调相控制的交错并联DCM Boost PFC变换器，属于电力电子产品。
【背景技术】
[0002] 分布式风力发电是直流微网系统的一个重要组成部分，风电技术的快速发展，使 得小型风机系统朝着多能源复合发电系统发展，如风/蓄或燃料电池系统、风/光/蓄系统 等。在运种多能源组成的微型电网系统中，电力电子器件起到联接的桥梁作用。电力电子 技术的迅猛发展W及大量电力电子设备的使用在给生产发展带来巨大动力的同时，也给电 网带来了严重的谐波污染。小型风力发电机系统中存在因采用不可控整流导致的发电机电 流谐波大、整流电压不可控等问题，功率因数校正、降低发电机电流的谐波含量、改善永磁 同步发电机的谐波特性、提高发电机有功功率输出能力和系统效率的目标。
[0003] 风力发电通过PFC变换器接入微网，由于输入功率存在2倍工频脉动，从而引起输 出端电压2倍频的波动，通常解决办法是：用容量大的电解电容来减缓电压波动，不足的是 电解电容体积大寿命短；或者当输入功率因数满足IEC 61000-3-2 Class D时，在输入电流 中注入一定量的谐波，可W减小输入端的功率脉动，运样功率因数不高；或者在输出端并联 一个双向变换器，从平衡输入端的功率脉动，减小输出电压波动，用的功率器件较多等。当 多个风力发电接入直流母线时，输出电压波动相互叠加，随着相位的不同有时电压波动增 强，有时电压波动相互抵消。
[0004] 本发明针对相位不同步的风力发电输出电压波动相互叠加问题，基于并联DCM Boost PFC变换器，通过调流调相控制使两相错开适当的相位角，实现并联输出电压波动最 小。
【发明内容】
阳0化]本发明的目的主要有四个：一、通过调流调相控制使两相错开适当的相位角，实现 并联输入功率脉动最小和输出电压波动最小；二、采用变换器具有功率因数校正功能，提供 了风机的容量；=、减小输出滤波电容的损耗，提高变换器的效率；四、在满足电压波动要 求的前提下，可W用容量较小的薄膜电容取代容量较大的电解电容，提高了变换器的使用 寿命及缩小了变换器的体积。 阳006] 本发明是由两个风机、两个单相直驱式风力发电机及两个单相DCM Boost PFC变 换器且共用一个输出滤波电容组成，在恒定占空比控制时DCM Boost PFC变换器具有较高 的功率因数，提高了风机的有功容量；通过开关管的控制改变风机输出电流的大小，从而改 变风机电磁转矩，形成一定的转速差，通过一段时间的调节，使两个发电机输出电压错开一 定相位角，运样减小输入端的功率脉动、输出电压波动及流经电容的电流。
[0007] 两个风机（FI、F2)分别连接到两个单相直驱永磁同步发电机（GSl、GS2)驱动轴 上，发电机（G1、G2)输出端分别接输入滤波器（EMIUEMI2)的输入端；输入滤波器（EMI1、 EMI2)的输出端分别接整流桥（RB1、RB2)的交流输入端；整流桥（RBl) " + "端与Boost升 压电感（Ui) -端相接；整流桥巧的）"+ "端与Boost升压电感（Lb2) -端相接；整流桥 (RBl)端、开关管佩1)源极及功率二极管值b3)阴极相接；整流桥（RB2)端、开关 管佩2)源极及功率二极管佩4)阴极相接；Boost升压电感（Lbi)另一端、开关管佩1)漏极 及功率二极管值bi)阳极相连；Boost升压电感（Lb2)另一端、开关管佩2)漏极及功率二极 管值b2)阳极相连；功率二极管值M、Db2)的阴极、输出滤波电容杞）的一端及负载化）的 一端相连；功率二极管值b3、化4)的阳极、输出滤波电容（C。）的另一端及负载OO的另一端 相连。控制电路主要有电压采样模块、信号调理电路、DSP及驱动电路组成；电压采样模块 对变换器输出电压（V。）及电压波动量（A V。）进行采样；采样的信号经过信号调理电路给 DSP处理，DSP输出的信号经驱动电路输出值yi、Dy2)去驱动开关管。
[0008] 本发明的有益效果在于：第一，针对分布式风力发电的特点，通过调流调相控制使 两相错开适当的相位角，最大程度的减小输入功率的脉动及输出电压的波动；第二、在满足 电压波动要求的前提下，可W用容量较小的薄膜电容取代容量较大的电解电容，提高了变 换器的使用寿命及缩小了变换器的体积；第=，输入功率脉动的减小，使得流经用来平衡输 入输出功率差的储能电容的电流变小，则在电容等效串联电阻上产生的损耗减小，提高了 变换器的效率。
[0009] 本发明是专口针对分布式小型风力发电的特点设计的，输出滤波电容C。为含有高 次谐波的输出二极管电流i。提供了低阻抗路径。必须注意的是运里的电容不同于传统的储 能电容，它只是对输出高次谐波电流i。起作用，而对二次谐波不起作用，因此滤波电容C。非 常小，可W利用薄膜电容代替电解电容，无电解电容很大程度上提高了 PFC变换器的寿命。
【附图说明】
[0010] 图1为基于直驱式风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器主电路 示意图。
[0011] 图2为基于直驱式风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器控制电 路框图。
[0012] 图3为并联变换器输出电压波动量与相位差关系。
[0013] 图4为并联变换器流经输出滤波电容电流与相位关系。
[0014] 图5为基于直驱式风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器控制策 略流程图。
[0015] 图6为并联变换器输出电压波动量与相位差关系实验波形。
[0016] 附图标记说明：
[0017] 1)图1标记说明化^2为风机化、62为单相发电机；〇1、〇2为风机输出转速； Vmn Vm2为发电机输出电压；i 1。1、iin2为变换器输入电流；EMI FilterU EMI Filters为输 入滤波器；RBURB2为单相全桥整流器；Vgi、Vg2为整流后的电压；Lbi、Lb2为变换器累压电感； i^bi、itb2为变换器电感电流；Qbi、Qb2为变换器功率开关管；i gi、ig2为功率开关管电流；Dbi、 Db2、Db3、Db4为变换器功率二极管；i Dl、iD2为流经功率开关管值M、Db2)的电流；i。为电流i D1、 iD2之和；C。为输出滤波电容；ESR为输出滤波电容（C。）的等效电阻；ic为流经输出滤波电 容（C。）的电流化为变换器负载；V。、I。为变换器输出电压和电流。 阳01引。图2说明追制电路主要有电压采样模块、信号调理电路、DSP及驱动电路组 成；电压采样模块对变换器输出电压（V。）及电压波动量（A V。）进行采样；采样的信号经 过信号调理电路给DSP处理，DSP输出的信号经驱动电路输出值,1、Dy2)去驱动开关管。
[0019] 3)图3说明：横轴是两相之间的相位差，纵轴是并联变换器输出电压的波动量，随 着相位差的不同输出电压波动量是不同的，在相位差为90度时，电压波动量最小，相位同 步或相反时，电压波动量最大；随着电容减小，电压波动量增大。
[0020] 4)图4说明：横轴是两相之间的相位差，纵轴是并联变换器流经电容的电流，电容 电流随着相位差的变化而变化，在相位差为90度时，电容电流最小，相位同步或相反时，电 容电流最大。
[0021] 5)图6说明：并联变换器输出电压波动随着相位差不同的实验波形，①处是相位 同步或相反输出电压；②处是相位差90度输出的电压；③处是调流调相过程中一处电压； ④稳定后的输出电压。
【具体实施方式】
[0022] W下结合附图对本
【发明内容】
进行详细说明。
[0023] 参考图1，一种基于直驱式风力发电机调流调相控制的DCM Boost PFC变换器主电 路由两个风机（F1、F2)、两个单相直驱式风力发电机佑1、G2)及两个DCM Boost PFC变换 器且共用一个输出滤波电容（C。）组成。
[0024] 基于直驱式风力发电机调流调相控制的DCM Boost PFC变换器主电路连接方式： 两个风机（F1、F2)分别连接到两个单相直驱永磁同步发电机（GSUGS2)驱动轴上，发电机 (G1、G2)输出端分别接输入滤波器（EMIUEMI2)的输入端；输入滤波器（EMIUEMI2)的输 出端分别接整流桥（RBURB2)的交流输入端；整流桥（RBl) " + "端与Boost升压电感（Lbi) 一端相接；整流桥（RB2) "+"端与Boost升压电感（Lb2) -端相接；整流桥（RBl)端、 开关管（Qbi)源极及功率二极管值b3)阴极相接；整流桥（RB2)端、开关管（Qb2)源极及 功率二极管（Qb4)阴极相接；Boost升压电感（Lbi)另一端、开关管（Qbi)漏极及功率二极管 值bi)阳极相连；Boost升压电感（Lb2)另一端、开关管佩2)漏极及功率二极管值b2)阳极相 连；功率二极管值bi、Db2)的阴极、输出滤波电容杞）的一端及负载化）的一端相连；功率 二极管值b3、Db4)的阳极、输出滤波电容杞）的另一端及负载化）的另一端相连。 阳0巧]参考图2, 一种基于直驱式风力发电机调流调相控制的DCM Boost PFC变换器控 制电路主要有电压采样模块、信号调理电路、DSP及驱动电路组成；电压采样模块对变换器 输出电压（V。）及电压波动量（AV。）进行采样；采样的信号经过信号调理电路给DSP处理， DSP输出的信号经驱动电路输出值yi、Dy2)去驱动开关管。
[00%] 本发明是基于Boost PFC变换器工作在电感电流断续模式下进行分析的：首先分 析DCM Boost PFC变换器主电路工作原理。DCM Boost PFC变换器具有功率开关管零电流 开通、二极管无反向恢复电流和开关频率恒定等优点，通过恒定占空比控制在半个输入周 期内能够实现较高的功率因数。
[0027] 为了方便分析，做如下几个假设：1)所有的元器件都是理想的；2)输出电压纹波 很小，可W忽略；3)开关频率远高于线性频率；4)发电机输出电压是正弦波且幅值相同。
[0028] 输入电压可W定义为：
[0029] Vm=VmSinot (1)
[0030] 整流后的电压为：
[0031] Vg= Vmlsinut I (2)
[0032] 在一个开关周期内，电感电流峰值为：
[0033] (3)
[0034] 化秒特性为：
[0035]
[0036]
[0037] <.5)
[0038] ^个开关周期内电感电流的平均值：
[0039] (6)
[0040]
[0041] (7、
[00创当Dy是恒定时，根据式（3)、（6)可W看出电感电流包络线是正弦变化的，但电感 电流平均值不是正弦变换的，有一定的失真。电感的平均电流波形随着Vm/V。变化而变化， Vm/V。越小，电感的平均电流波形越接近正弦波形。也可W做如下解释：在一个线性周期内 占空比是恒定的，电感电流峰值包络线是按正弦规律变化的，电感电流上升阶段，平均电流 是按正弦规律变化的。然而电感电流下降阶段，其电流下降时间是随着V"-Vg变化而变化 的，由于Vg是变化的，所W电感电流下降阶段平均电流不是按正弦规律变化的。因此，在一 个线性周期内，电感电流的平均值不是按正弦规律变化的。Vm/V。越小，电感电流下降时间 越短，在一个线性周期内电感电流平均值越接近正弦波形。
[0043] 根据式（7)，推导出输入电流近似有效值：
[0044] (8)
[0045] )率表达式为：
[0046] 9
[0047] 率表达式为：
[0048] (10) W例本发明是基于直驱式风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器，如 图1所示。并联DCM Boost PFC变换器主电路由两个DCM Boost PFC变换器并联且共用一 个输出滤波电容C。组成。
[0050] 令两个发电机输出电压分别为：
阳059] 由式（1W、UW町知，尸1。1二^^。2，兮尸。二^^。押地。W60] 为了简化分析，将输入的瞬时功率W P。为基准，归一化得到式（17)、（18):[0061]
[0051] (6:11)
[0052] U2)
[0053] 由式巧
[0054] (13) 阳化引 (14 '
[0056] 由式（1
[0057] (15)
[0058] (16)
(17)
[0062] U8)
[0063] 则总的瞬时输入功率的标么值为：
[0064]
。9) W65]当储能电容C。充电，当P 1。*<1时，储能电容C。放电。在半个线性周期内储 能电容c。放电的能量的标么值为： 阳066]
(20)
[0067] 输出端电解电容是用来平衡输入端功率脉动的，如果输入端的功率波动比较大， 就需要容量较大的电解电容来平衡输出功率。
[0068] 风力发电通过恒定占空比控制的DCM Boost PFC变换器直接接到直流微网母线 上，当单个变换器输出电压满足波动要求时，但多个变换器输出电压接到直流母线上时，会 出现一个叠加效应，有些相位差会出现电压波动增强，加重直流母线稳压负担，有些相位差 会出现电压波动抵消，减轻直流母线稳压负担。
[0069] AE*可W表示如下：
[0070] (21)
[0071] ^ 达式：
[0072] (22) 阳073] 根据式（22)作出并联变换器在输入电压为220V、输出电压为400V、负载为400W、 输出滤波电容为220uF、330uF、470uF时，输出电压随着相位差变化而变化的曲线，如图2所 示。不难发现在相位差为90度，输出电压波动最小，相位同步或相反时，输出电压波动最 大。在保证电压波动满足要求的情况下可W用容量较小的薄膜电容取代电解电容。
[0074] 由于单个PFC变换器输入功率是2倍频的脉动，所W输出端电解电容不断地充电 放电，维持输出电压的稳定，充放电电流越大，电解电容损耗越大。 阳0巧]流经并联DCM Boost PFC变换器电解电容的电流为：
[0076] (23)
[0077] (24)
[0078] 根据式（24)作出流经电容电流与相位差的关系曲线，如图4所示。相位差为90 度时，流经电容电流最小。如果风力发电输入相位差控制在90左右，可W用容量较小的薄 膜电容取代电解电容。
[0079] 一种基于直驱式风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器调流调相 控制原理：当变换器正常工作时，通过检测输出电压及输出电压波动量来不断地调整占空 比；当占空比变大时，相应的输入电流增大，从而使发电机的电磁转矩增大，使转速略微下 降；当占空比变小时，相应的输入电流减小，从而使发电机的电磁转矩减小，使转速略微上 升；因此可W通过控制电流大小来改变发电机转速，从而形成不同的相位差。通过不同地检 测输出电压波动量，不断地调整占空比，使两相输入电压保持合适的相位差，保证输出电压 波动量最小，控制策略流程图参考图5。
[0080] 小型风机输出功率为Pi (Q)，扣除机械损耗P。和定子铁损Pp。后，余下的功率将通 过旋转磁场和电磁感应的作用，转换成定子的电磁功率P。（《)，即
[0081] Pi(Q) = PQ+PFe+Pe(?) (25)
[0082] 再从电磁功率P。（ CO )中扣除电枢铜耗Pc。(I)，可得电枢端输出的电功率P2 (I)，即
[0083] Pe(O) = Pcua)+P2(U = mfRa+mUa) Icos 0 (26)
[0084] 式中，m为定子相数，R。为每相定子绕组等效电阻，0为发电机输出功率因数角， 文中采用的是单相电机且输出经过功率因数校正，所W : 阳0 化]Pe(O) = l2Ra+U(I)I (27)
[0086] 根据式做、（25)和（27)可W推导出电磁角速度与占空比关系：
[0087] O = O 值y) (28)
[008引根据式（11)、（12)和（28)可W得到相位差调节公式：
[0089]
[0090] 参考图6,当两相电流不同时，导致发电机输出不同的电磁转速，形成不同的相位 差，引起输出电压波动的变化。①处是相位同步或相反输出电压；②处是相位差90度输出 的电压；③处是调流调相过程中一处电压；④稳定后的输出电压。
【主权项】
1. 一种基于风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器，由两个风力发电 机、并联DCM Boost PFC变换器、一个输出滤波电容、DSP控制及其外围电路组成。主电路 由两个单相风力发电机、并联DCM Boost PFC变换器和一个输出滤波电容组成；控制电路主 要有电压采样模块、信号调理电路、DSP及驱动电路组成。其特征在于：恒定占空比控制时 DCM Boost PFC变换器具有较高的功率因数，提高了风机的有功容量；在恒定占空比控制的 基础上增加了调流调相控制，通过检测输出电压波动量来调整开关管的占空比，改变风力 发电机输出电流的大小，从而调节风机电磁转矩，形成一定的转速差，使两个发电机输出电 压错开一定相位角，减小输入端的功率脉动、输出电压波动及流经输出滤波电容的电流。2. 根据权利要求1所述的调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器主电路，由两个 单相风力风力发电机、并联DCM Boost PFC变换器和一个输出滤波电容组成，其特征是：两 个风力发电机输出电压相位差可以通过改变电流大小来调节；变换器具有功率因数校正功 能，提尚了风力发电机的有功容量。3. 根据权利要求1所述的调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换器控制电路，由电 压采样模块、信号调理电路、DSP及驱动电路组成，其特征是：当变换器正常工作时，通过检 测输出电压来不断地调整占空比；当占空比变大时，相应的输入电流增大，从而使发电机的 电磁转矩增大，使转速下降；当占空比变小时，相应的输入电流减小，从而使发电机的电磁 转矩减小，使转速上升；因此可以通过控制电流大小来改变发电机转速，从而形成不同的相 位差。通过不断地检测输出电压波动量，不断地调整占空比，使两相输入电压保持合适的相 位差，保证输出电压波动量最小。4. 根据权利要求1所述的并联变换器共用一个滤波电容，其特征是：调节适当的相位 差，减小输入功率2倍频的脉动，无需采用大的电解电容来平抑输入输出功率，采用薄膜电 容取代电解电容来滤除高频纹波，不仅延长了变换器的寿命还缩小了变换器的体积。5. 根据权利要求1所述的基于风力发电机调流调相控制的并联DCM Boost PFC变换 器，其特征在于：DCM Boost PFC变换器具有开关管零电流开通、二极管无反向恢复和开关 频率恒定等优点，通过恒定占空比控制在半个输入周期内能够实现较高的功率因数。通过 调流调相控制，使两个风力发电机输出电压错开适当的相位角，减小输入功率的脉动和输 出电压的波动。由于输入功率脉动变小，使得平抑输出功率的电容交换能量变小，电容的损 耗相应的减小，提高了变换器的效率。在输出电压波动满足要求的情况下，可以用容量较小 的薄膜电容取代电解电容。
【文档编号】H02M1/42GK105939121SQ201510817059
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年11月23日
【发明人】于东升, 王龙, 杨杰, 朱虹, 张勇
【申请人】中国矿业大学