1、高管薪酬及其与公司业绩相关性的影响因素基于上市公司的实证研究- 1 -三相电压型 Z 源 AC/AC 风力发电变换器 摘 要：本文提出了三相电压型 Z源 AC/AC风力发电变换器。三相电压型 Z源 AC/AC 变换器通过实时检测输入电压并调节占空比从而得到稳定的输出电压。仿真结果验证了理论分析的正确性。 关键词：风力发电；Z 源；变换器；拓扑；占空比 中图分类号：TM46，TM614 1. 引 言 随着矿石能源的日渐耗尽和环境保护要求的日益提高，开发纯净无污染的可再生能源已成为当务之急。风能作为一种可再生能源近年来受到广泛的重视1。但是，当风速变化时发电机输出电压也随之波动。风速在 3米/秒到
2、 17米/秒变化时，电压波动在 60 伏到 400 伏之间。传统的 BOOST电路当升压因子足够大的时候,主开关的导通比非常接近 1，此时实用电路会遇到控制、热、效率等方面的一系列问题。故实用输出电压很有限；在蓄电池储能过程中，能量还会有很大损失。矩阵变换电路电压利用率仅为 0.866，难以将中低风速下发出的电能注入电网。 Z 源变换器25可以从概念和理论上突破传统 BOOST 拓扑的局限。它允许直通零电压的存在，在每个正弦周期中直通零电压所占的占空比 D 在小于 0.5 的情况下,就可以在理论上输出任意直流电压、实际上输出较高的直流电压。 本文利用新型的 Z 源变换器的优点，将它应用到风力发
3、电变换器中，直接升压并逆变得到恒定电压值的交流电。 2. 电路拓扑 图 1给出了三相电压型 Z源 AC/AC风力发电变换器电路拓扑。它在传统的三相桥式不可控整流电路和三相电压型桥式逆变电路中间加入了一个 IGBT和一个 Z源网络。Z 源网络提供了一个独特的 LC网络，由两个电感和两个电容器组成，具有储能和滤波的作用，同时实现升压功能。 由于风速的不确定性，产生最大功率的电压会随时间变化。这种 AC/AC变换器不断测量电压源的线电压，然后通过计算产生 IGBT 和逆变器的触发信号。 IGBT的触发信号与直通信号互补导通和关断。通过实时控制直通信号的占空比来稳定输出电压。 - 2 -图 1 三相电
4、压型 Z 源 AC/AC 风力发电变换器电路 3. 工作原理 传统的三相电压源逆变器有 8个允许的开关状态：6 个非零状态和当负载下面的或上面的三个器件短路时的 2 个零电压状态。然而，三相 Z 源逆变器有一个另外的零电压状态：当负载端被上面的和下面的器件短路时的直通零电压状态。Z 源网络使直通零电压状态成为可能。这个直通零电压状态为逆变器提供了独特的升/降压特性。 当逆变器处于直通零电压状态时，可等效为短路，如图 2所示。而当处于 6种非零电压状态的一种时，逆变器变成一个等效电流源，如图 3所示。当处于两种传统的零电压状态时，逆变器也可以用一个零值电流源（或开路）来代替。 图 2 当逆变器处
5、于直通零电压状态时的 Z 源逆变器的等效电路 图 3 当逆变器处于 8 种非直通零电压状态的 Z 源逆变器的等效电路 若电感 1L 、 2L 和电容器 1C 、 2C 分别具有相同的电感 L和电容 C，由对称和等效电路，/ - 3 -有 CCC VVV = 21 , LLL VVV = 21 (1) 假设在一个开关周期 T 中，逆变器工作于直通状态中的一种工作状态的时间为 0T ,从等效电路图 2，有 CL VV = , Cd VV 2= , 0=iV (2) 假设在一个开关周期 T 中，逆变器工作于非直通零电压状态的时间为 1T ，从等效电路图 3，有 CL VVv ?= 0 , 0d Vv
6、 = , 0i 2 VVvVv CLC ?=?= (3) 式中， 0V 是直流电源电压， 10 TTT += 。 在一个开关周期 T 中，电感两端的平均电压在稳态下为 0，由式（2） 、式（3）得 0/)( 010 =?+?= TVVTVTvV CCLL (4) 或 )2/()()/(/ 000110 TTTTTTTVVC ?=?= (5) 同理，加在逆变桥的平均直流电压可以得到如下 CC VVTTTTVVTTvV =?=?+?= 0011010ii )/(/)2(0 (6) 三相桥式不可控整流电路得到的直流电在每个电源周期中脉动 6次，所以得到的脉动直流电压的最小值为 2/360sin0 a
7、bab VVV ?=?= (7) 三相电压型桥式逆变电路负载相电压基波有效值为 /2 i1 VVUN ?= (8) 由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)得 001226TTTTVVabUN?= (9) TVVVVTabUNabUN ?=32232110 (10) 4. 仿真结果 采用图 1的电路进行仿真，得到仿真波形如图 4所示。为了证明升压的同时如果输入电压升高或降低都可以实时调整 0T ,达到稳定输出电压的目的，电源相电压有效值在 0.15 秒前设置为 60伏，从 0.15秒到 0.25秒电压上升，从 0.25秒到 0.35秒相电压有效值不变。得到仿真波形如图 4（a）所示。设置电源相
8、电压有效值在 0.15 秒前为 300 伏，从 0.15 秒到 0.25秒电压下降，从 0.25秒到 0.35秒相电压有效值不变。得到仿真波形如图 4（b）所示。仿真电路采用的参数：L1=L2=300?H，C1=C2=800?F，负载 Z =1.15，负载功率因数 cos =0.87。仿真波形图 4（a）和图 4（b）分别依次为整流输出电压 0V 、逆变输入电压 iV 、输出相电压有效值 1UNV 和输出相电流的 THD。仿真结果显示在输入电压连续上升和连续下降时，输出也可以满足要求。验证了三相电压型 Z源 AC/AC风力发电变换器电路的可行性。 / - 4 -（a） / - 5 -(b) 图
9、 4 仿真波形 5. 结论 本文提出了一种三相电压型 Z源 AC/AC风力发电变换器电路。通过实时检测输入电压从而控制直通零电压的时间，成为变比连续变化的固态变压器, 达到输出稳定的电压的目的，具有重要实用价值。该电路具有如下优点：（1）在风速较低时的情况下，也可以得到/ - 6 -要求的输出电压，避免了蓄电池充电等环节，节约能量；（2）允许直通零电压的存在，解决了传统逆变器存在的换流问题，无须死区时间。进一步的工作是完善占空比控制函数从而得到更稳定的输出电压。 参考文献 1 S.Muller, M.Deicke, R.W.De Doncker.Doubly fed induction gen
10、erator systems for wind turbines J.Industry Applications Magazine, IEEE,2002,8(3):26-33. 2 Fang Zheng PengZ-source inverter J.Industry Applications, IEEE Transactions on,2003,39(2):504-510. 3 Xu Peng Fang, Zhao Ming Qian, Fang Zheng Peng.Single-phase Z-source PWM AC-AC converters J.Power Electronics
11、 Letters, IEEE,2005,3(4):121-124. 4 房绪鹏.Z 源逆变器研究D.浙江大学博士学位论文,2005 年 7 月. 5 丁新平,钱照明,崔彬,等. 适应负载大范围变动的高性能 z-源逆变器J.电工技术学报,2008,3（2）:61-67. Three-Phase Voltage-Fed Z-Source AC/AC Wind Power Generation Converter Sun Ruigeng Department of Information Science and Engineering, Harbin Institute of Technology,
12、 Weihai Shandong (264209) Abstract This paper presents a three-phase voltage-fed Z-source AC/AC wind power generation converter. The three-phase voltage-fed Z-source AC/AC wind power generation converter gets a stable output voltage by real-time detecting the input voltage and regulating the duty cycle. Simulation results demonstrate its rationality. Keywords: wind power generation; Z-Source; converter；topology; duty cycle
