尹佳蓓 ，莫秋云 ，2，陳 林

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.廣西科學(xué)信息試驗(yàn)中心，廣西 桂林 541004）

0 引言

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)在缺少并網(wǎng)電能的情況下提供生活所需的電能，但同時(shí)，在包含極端風(fēng)速以及溫變環(huán)境下，小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作性能會有不同程度的波動(dòng)，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性［1］。

失效是可靠性的一個(gè)具體表現(xiàn)，溫度升高引起的元器件功能失效能直接影響系統(tǒng)的可靠性，而器件損耗與結(jié)溫有關(guān)，所以可以從損耗的角度分析電子元器件結(jié)溫以及環(huán)境溫度的關(guān)系。同時(shí)，復(fù)雜環(huán)境下，由于風(fēng)速的不穩(wěn)定使得永磁電動(dòng)機(jī)的輸出不穩(wěn)定，一般加裝變壓裝置使得小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)電力系統(tǒng)的輸入為穩(wěn)定的電壓輸入。超過額定風(fēng)速后，電動(dòng)機(jī)即停止工作。所以相比溫度而言，風(fēng)速對于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)影響有限。目前對于復(fù)雜環(huán)境對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)影響的研究多關(guān)注于機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，對于電力系統(tǒng)關(guān)注較少。

利用PLECS中獨(dú)特的熱分析功能可以分析每一個(gè)電子元器件的損耗。PLECS軟件是一款用于電路和控制結(jié)合的多功能仿真軟件，非常適用于電力電子和傳動(dòng)系統(tǒng)仿真分析。PLECS以其準(zhǔn)確快速的性能、獨(dú)特的熱分析功能、C語言控制器和強(qiáng)大的波形分析工具等眾多優(yōu)勢，在熱分析領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［2］。本文借用PLECS獨(dú)特的熱分析功能對小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了熱分析。

1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型建立

一般小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了方便研究，對模型進(jìn)行簡化，采用穩(wěn)定的交流電源代替整流電路的前面部分，后面電力系統(tǒng)的輸入更加穩(wěn)定。同時(shí)，由于溫度對于電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在對開關(guān)管的影響上，并且感性原件對于功率損耗影響較大，而溫度只對開關(guān)管的功率損耗影響，所以在不影響電路功能的前提下盡量只保留與開關(guān)管相關(guān)的電路，采用了簡單的橋式電路構(gòu)成電源-整流-逆變的電路基本模型作為基本電路進(jìn)行研究［3］。建立的電路模型如圖2所示。

圖2 小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本電路圖

整流電路即將交流轉(zhuǎn)換為直流，整流電路分為很多種，但基本都由二極管、電感以及電容來組成［4］?；驹硎峭ㄟ^二極管的單向?qū)ㄐ詠韺?shí)現(xiàn)交流轉(zhuǎn)換為直流的過程。電壓源串聯(lián)的電感相當(dāng)于電壓源的內(nèi)阻抗，同時(shí)電感的存在使得通過二極管的電流變得平緩，起到濾波的作用。而電容則能夠在電壓處于負(fù)半軸時(shí)給負(fù)載提供電流，也能起到濾波作用，并且電容的大小C通過RC大小計(jì)算而得，一般而言 RC≥（1.5～2.5）T，T 為交流電源的周期。

逆變是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷倪^程，是整流的逆過程。逆變電路可作多種分類，按功率器件可分為半控器件逆變電路和全控器件逆變電路。前者采用晶閘管器件，負(fù)載換流或者外接電路強(qiáng)制換流，正逐漸被采用GTO／IGBT等器件的全控器件逆變器所代替。按輸出波形可分為方波逆變器、正弦波逆變器等。按直流電源形式可分為電壓源逆變器、電流源逆變器。前者采用電容元件作為直流源進(jìn)行電場儲能，電源電壓脈動(dòng)以及電源阻抗小，特性類似電壓源。而后者采用電感元件為直流源進(jìn)行電場儲能，電源電流脈動(dòng)小，電源阻抗大，呈現(xiàn)電流源特性。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式逆變電路、非橋式逆變電路和組合逆變電路等。按輸出相數(shù)可分為單相逆變器、三相逆變器以及多相逆變器。按開關(guān)器件工作狀態(tài)可分為硬開關(guān)和軟開關(guān)逆變器。選擇應(yīng)用較多的采用全控器件的硬開關(guān)的電壓源方波逆變器進(jìn)行研究。在此電路中，IGBT with diode與一般的IGBT原理相同，可以同等對待，對于IGBT的啟動(dòng)電壓設(shè)為常用的15 V。因?yàn)镻LECS將半導(dǎo)體元器件作為導(dǎo)通作用時(shí)視為理想開關(guān)，所以整流電路中的阻抗容抗都設(shè)為0。

根據(jù)IGBT with diode的損耗計(jì)算原理，可以研究影響電路可靠性的具體因素。以下為IGBT with diode損耗的計(jì)算公式。

導(dǎo)通損耗：

開關(guān)損耗Pk：

總損耗P為開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗之和，即：

而開關(guān)管結(jié)溫與環(huán)境溫度的關(guān)系：

從上式可以看出，開關(guān)管的結(jié)溫與損耗有關(guān)，所以可以通過損耗得出開關(guān)管工作極限下所能允許的最大環(huán)境溫度。而損耗不僅與開關(guān)管自身的工作特性有關(guān)。同時(shí)，通態(tài)電流以及占空比與損耗都具有線性關(guān)系。其中，通態(tài)電流受接通負(fù)載大小的影響，而占空比是調(diào)節(jié)電路輸出波形的一項(xiàng)重要指標(biāo)。所以，結(jié)合電路實(shí)際情況，可以進(jìn)行定量分析負(fù)載以及占空比與損耗之間的關(guān)系。

2 熱仿真分析

2.1 開關(guān)管熱數(shù)據(jù)庫以及熱環(huán)境的建立

由于整流電路二極管僅為導(dǎo)通作用，PLECS將導(dǎo)通作用的開關(guān)管視為理想開關(guān)，即無壓降。本實(shí)驗(yàn)選擇1N4001型整流二極管，ISXN 80N601型IGBT with diode，極限工作結(jié)溫為125℃，熱阻0.95 K／W，最大正向電壓600 V，最大電流140 A。查詢所需電子元器件的工作手冊，建立其熱分析數(shù)據(jù)庫［8］。整流電路中二極管以及逆變電路中的IGBT with diode的熱數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

同時(shí)，可以借助PLECS軟件中的Thermal模塊庫里的散熱板Heat sink、熱源控制器Controlled tempreture、連續(xù)熱源 Constant tempreture 構(gòu)造熱環(huán)境［9］。其中，散熱板的熱容設(shè)置為0。并且，在PLECS中，溫度的參數(shù)單位設(shè)置為開爾文（K）。熱環(huán)境下的系統(tǒng)電路如圖5所示。

由于本實(shí)驗(yàn)散熱板提供模擬的為開關(guān)管的結(jié)溫，一般開關(guān)管的工作結(jié)溫為25～125℃。結(jié)合開關(guān)管的操作手冊數(shù)據(jù)，將熱源設(shè)置為398.16 K，熱源控制器占空比0.5，結(jié)合IGBT的頻率，將熱源控制器頻率設(shè)定為100 Hz。高頻輸出為100，低頻輸出為0，構(gòu)成25～125℃的變溫環(huán)境。

圖3 開關(guān)管的導(dǎo)通損耗

圖4 IGBT的開關(guān)損耗

圖5 熱環(huán)境下的系統(tǒng)電路圖

需要說明的是，由于整流二極管視為理想開關(guān)，所以導(dǎo)通損耗基本由IGBT構(gòu)成。Probe測量二極管結(jié)溫，Probe1測量IGBT的導(dǎo)通損耗以及開關(guān)損耗。

2.2 仿真分析

圖6為電路外接100Ω負(fù)載時(shí)兩個(gè)示波器結(jié)果。

圖6 負(fù)載為100Ω時(shí)Scope以及Scope1波形

從圖中看出，電路的功能正常，開關(guān)管的結(jié)溫與所建立的熱環(huán)境一致，而開關(guān)損耗相對于導(dǎo)通損耗可以忽略不計(jì)。所以總損耗可以以導(dǎo)通損耗為主。導(dǎo)通損耗是依據(jù)器件動(dòng)態(tài)特性而來，與環(huán)境溫度無關(guān)，但是卻影響器件的結(jié)溫。以最大值為準(zhǔn)，圖7為不同負(fù)載時(shí)IGBT with diode損耗。

從圖7可知，隨著負(fù)載的增大，損耗功率在逐漸變小。根據(jù)式（6）計(jì)算可知，在IGBT極限工作條件下，所能允許的最大環(huán)境溫度49℃，如果環(huán)境溫度為60℃，則所允許的最大損耗為68.42 W，負(fù)載阻值應(yīng)大于5Ω。又由于溫度以及占空比的變化對于損耗影響較小，但是占空比的大小卻能影響電路的輸出，所以可以從損耗比的角度進(jìn)一步討論負(fù)載以及占空比對電路的影響。

圖7 負(fù)載與損耗功率關(guān)系

占空比理論上可以逼近1，但由于占空比要滿足伏秒平衡，考慮電路特性，本電路允許最大占空比約為0.5，前述電路占空比初始為0.5。同時(shí)，占空比影響輸出波形的諧波分量，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，諧波分量應(yīng)小于等于10%。由于仿真結(jié)果不能趨于完全穩(wěn)定，所以按照示波器的步長，將一定周期內(nèi)的數(shù)據(jù)保存為CSV格式來測量損耗比。首先研究在占空比D=0.5時(shí)，負(fù)載與損耗比的關(guān)系；然后選擇某一負(fù)載阻值，討論占空比與損耗比的關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。

圖8說明，占空比對電路損耗比的影響沒有太大變化，損耗比均在0.75%上下浮動(dòng)。計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)占空比對于開關(guān)管的開關(guān)損耗影響明顯，但由于開關(guān)損耗低于導(dǎo)通損耗3個(gè)數(shù)量級，所以占空比對于電路的總損耗也沒有太大影響。而負(fù)載對占空比的影響大體趨于階梯形降低，但損耗比都小于2%，并且在負(fù)載增大時(shí)開關(guān)管損耗降低。

圖8 負(fù)載與占空比的功率損耗比

3 結(jié)論

針對復(fù)雜環(huán)境因素對電氣系統(tǒng)的影響，分析了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣部分的工作原理，利用PLECS的熱分析功能分析了開關(guān)管的損耗與結(jié)溫的關(guān)系，并且計(jì)算分析了小型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率損耗與負(fù)載以及占空比的相關(guān)性。

1）開關(guān)管的損耗由導(dǎo)通損耗以及開關(guān)損耗組成，其中開關(guān)損耗受溫度影響但小于導(dǎo)通損耗3個(gè)數(shù)量級，所以總損耗近乎等于導(dǎo)通損耗。即開關(guān)管的損耗不受溫度的影響，似乎與環(huán)境溫度無關(guān)。但是開關(guān)的損耗卻影響開關(guān)管的結(jié)溫，從而限制了開關(guān)管的工作溫度，即環(huán)境溫度。同時(shí)損耗與負(fù)載有關(guān)，與占空比無關(guān)。當(dāng)負(fù)載較?。ǎ?Ω）時(shí)，電路最大工作環(huán)境溫度為49℃。

2）進(jìn)一步分析計(jì)算開關(guān)管的損耗比發(fā)現(xiàn)，占空比對于損耗比幾乎無影響，基本在0.75%上下浮動(dòng)，而負(fù)載對于損耗比影響隨著負(fù)載的增大而階梯形降低，最大值小于2%。均沒有對電路產(chǎn)生過大影響。

3）在尋求電路的最大工作環(huán)境溫度的同時(shí)也討論了電路的損耗比，能最大限度的利用電能，并且能間接為可靠性評估提供參考。