电能变换单元是微型燃气轮机发电机组的核心部分，由功率变换和充放电管理环节两大部分组成。

1.功率变换单元

微型燃气轮机发电机组的功率变换单元见图2-7，它主要由双向变换器和逆变器组成。功率变换单元起着两个作用：一是在起动阶段将蓄电池的电能逆变成交流电，变频起动发电机；二是将发电机发出的高频交流电，经AC-DC和DC-AC变换后输出，提供用户需求的电能。

图2-7 微型燃气轮机发电机组功率变换单元

2.充放电管理单元

依据蓄电池与直流母线连接方式不同，充放电管理单元可分为不规则直流母线设置和规则直流母线设置两种形式。

图2-8 不规则直流母线设置充放电管理单元

不规则直流母线设置充放电管理单元如图2-8所示。蓄电池被直接连接到直流母线两端，它将依据直流母线电压变化进行充电和放电。这样由于电池充、放电时间非常短暂，要求电池具有良好的充放电能力，即在短时间内，蓄电池既能放电至终了电压，又能充电至100％状态。采用这种方式电路简单，容易实现；但是由于电池充放电频繁，而且会经常过压、过流充电，将导致电池寿命降低。

规则直流母线设置充放电管理单元，如图2-9所示，规则直流母线经DC-DC变换后与蓄电池连接。采用这种设置方式，能对蓄电池进行稳定充电，增加了蓄电池的寿命，但是，电路变得相对复杂。

无论采用上述哪种方式设置的充放电管理单元，都应保证对蓄电池进行均衡浮充，并能对蓄电池电压、电流、温度等参量进行检测。

图2-9 规则直流母线设置充放电管理单元

图2-10为采用不规则直流母线设置时，典型电能变换单元电路图。电能变换单元在设计时主要考虑以下几个方面的问题。

1.半导体器件的选用

20世纪80年代初，IGBT器件的研制成功，以及随后其额定参数的不断提高和改进，为高频、较大功率应用的发展起到了重要作用。由于IGBT为电压型驱动，具有驱动功率小、开关速度高、饱和压降低、可耐高电压和大电流等一系列优点，表现出很好的综合性能，已成为当前在工业领域应用最广泛的电力半导体器件。其硬开关频率达25kHz，软开关频率可达100kHz，而新研制成的霹雷（Thun-derbolt）型IGBT，其硬开关频率可达150kHz，在谐振逆变软开关电路中可达300kHz。目前，IGBT封装形式主要有塑封单管和底板与各主电极相互绝缘的模块形式，大功率IGBT亦有平板压接形式。由于模块封装形式对设计散热器极为方便，因此被各器件生产大公司广泛采用。结合长期的学习和实践经验，微型燃气轮机发电机组功率变换单元采用了IGBT作为功率器件。

对于微型燃气轮机发电机组，输出额定交流线电压为400V，对应直流母线电压为500V以上，这样就必须使用额定电压为1200V或更高额定电压的IGBT模块来产生400V的交流电压。当微型燃气轮机发电机组的额定电流超过单个IGBT模块的电流时，可采用模块并联的方式来达到大电流的需求。此外，模块还应能承受－40～55℃的使用温度，以及－55～70℃的存储温度。

2.电能变换单元效率

IGBT模块的效率受开关频率、操作电压、操作温度、负荷电流，以及制造商等多方面的影响。对于逆变器而言，损失主要集中于导通损失和开关损失。开关损失大小直接受开关频率的影响。负荷电流的大小与整个逆变器的损耗大约成正比关系，逆变器损失随负荷电流增大而增加。除此之外，IGBT模块损失还受负荷系数（实际负荷占额定负荷的百分数）的影响。图2-11示出10kW逆变器工作在10kHz开关频率时的效率与负荷系数的关系，从图中可以看出，负荷系数只要不低于0.25，逆变器的效率就高于90％，当负荷系数大于0.5时，效率会达到95％以上［1］，这样就可保证机组在负荷系数很宽的范围内工作时，逆变器具有较高的效率。

图2-10 典型电能变换单元电路图

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图2-11 10kW逆变器效率与负荷系数的关系（在10kHz开关频率时）

3.带单相负荷技术

微型燃气轮发电机组的输出具有带100％不平衡负荷能力，即能够带单相负荷。经综合分析，可采用图2-12和图2-13所示两种方法实现。

图2-12是将逆变器设计成三个单相逆变器，它们的相位相差120°。当只带单相负荷时，相当于一个单相逆变器在工作，对整个系统没有任何影响。该种方法可通过图2-14和图2-15所示的电路来实现。采用该种方法实现带单相负荷，控制相对复杂，尤其是实现方法二。

图2-12 微型燃气轮机发电机组带单相负荷的实现途径一

图2-13所示为通过采用变压器的方法实现，实现电路如图2-16所示。采用该方法的缺点是变压器的体积和重量较大。

值得注意的是，尽管微型燃气轮机发电机组应具有适应100％不平衡负荷的能力，但单相负荷不允许超过整个机组额定功率的1/3。

图2-13 微型燃气轮机发电机组带单相负荷的实现途径二

4.采用规则直流母线设置时的DC-DC变换技术

DC-DC变换是采用规则直流母线设置时的核心技术。常见电路的拓扑结构有：降压型（Buck）、升压型（Boost）、升降压型（Buck-Boost）、库克型（Cuk）四种。其中，降压型和升压型是基本结构，升降压型和库克型是它们的组合。它们具体的实现电路形式很多，有单端正励式、单端反励式、半桥式、全桥式等。由于半桥式DC-DC变换电路具有抗偏磁能力强、结构简单，并且能够满足变换

图2-14 微型燃气轮机发电机组带单相负荷实现电路一

图2-15 微型燃气轮机发电机组带单相负荷实现电路二

图2-16 采用变压器实现带单相负荷电路图

的要求，因此微型燃气轮机发电机组可采用半桥式DC-DC变换电路，见图2-17。此外，为了提高变换效率，缩小体积，提高使用寿命，在DC-DC变换中最好采用软开关技术。

图2-17 半桥式变换电路