500W微网逆变器系统设计
发布时间：2012-3-5 17:14
发布者：1770309616
|
随着人类社会的发展，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视。太阳能光伏利用的主要形式为太阳能光伏并网系统，在此背景下，研究人员在太阳能光伏并网系统的硬件设计、控制算法研究、系统仿真等方面进行了深入探索。 500W微网逆变器系统设计 微网逆变器系统将可再生能源（如太阳能，风能，水能，地热能，生物质能等）转变为与电网同频、同相的交流电，优先输送给当地负荷供电，剩余的电能馈入电网。微网逆变器系统主要包括：光伏组件，蓄电池组，蓄电池充放电设备，DC/DC变换器，微网逆变器，静态开关等。 
500W微网逆变器系统结构图 1.微网逆变器设计 微网逆变器是微网逆变器系统中的关键部分。微网逆变器输出为三相交流电，具有并网和独立运行两种工作模式。微网逆变器主电路采用智能功率模块进行逆变，产生三相交流电通过三相变压器进行隔离升压，并变成三相四线输出。 2.静态开关和电能计量设计 静态开关是微网逆变器系统中的重要组成部分。静态开关由三组双向可控硅、两个空气开关以及一个断路器组成，其闭合和断开的驱动信号由DSP产生。 3. DC/DC变换器方案设计 DC/DC变换器采用Boost拓扑，实现直流电压的升压功能和蓄电池的最大功率点跟踪（MPPT）。PWM驱动信号由DSP产生，通过采集太阳能电池板的输出电压和电流，计算瞬时输出功率，不断与前一时刻的输出功率相比较，来跟踪太阳能电池板的最大输出功率。 4.蓄电池充放电设备设计 蓄电池充放电设备的硬件电路采用Buck-Boost拓扑，驱动信号由PIC单片机产生。充电时根据当前蓄电池状态，启用均充模式或者浮充模式，实现对蓄电池的智能化充电。当系统需要蓄电池放电时，由PIC单片机产生PWM驱动脉冲，实现蓄电池对负载的放电。 500W微网逆变器电路设计 
系统的硬件总体图 1.主控制芯片的选择 控制芯片要实现的功能有：对检测信号进行A/D转换；产生PWM波形；完成MPPT；电能计量和反孤岛效应的计算过程。控制电路的核心器件采用美国 TI公司的TMS320F2812DSP（简称2812）。 2. 逆变器的设计 逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，选择高可靠性的逆变模块是电路正常工作的必要条件。IPM故障输出信号封锁IPM 的控制信号通道，软件保护不需要增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响；硬件保护则反应迅速，工作可靠。应用中软件与硬件结合的方法能更好的弥补IPM 自身保护的不足，提高系统的可靠性。IR2130是600V以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整个驱动电路更加简单可靠。 3.微网逆变器电源设计 微网逆变器电源系统直接影响逆变器输出的输出的三相交流电，整个系统的稳定性，所以一个稳定的电压系统是逆变器稳定工作又一必要条件。对于蓄电池供电的电源系统需要高效率，低纹波。下面分别阐述由外部220V供电和蓄电池供电的电源设计。对于实验时，可以先用外部220V供电的电源系统，对于实验完毕成为产品，为了简化电路，需用内部只带蓄电池供电。 4.微网逆变器信号调理电路设计 由于DSP不能输入负电压，故逆变器的输出线电压和线电流，电网端的线电压和线电流总共12路信号要通过信号调理才能送入DSP。 
此系统输出是三相交流电，输出线电压为380V，故选择TV19E电压互感器，其输出负载电阻可以接0～500欧，输出交流电压0～2.5V，此系统采用240欧的电阻，输出电压-1.2V～1.2V。满足DSP的输入要求。输出电流小于1A，故选择最大可以测量1A的电压型电流互感器TA1410，负载电阻用是200欧，输出电压为-1～1V的交流电压。由于DSP输入端不能输入负电平，故要对电压互感器和电流互感器的信号进行+1.25V的提升，使输入信号在0～3.3V之间。 5.微网逆变器开关驱动电路设计 为了实现微网逆变器、负载、电网间的连接，当电路出现故障，需要快速的切换，故电路中使用了静态开关（晶闸管），交流接触器，空气开关。 6. 微网逆变器电能计量电路设计 本系统采用两块ATT7022B分别对逆变器侧和电网侧进行电能计量ATT7022B是一款高精度三相电能专用计量芯片，集成了6路差分输入二阶 sigma-delta ADC，适用于三相三线和三相四线应用，在输入动态工作范围（1000：1）内非线性测量误差小于0.1％。主要功能包括：电能计量、参数测量、数字接口和数字校准。 7.微网逆变器DC-DC电路设计 为了输入实现MPPT，输入DC-DC采用BOOST电路。采用SG3525作为主控芯片。 8.微网逆变器蓄电池充放电电路设计 智能充放电器采用升降压拓扑结构，并用PIC单片机进行智能控制，电路既包括智能充电电路，也包括智能发电电路。 9. 微网逆变器变压器设计 本系统逆变其输出三相交流电线电压为190V，结果三相升压变压器（变比1:2）升压到380V，并采用△-Ｙ接法，功率500W。此变压器起升压作用，另外起隔离作用。 软件设计和测试结果 根据前面分析讨论，研制一套基于TI公司的DSP芯片TMS320LF2812的500W光伏并网发电装置，由于DSP强大的控制能力和数据处理能力，使整机硬件结构较为简单，除了主电路、取样检测电路和驱动电路外，所有的运算、数据处理均由DSP完成。因此合理有效的控制策略和简洁软件构架是该系统可靠运行的有力保证。根据前面的分析和光伏并网发电系统的基本要求，DSP应该完成最大功率点跟踪控制、独立供电运行控制、同步锁相与并网控制、孤岛检测保护控制及相应的其它保护。本章主要根据上述要求给出相应的软件架构及主要实验结果。 系统的整体软件构架 微网逆变光伏发电系统的目的是将光伏器件产生的电能优先供给本地负载使用，多余的电量回馈给电网，软件的设计不仅要准确可靠地体现控制思想，而且要保证系统稳定可靠，防止干扰信号对系统的影响。 同步锁相控制 光伏并网发电系统要实现并网，必须使逆变输出与电网电压的幅度、相位与频率达到一致，否则将会使电网谐波增加、电能质量下降，并产生并网环流，甚至造成光伏发电系统的损坏。因此在并网过程中必须进行同步锁相控制、输出电压幅度控制以满足并网的要求。根据IEEE Std 1547-2003规定最大相位误差为20度，瞬时电压误差不能超过电网电压的10%、最大频率误差不能超过0.3Hz。 
孤岛检测与保护 孤岛效应是包括光伏发电在内的分布式能源必须重视的一个重要问题。所谓孤岛效应是指在分布式能源系统逆变器并网工作过程中，当市电输入被人为断开或出现故障而停止供电时，逆变器仍持续向局部电网供电从而使本地负载的供电电源继续处于工作状态。 作者：黄华 500W光伏并网逆变器设计 1引言 太阳能的大规模应用将是21世纪人类社会进步的重要标志，而光伏并网发电系统是光伏系统的发展趋势。 光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能，因而节省了投资，系统简化且易于维护。这类光伏并网发电系统主要用于调峰光伏电站和屋顶光伏系统。目前，美、日、欧盟等发达国家都推出了相应的屋顶光伏计划，日本提出到2010年要累计安装总容量达50000MW的家用光伏发电站。作为屋顶光伏系统的核心，并网逆变器的开发越来越受到产业界的关注[1]。 2光伏并网系统设计 2.1系统结构 光伏并网逆变器的结构如图1所示[2]。光伏并网逆变器主要由二部分组成：前级DC-DC变换器和后级DC-AC逆变器。这2部分通过DClink相连接，DClink的电压为400V。在本系统中，太阳能电池板输出的额定直流电压为100V～170V。DC—DC变换器采用boost结构，DC—AC部分采用全桥逆变器，控制电路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC变换器完成最大功率跟踪控制(MPPT)功能，DC-AC逆变器维持DClink中间电压稳定并将电能转换成220V／50Hz的正弦交流电。系统保证并网逆变器输出的正弦电流与电网的相电压同频和同相。 
2.2.1TMS320F240控制板 TMS320F240控制板如图2所示，以TI公司的TMS320F240型DSP为核心，外围辅以模拟信号调理电路、CPLD、数码管及DA显示、通信及串行E2PROM，完成电压和电流信号的采样、PWM脉冲的产生、与上位机的通信和故障保护等功能。 
模拟信号检测电路的功能是把强电信号转换为DSP可以读取的弱电数字信号，同时要保证强电和弱电的隔离。笔者选用惠普公司的HCPL7800A型光电耦合器，其非线性度为0.004％，共模电压为l000V时的共模抑制能力为15kV／lμs，增益温漂为0.00025V／℃，带宽为100kHz。具体隔离检测电路如图3所示。 
DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的开通状态。笔者选用惠普公司的HCPL3120型专用IGBT驱动电路，如图4所示。驱动电路的输入和输出是相互隔离的，驱动电路还有电平转换功能，将DSP的+5V控制电压转换为+15V的IGBT驱动电压，驱动电路电源采用金升阳公司的B0515型隔离电源模块。 
为了给光伏并网逆变器的控制电路、信号采集电路及开关管驱动电路等提供各种工作电源，需要设计1个与主电路隔离的辅助电源。辅助电源的输入电压为100VDC～170VDC；输出的3路电压分别为+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W)；输出电压波动小于1％。笔者采用最新的Topswitch系列FOP222型电路进行辅助电源的设计[3]。辅助电源主电路采用单端反激式拓扑结构，如图5所示。 
MPPT的实质是一种自寻优过程[4]，常用的方法有固定电压跟踪法、扰动观测法、导纳微增法和间歇扫描跟踪法。笔者采用的是间歇扫描跟踪法。其核心思想是定时扫描一段(一般为0.5倍～0.9倍的开路电压1阵列电压，同时记录不同电压下对应的阵列输出功率值，然后比较不同点太阳电池阵列的输出功率，得出最大功率点。笔者对间歇扫描法进行了改进，即在较短时间间隔内只在缩小的跟踪范围内(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)扫描1次。其中Vm和Voc分别是太阳能电池阵列的最大功率点工作电压和阵列开路电压。每隔一段较长时间后再在整个跟踪范围内对各工作点扫描1次。 改进后的间歇扫描法控制既保持了跟踪的控制精度又提高了系统运行的稳定性。 4反孤岛效应控制方法 孤岛效应是指由于电气故障、误操作或自然因素等原因造成电网中断供电时各个用户端的太阳能光伏并网逆变器仍独立运行的现象。一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户的设备造成不利的影响，包括并网逆变器持续供电可能危机电网线路维护人员的生命安全：干扰电网的正常合闸过程：电网不能控制孤岛中的电压和频率。可能造成用户用电设备的损坏[5]。因此解决光伏并网系统的孤岛问题显得尤为重要。 笔者提出了一种正反馈频率扰动的反孤岛检测方法。该方法的主要思想是首先判断当前电网电压频率的漂移方向，然后周期性地对输出电流频率施以相应的扰动。同时观测实际输出电流频率。当输出电流频率跟随扰动信号变化即输出电流频率可由并网逆变器控制时，就成倍增加扰动量。以达到使输出电流频率快速变化而触发反孤岛频率检测的目的。 5实验 笔者对500W光伏并网逆变器进行了测试。采用8块额定功率为50W的多晶硅太阳电池阵列串连，输入电压为100VDC-170VDC，输出电压为220VAC，输出频率为50Hz。输入侧分别用安培表和伏特表测量太阳电池的输入电压和电流，输出侧采用FLUKE43B型电能质量分析仪检测并网逆变器输出交流电压和电流的参数和波形。由于输出交流电流值太小，因此采用在电流探头上绕8匝后测量。 测试结果是太阳电池的输出电压基本在122V左右，输出电流为2A，输出功率为244W。由测试结果可以看出。逆变器的输出电压为230.9V，输出功率为1.45kW／8=181.2W，所以逆变器的效率为0.74，逆变器的效率包括DC-DC变换和DC-AC变换及辅助电源的总效率。逆变器输出功率因数为0.97，基本保持与网压同频和同相。输出电流的基波分量占电流总量的99.6％，输出的电能质量是令人满意的。 6结束语 由实验波形可以看出，所设计的光伏并网逆变器工作稳定。性能良好。由于采用了以TMS320F240型：DSP为主的控制电路，系统具有较好的动态响应特性。采用了具有最大功率跟踪和反孤岛控制功能的软件设计，因而能充分利用太阳能电池的能源且能检测孤岛效应的发生。 作者： 杨海柱1，金新民1，刘洁2 (1、北京交通大学电气工程学院，北京100044； 2、焦作大学计算机工程系，河南焦作454003) |
网友评论