5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

緒論

隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展，能源的消耗量正在不斷增加，世界上的化石能源總有一天將達(dá)到極限。同時(shí)，由于大量燃燒礦物能源，全球的生態(tài)環(huán)境日益惡化，對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展構(gòu)成了很大的威脅。在這樣的背景下，太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視，各國(guó)政府正在逐步推動(dòng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而在我國(guó)，光伏系統(tǒng)的應(yīng)用還剛剛起步，市場(chǎng)狀況尚不明朗。相信作為當(dāng)今發(fā)展最迅速的高新技術(shù)之一，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，特別是光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)將為今后的電力工業(yè)以及能源結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的變化。

太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比是最理想的可再生能源。特別是近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽(yáng)能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因?yàn)樗哂幸韵碌奶攸c(diǎn):儲(chǔ)量豐富、清潔性和經(jīng)濟(jì)性、分布范圍廣泛。

這些技術(shù)尤其在我國(guó)的北方和西部應(yīng)用較廣并且成效顯著。以光伏電池技術(shù)為核心的光伏利用成為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用光伏發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點(diǎn):

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕；

(2)容易安裝運(yùn)輸，建設(shè)周期短；

(3)維護(hù)簡(jiǎn)單，使用方便；

(4)清潔、安全、無(wú)噪聲；

(5)可靠性高、壽命長(zhǎng)，并且應(yīng)用范圍廣。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按供電方式大致可以分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和混合發(fā)電系統(tǒng)三大類(lèi)。

5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將可再生能源（如太陽(yáng)能，風(fēng)能，水能，地?zé)崮?，生物質(zhì)能等）轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻、同相的交流電，優(yōu)先輸送給當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，剩余的電能饋入電網(wǎng)。微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)主要包括：光伏組件、蓄電池組、蓄電池充放電設(shè)備、DC/DC變換器、微網(wǎng)逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)等。

5kw微網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微網(wǎng)逆變器是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。微網(wǎng)逆變器輸出為三相交流電，具有并網(wǎng)和獨(dú)立運(yùn)行兩種工作模式。微網(wǎng)逆變器主電路采用智能功率模塊進(jìn)行逆變，產(chǎn)生三相交流電通過(guò)三相變壓器（Δ-γ）進(jìn)行隔離升壓，并變成三相四線(xiàn)輸出。

靜態(tài)開(kāi)關(guān)和電能計(jì)量設(shè)計(jì)

靜態(tài)開(kāi)關(guān)是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重要組成部分。靜態(tài)開(kāi)關(guān)由三組雙向可控硅、兩個(gè)空氣開(kāi)關(guān)以及一個(gè)斷路器組成，其閉合和斷開(kāi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP產(chǎn)生。

正常工作時(shí)，開(kāi)關(guān)Switch1、Switch2、Switch3、Switch4同時(shí)閉合，為當(dāng)?shù)刎?fù)荷提供電能；當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)缺相、電壓嚴(yán)重跌落等非正常狀況時(shí)，由DSP檢測(cè)出異常情況，做出判斷決策，并控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與0關(guān)斷。這時(shí)，開(kāi)通Switch1和Switch2，關(guān)斷Switch3，保證重要負(fù)荷的供電。當(dāng)逆變器發(fā)生故障時(shí)，立即斷開(kāi)Switch1，逆變器退出，同時(shí)斷開(kāi)Switch4，由電網(wǎng)對(duì)重要負(fù)荷供電。當(dāng)逆變器故障消失時(shí)，在與電網(wǎng)同步后，開(kāi)通Switch1，再閉合Switch4，恢復(fù)對(duì)當(dāng)?shù)刎?fù)荷的供電。當(dāng)需要檢修逆變器時(shí)，先斷開(kāi)開(kāi)關(guān)Switch2，檢修完成后，重新閉合Switch2。

DC/DC變換器方案設(shè)計(jì)

DC/DC變換器采用Boost拓?fù)?，?shí)現(xiàn)直流電壓的升壓功能和蓄電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由DSP產(chǎn)生，通過(guò)采集太陽(yáng)能電池板的輸出電壓和電流，計(jì)算瞬時(shí)輸出功率，不斷與前一時(shí)刻的輸出功率相比較，來(lái)跟蹤太陽(yáng)能電池板的最大輸出功率。

蓄電池充放電設(shè)備設(shè)計(jì)

蓄電池充放電設(shè)備的硬件電路采用Buck-Boost拓?fù)?，?qū)動(dòng)信號(hào)由PIC單片機(jī)產(chǎn)生。充電時(shí)根據(jù)當(dāng)前蓄電池狀態(tài)，啟用均充模式或者浮充模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的智能化充電。當(dāng)系統(tǒng)需要蓄電池放電時(shí)，由PIC單片機(jī)產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)負(fù)載的放電。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)逆變器要求

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是并網(wǎng)逆變器，而此系統(tǒng)中需要專(zhuān)用的逆變器，以保證輸出的電力滿(mǎn)足電網(wǎng)電力對(duì)電壓、頻率等電性能指標(biāo)的要求。因此并網(wǎng)時(shí)，對(duì)逆變器提出了較高的要求，主要有:

(1)要求逆變器輸出正弦波電流；

(2)要求逆變器在負(fù)載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運(yùn)行；

(3)要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點(diǎn)；

(4)要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點(diǎn)；

(5)在市電斷電情況下，逆變器在日照時(shí)能夠單獨(dú)供電。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為以下三類(lèi)：

(1)單級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

(2)兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

(3)多級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?/p>

5kw微網(wǎng)逆變器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件總體圖如圖2所示。

圖1 5kw微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件圖

主控制芯片的選擇

控制芯片要實(shí)現(xiàn)的功能有:對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；產(chǎn)生PWM波形；完成MPPT；電能計(jì)量和反孤島效應(yīng)的計(jì)算過(guò)程?？刂齐娐返暮诵钠骷捎妹绹?guó)TI公司的TMS320F2812DSP(簡(jiǎn)稱(chēng)2812)。

逆變器的設(shè)計(jì)

逆變器是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，選擇高可靠性的逆變模塊是電路正常工作的必要條件。下面對(duì)IPM（智能功率模塊）組成逆變器和分離元件組成逆變器進(jìn)行分別闡述。

IPM逆變模塊介紹

IPM是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件，具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的特點(diǎn)，并具有MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)。IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

IPM逆變模塊保護(hù)電路設(shè)計(jì)

IPM故障輸出信號(hào)封鎖IPM的控制信號(hào)通道，軟件保護(hù)不需要增加硬件，簡(jiǎn)便易行，但可能受到軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)故障的影響；硬件保護(hù)則反應(yīng)迅速，工作可靠。應(yīng)用中軟件與硬件結(jié)合的方法能更好的彌補(bǔ)IPM自身保護(hù)的不足，提高系統(tǒng)的可靠性。

由IR2130組成逆變模塊電路設(shè)計(jì)

IR2130是600V以下高壓集成驅(qū)動(dòng)器件，它具有六路輸入信號(hào)和六路輸出信號(hào)，且只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，一片IR2130可替代3片IR2110，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單可靠。

微網(wǎng)逆變器電源設(shè)計(jì)

微網(wǎng)逆變器電源系統(tǒng)直接影響逆變器輸出的三相交流電和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以一個(gè)穩(wěn)定的電壓系統(tǒng)是逆變器穩(wěn)定工作又一必要條件。為蓄電池供電的電源系統(tǒng)需要高效率、低紋波。下面分別闡述由外部220V供電和蓄電池供電的電源設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以先用外部220V供電的電源系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)完畢成為產(chǎn)品時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，需用內(nèi)部只帶蓄電池供電。

微網(wǎng)逆變器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

由于DSP不能輸入負(fù)電壓，故逆變器的輸出線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流，電網(wǎng)端的線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流總共12路信號(hào)要通過(guò)信號(hào)調(diào)理才能送入DSP。

電壓互感器的選擇

此系統(tǒng)輸出是三相交流電，輸出線(xiàn)電壓為380V，故選擇TV19E電壓互感器，其輸出負(fù)載電阻可以接0~500Ω，輸出交流電壓0~2.5V，此系統(tǒng)采用240歐的電阻，輸出電壓為-1.2V~1.2V。滿(mǎn)足DSP的輸入要求。電路如圖3所示。

電流互感器的選擇

此系統(tǒng)輸出電流小于1A，故選擇最大可以測(cè)量1A的電壓型電流互感器TA1410，負(fù)載電阻用是200歐，輸出電壓為-1V~1V的交流電壓。電路如圖4所示。

圖3 電壓互感器電路圖

圖4 電流互感器電路圖

電平提升電路的設(shè)計(jì)

由于DSP輸入端不能輸入負(fù)電平，故要對(duì)電壓互感器和電流互感器的信號(hào)進(jìn)行+1.25V的提升，使輸入信號(hào)在0~3.3V之間。

微網(wǎng)逆變器開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)逆變器、負(fù)載、電網(wǎng)間的連接，當(dāng)電路出現(xiàn)故障，需要快速的切換，故電路中使用了靜態(tài)開(kāi)關(guān)（晶閘管）、交流接觸器、空氣開(kāi)關(guān)。

微網(wǎng)逆變器電能計(jì)量電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用兩塊ATT7022B分別對(duì)逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電能計(jì)量。ATT7022B是一款高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，集成了6路差分輸入二階sigma-delta ADC，適用于三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)應(yīng)用，在輸入動(dòng)態(tài)工作范圍(1000：1)內(nèi)非線(xiàn)性測(cè)量誤差小于0.1％。主要功能包括：電能計(jì)量、參數(shù)測(cè)量、數(shù)字接口和數(shù)字校準(zhǔn)。

微網(wǎng)逆變器DC-DC電路設(shè)計(jì)

為了輸入實(shí)現(xiàn)MPPT，輸入DC-DC采用BOOST電路。采用SG3525作為主控芯片。

微網(wǎng)逆變器蓄電池充放電電路設(shè)計(jì)

智能充放電器采用升降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并用PIC單片機(jī)進(jìn)行智能控制，電路既包括智能充電電路，也包括智能發(fā)電電路。

微網(wǎng)逆變器變壓器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)逆變器輸出三相交流電線(xiàn)電壓為190V，結(jié)果三相升壓變壓器（變比1:2）升壓到380V，并采用△-Ｙ接法，功率5kw。此變壓器起升壓作用，另外起隔離作用。

軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果

根據(jù)前面分析討論，研制一套基于TI公司的DSP芯片TMS320LF2812的5kw光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置。由于DSP強(qiáng)大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，使整機(jī)硬件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，除了主電路、取樣檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路外，所有的運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理均由DSP完成。因此合理有效的控制策略和簡(jiǎn)潔軟件構(gòu)架是該系統(tǒng)可靠運(yùn)行的有力保證。根據(jù)前面的分析和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本要求，DSP應(yīng)該完成最大功率點(diǎn)跟蹤控制、獨(dú)立供電運(yùn)行控制、同步鎖相與并網(wǎng)控制、孤島檢測(cè)保護(hù)控制及相應(yīng)的其它保護(hù)。本章主要根據(jù)上述要求給出相應(yīng)的軟件架構(gòu)及主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

系統(tǒng)的整體軟件構(gòu)架

微網(wǎng)逆變光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的是將光伏器件產(chǎn)生的電能優(yōu)先供給本地負(fù)載使用，多余的電量回饋給電網(wǎng)，軟件的設(shè)計(jì)不僅要準(zhǔn)確可靠地體現(xiàn)控制思想，而且要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，防止干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響。

同步鎖相控制

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，必須使逆變輸出與電網(wǎng)電壓的幅度、相位與頻率達(dá)到一致，否則將會(huì)使電網(wǎng)諧波增加、電能質(zhì)量下降，并產(chǎn)生并網(wǎng)環(huán)流，甚至造成光伏發(fā)電系統(tǒng)的損壞。因此在并網(wǎng)過(guò)程中必須進(jìn)行同步鎖相控制、輸出電壓幅度控制以滿(mǎn)足并網(wǎng)的要求。根據(jù)IEEE Std 1547-2003規(guī)定最大相位誤差為20度，瞬時(shí)電壓誤差不能超過(guò)電網(wǎng)電壓的10%、最大頻率誤差不能超過(guò)0.3Hz。圖5為獨(dú)立工作模式時(shí)純電阻負(fù)載兩端的電壓波形。

孤島檢測(cè)與保護(hù)

孤島效應(yīng)是包括光伏發(fā)電在內(nèi)的分布式能源必須重視的一個(gè)重要問(wèn)題。所謂孤島效應(yīng)是指在分布式能源系統(tǒng)逆變器并網(wǎng)工作過(guò)程中，當(dāng)市電輸入被人為斷開(kāi)或出現(xiàn)故障而停止供電時(shí)，逆變器仍持續(xù)向局部電網(wǎng)供電，從而使本地負(fù)載的供電電源繼續(xù)處于工作狀態(tài)。

圖5 獨(dú)立工作模式時(shí)純電阻負(fù)載兩端的電壓波形