- 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介
- 500W 微網(wǎng)逆變器電路設(shè)計
- 軟件設(shè)計和測試結(jié)果
0 摘要
在20 世紀的世界能源結(jié)構(gòu)中，人類所利用的能源主要是石油、天然氣和煤炭等一次性能源。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加和社會生活水平的提高，能源消費量日益增長， 世界上已經(jīng)出現(xiàn)了能源危機。世界各國都在積極尋找一種可持續(xù)發(fā)展且無污染的新能源，其中太陽能作為一種高效無污染且可持續(xù)發(fā)展的新能源，尤其受到廣泛的重 視。太陽能光伏利用的主要形式為太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，在此背景下，本文在太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計、控制算法研究、系統(tǒng)仿真等方面進行了深入探索。
本文在充分分析近年來光伏發(fā)電領(lǐng)域重要研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套三相光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，對系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、控制電路給出了詳細的設(shè)計要點。以DSP TMS320F2812 為控制核心，實現(xiàn)了電路保護、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置等功能，為各種光伏并網(wǎng)控制算法提供了靈活可靠的硬件平臺。在軟件方面介紹了SPWM 的控制算法，在分析現(xiàn)有最大功率跟蹤(MPPT)方法的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有方法進行了改進，把模糊控制引入到最大功率跟蹤中，并給出了模糊控制規(guī)則庫另外分析 了并網(wǎng)中存在的孤島效應(yīng)問題，并改進了現(xiàn)有解決方法。
隨著人類社會的發(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到極限。同時，由于大量燃燒礦物能源，全球的生態(tài)環(huán)境日益惡化，對人類的生 存和發(fā)展構(gòu)成了很大的威脅。在這樣的背景下，太陽能作為一種巨量的可再生能源，引起了人們的重視，各國政府正在逐步推動太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而在我 國，光伏系統(tǒng)的應(yīng)用還剛剛起步，市場狀況尚不明朗。相信作為當今發(fā)展最迅速的高新技術(shù)之一，太陽能光伏發(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)帶來新的變化。
太陽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，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，太陽能及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)成為世界發(fā)展最快的行業(yè)之一。因為它具有以下的特點:儲量豐富；清潔性和經(jīng)濟性；分布范圍廣泛。
這些技術(shù)尤其在我國的北方和西部應(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能開發(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:
(l)結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕。
(2)容易安裝運輸，建設(shè)周期短。
(3)維護簡單，使用方便。
(4)清潔、安全、無噪聲。
(5)可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。
2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)
2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按供電方式大致可以分為獨立發(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。
2.2 500W 微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)設(shè)計
微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)將可再生能源（如太陽能，風(fēng)能，水能，地熱能，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?shù)刎摵晒╇?，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)開關(guān)等。
2.2.1 500W 微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
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2.2.2 微網(wǎng)逆變器設(shè)計
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)和獨立運行兩種工作模式。微網(wǎng)逆變器主電路采用智能功率模塊進行逆變，產(chǎn)生三相交流電通過三相變壓器
（Y ）進行隔離升壓，并變成三相四線輸出。
2.2.3 靜態(tài)開關(guān)和電能計量設(shè)計
靜態(tài)開關(guān)是微網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中的重要組成部分。靜態(tài)開關(guān)由三組雙向可控硅、兩個空氣開關(guān)以及一個斷路器組成，其閉合和斷開的驅(qū)動信號由DSP 產(chǎn)生。
正常工作時，開關(guān)Switch1、Switch2、Switch3、Switch4 同時閉合，為當?shù)刎摵商峁╇娔埽划旊娋W(wǎng)缺相、電壓嚴重跌落等非正常狀況時，由DSP 檢測出異常情況，做出判斷決策，并控制開關(guān)的開通與關(guān)斷。這時，開通Switch1 和Switch2，關(guān)斷Switch3，保證重要負荷的供電。當逆變器發(fā)生故障時，立即斷開Switch1，逆變器退出，同時斷開Switch4，由電網(wǎng) 對重要負荷供電。當逆變器故障消失時，再與電網(wǎng)同步后，開通Switch1，在閉合Switch4?；謴?fù)對當?shù)刎摵傻墓╇?。當需要檢修逆變器時，先斷開開 關(guān)Switch2，檢修完成后，重新閉合Switch2。
2.2.4 DC/DC 變換器方案設(shè)計
DC/DC 變換器采用Boost 拓撲，實現(xiàn)直流電壓的升壓功能和蓄電池的最大功率點跟蹤（MPPT）。PWM驅(qū)動信號由DSP 產(chǎn)生，通過采集太陽能電池板的輸出電壓和電流，計算瞬時輸出功率，不斷與前一時刻的輸出功率相比較，來跟蹤太陽能電池板的最大輸出功率。
2.2.5 蓄電池充放電設(shè)備設(shè)計
蓄電池充放電設(shè)備的硬件電路采用Buck-Boost 拓撲，驅(qū)動信號由PIC 單片機產(chǎn)生。充電時根據(jù)當前蓄電池狀態(tài)，啟用均充模式或者浮充模式，實現(xiàn)對蓄電池的智能化充電。當系統(tǒng)需要蓄電池放電時，由PIC 單片機產(chǎn)生PWM 驅(qū)動脈沖，實現(xiàn)蓄電池對負載的放電。
2.3 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)中需要專用的逆變器，以保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對電壓、頻率等電性能指標的要求。因此并網(wǎng)時，對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)要求逆變器在負載和日照變化幅度較大的情況下均能高效運行；
(3)要求逆變器能使光伏方陣工作在最大功率點；
(4)要求逆變器具有體積小、可靠性高的特點；
(5)可以在市電斷電情況下逆變器在日照時能夠單獨供電。
2.4 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)
光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為以下三類：
(1)單級式并網(wǎng)逆變器拓撲；
(2)兩級式并網(wǎng)逆變器拓撲；
(3)多級式并網(wǎng)逆變器拓撲。
3 500W 微網(wǎng)逆變器電路設(shè)計
系統(tǒng)的硬件總體圖如下：
3.1 主控制芯片的選擇
控制芯片要實現(xiàn)的功能有:對檢測信號進行A/D 轉(zhuǎn)換；產(chǎn)生PWM 波形；完成MPPT；電能計量和反孤島效應(yīng)的計算過程?？刂齐娐返暮诵钠骷捎妹绹?TI 公司的TMS320F2812DSP(簡稱2812)。
3.2 逆變器的設(shè)計
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IPM（智能功率模塊）組成逆變器和分離元件組成逆變器進行分別闡述。
3.2.1 IPM 逆變模塊介紹
IPM 是一種先進的功率開關(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特點，并具有MOSFET(場效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率等優(yōu)點。IPM 內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也增強了系統(tǒng)的可靠性。
3.2.2 IPM 逆變模塊保護電路設(shè)計
IPM 故障輸出信號封鎖IPM 的控制信號通道，軟件保護不需要增加硬件，簡便易行，但可能受到軟件設(shè)計和計算機故障的影響；硬件保護則反應(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IPM 自身保護的不足，提高系統(tǒng)的可靠性。
3.2.3 由IR2130 組成逆變模塊電路設(shè)計
IR2130 是600V 以下高壓集成驅(qū)動器件，它具有六路輸入信號和六路輸出信號，且只需一個供電電源即可驅(qū)動三相橋式逆變電路的6 個功率開關(guān)器件，一片IR2130 可替代3 片IR2110,使整個驅(qū)動電路更加簡單可靠。[page]
3.3 微網(wǎng)逆變器電源設(shè)計
微網(wǎng)逆變器電源系統(tǒng)直接影響逆變器輸出的輸出的三相交流電，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以一個穩(wěn)定的電壓系統(tǒng)是逆變器穩(wěn)定工作又一必要條件。對于蓄電池供電的電 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。對于實驗時，可以先用外部220V 供電的電源系統(tǒng)，對于實驗完畢成為產(chǎn)品，為了簡化電路，需用內(nèi)部只帶蓄電池供電。
3.4 微網(wǎng)逆變器信號調(diào)理電路設(shè)計
由于DSP 不能輸入負電壓，故逆變器的輸出線電壓和線電流，電網(wǎng)端的線電壓和線電流總共12 路信號要通過信號調(diào)理才能送入DSP。
3.4.1 電壓互感器的選擇
此系統(tǒng)輸出是三相交流電，輸出線電壓為380V，故選擇TV19E 電壓互感器，其輸出負載電阻可以接0～500 歐，輸出交流電壓0～2.5V，此系統(tǒng)采用240 歐的電阻，輸出電壓-1.2V～1.2V。滿足DSP 的輸入要求。電路如圖3.5 所示。
3.4.2 電流互感器的選擇
此系統(tǒng)輸出電流小于1A，故選擇最大可以測量1A 的電壓型電流互感器TA1410，負載電阻用是200歐，輸出電壓為-1～1V 的交流電壓。電路如圖3.6 所示。
3.4.3 電平提升電路的設(shè)計
由于DSP 輸入端不能輸入負電平，故要對電壓互感器和電流互感器的信號進行+1.25V 的提升，使輸入信號在0～3.3V 之間。
3.5 微網(wǎng)逆變器開關(guān)驅(qū)動電路設(shè)計
為了實現(xiàn)微網(wǎng)逆變器、負載、電網(wǎng)間的連接，當電路出現(xiàn)故障，需要快速的切換，故電路中使用了靜態(tài)開關(guān)（晶閘管），交流接觸器，空氣開關(guān)。
3.6 微網(wǎng)逆變器電能計量電路設(shè)計
本系統(tǒng)采用兩塊ATT7022B 分別對逆變器側(cè)和電網(wǎng)側(cè)進行電能計量ATT7022B 是一款高精度三相電能專用計量芯片，集成了6 路差分輸入二階 sigma-delta ADC，適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，在輸入動態(tài)工作范圍(1000：1)內(nèi)非線性測量誤差小于0.1％。主要功能包括：電能計量、參數(shù)測量、數(shù)字接 口和數(shù)字校準。
3.7 微網(wǎng)逆變器DC-DC 電路設(shè)計
為了輸入實現(xiàn)MPPT，輸入DC-DC 采用BOOST 電路。采用SG3525 作為主控芯片。
3.8 微網(wǎng)逆變器蓄電池充放電電路設(shè)計
智能充放電器采用升降壓拓撲結(jié)構(gòu)，并用PIC 單片機進行智能控制，電路既包括智能充電電路，也包括智能發(fā)電電路。
3.9 微網(wǎng)逆變器變壓器設(shè)計
本系統(tǒng)逆變其輸出三相交流電線電壓為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500W。此變壓器起升壓作用，另外起隔離作用。
4 軟件設(shè)計和測試結(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500W 光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置，由于DSP 強大的控制能力和數(shù)據(jù)處理能力，使整機硬件結(jié)構(gòu)較為簡單，除了主電路、取樣檢測電路和驅(qū)動電路外，所有的運算、數(shù)據(jù)處理均由DSP 完成。因此合理有效的控制策略和簡潔軟件構(gòu)架是該系統(tǒng)可靠運行的有力保證。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)該完成最大功率點跟蹤控制、獨立供電運行控制、同步鎖相與并網(wǎng)控制、孤島檢測保護控制及相應(yīng)的其它保護。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 實驗結(jié)果。
4.1 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)先供給本地負載使用，多余的電量回饋給電網(wǎng)，軟件的設(shè)計不僅要準確可靠地體現(xiàn)控制思想，而且要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，防止干擾信號對系統(tǒng)的影響。
4.2 同步鎖相控制
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)要實現(xiàn)并網(wǎng)，必須使逆變輸出與電網(wǎng)電壓的幅度、相位與頻率達到一致，否則將會使電網(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)過程中必須進行同步鎖相控制、輸出電壓幅度控制以滿足并網(wǎng)的要求。根據(jù)IEEE Std 1547-2003 規(guī)定最大相位誤差為20 度，瞬時電壓誤差不能超過電網(wǎng)電壓的10%、最大頻率誤差不能超過0.3Hz。圖片4-1為獨立工作模式時純電阻負載兩端的電壓波形。
4.3 孤島檢測與保護
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重要問題。所謂孤島效應(yīng)(Islanding)是指在分布式能源系統(tǒng)逆變器并網(wǎng)工作過程中，當市電輸入被人為斷開或出現(xiàn)故障而停止供電時，逆變器仍持續(xù)向局部電網(wǎng)供電從而使本地負載的供電電源繼續(xù)處于工作狀態(tài)。
