100kW光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案要點(diǎn)

1、100kW 光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案目錄1. 百千瓦級(jí)光伏并網(wǎng)特點(diǎn) 22 光伏并網(wǎng)逆變器原理 33 光伏并網(wǎng)逆變器硬件設(shè)計(jì) 33.1 主電路 63.2 主電路參數(shù) 73.2.1 變壓器設(shè)計(jì) 錯(cuò) 誤！未定義書簽。3.2.3 電抗器設(shè)計(jì) 73.3 硬件框圖 103.3.1 DSP 控制單元 113.3.2 光纖驅(qū)動(dòng)單元 113.3.2 鍵盤及液晶顯示單元 133 光伏并網(wǎng)逆變器軟件 131. 百千瓦級(jí)光伏并網(wǎng)特點(diǎn)2010年全球太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量將達(dá)到 10000MWp (我國(guó)將達(dá)到 400MWp), 2010年以后還將呈進(jìn)一步加速發(fā)展趨勢(shì)。百千瓦級(jí)大型光伏發(fā)電并 網(wǎng)用逆變控制功率調(diào)節(jié)設(shè)備，成

2、本低，效率高，容量大，被國(guó)內(nèi)外光伏界公認(rèn)為 是適合大功率光伏發(fā)電并網(wǎng)用的最具技術(shù)含量、最有發(fā)展前景的新一代主流產(chǎn) 品，直接影響到未來光伏發(fā)電的走向。百千瓦級(jí)大功率光伏并網(wǎng)逆變電源其應(yīng)用對(duì)象主要為大型光伏并網(wǎng)電站， 從 原理上講， 其并網(wǎng)控制技術(shù)與中小功率光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制技術(shù)基本相同， 但由 于裝置容量較大，在技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)和功能設(shè)計(jì)方面卻有較大區(qū)別。在技術(shù)指標(biāo)上，主要會(huì)影響：1. 并網(wǎng)電流畸變率在系統(tǒng)的額定容量達(dá)到一定數(shù)量級(jí)時(shí)， 一些存在的技術(shù)問題將會(huì)逐步暴露并 影響到系統(tǒng)的性能指標(biāo)， 其最重要的一點(diǎn)就是并網(wǎng)電流波形畸變率的控制和電流 濾波方式。該系統(tǒng)中的主變壓器一般選擇為三相 八型式，

3、且容量較大，此時(shí)變 壓器的非線性和勵(lì)磁電流對(duì)并網(wǎng)電流波形的影響不容忽視， 否則會(huì)引起并網(wǎng)電流 波形的明顯畸變和三相電流不平衡。2. 電磁噪聲由于是三相橋式逆變結(jié)構(gòu)，受IGBT功率模塊的開關(guān)頻率限制及考慮系統(tǒng)的 效率指標(biāo)， 系統(tǒng)的電流脈動(dòng)要遠(yuǎn)高于中小功率系統(tǒng)， 對(duì)電流的濾波和噪聲控制需 要特別注意，此時(shí)對(duì)系統(tǒng)的濾波電路設(shè)計(jì)和并網(wǎng)電流 PWM控制方式的研究至關(guān) 重要。由于系統(tǒng)的dv/dt、di/dt和電流幅值較大，其EMI和EMC的指標(biāo)實(shí)現(xiàn)可能存 在技術(shù)難度， 由于系統(tǒng)的噪聲可能影響其電流、 功率的檢測(cè)和計(jì)算精度， 在最大 功率跟蹤和孤島效應(yīng)識(shí)別等方面的影響還難以預(yù)計(jì)。在技術(shù)指標(biāo)上，主要考慮：1)

4、 主電路工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2) 散熱工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3) 驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)2光伏并網(wǎng)逆變器原理光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將光伏陣列的直流電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻同相的交流電 能饋送給電網(wǎng)，并保證具有較高的并網(wǎng)功率因數(shù)。光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的三相逆變器的 開發(fā)有多種思路。設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)良好的系統(tǒng)并且使其滿足客戶的 需要。在5kW到1MW容量之間的較大規(guī)模光伏系統(tǒng)已日趨普及，隨之而來的是 光伏系統(tǒng)工業(yè)中三相并網(wǎng)逆變器重要性的提升。2.1光伏系統(tǒng)組成一個(gè)所謂的光伏系統(tǒng)包括一個(gè)光伏陣列及許多稱作系統(tǒng)平衡 (BOS的部件， 這些部件對(duì)使太陽能加以利用懂得準(zhǔn)備工作是必需的。 一般來說一個(gè)光伏裝置如 圖2-1所示。DC loads

5、PV array a aV7 AC loadsstorage圖2-1 一個(gè)光伏系統(tǒng)的基本組成光伏陣列發(fā)出夾有變化的電壓及電流的直流電，它可以直接向直流負(fù)載供 電。如果要向交流負(fù)載供電，就需要通過一個(gè)逆變器將光伏陣列發(fā)出來的直流電 轉(zhuǎn)化成規(guī)定電壓和頻率的交流電。如果光伏陣列不是直接向負(fù)載供電的話就需要有一個(gè)存儲(chǔ)裝置。 大多數(shù)情況 下這個(gè)裝置是電池但還有其它技術(shù)諸如利用水泵存儲(chǔ)器、 飛輪、超導(dǎo)線圈及氫氣 等目前處于試驗(yàn)階段，有的也已經(jīng)投入運(yùn)行了。這種系統(tǒng)是獨(dú)立于電網(wǎng)的。增加這種小存儲(chǔ)設(shè)備供電可靠性的一種方法是將光伏裝置與其它類似的發(fā)電裝置如柴油機(jī)發(fā)電裝置或風(fēng)能轉(zhuǎn)換器相結(jié)合。這些系統(tǒng)稱為混合型系統(tǒng)。

6、本方案重點(diǎn)介紹并網(wǎng)的光伏系統(tǒng)。這種系統(tǒng)相對(duì)便宜、易于控制，而且它們 不需任何存儲(chǔ)設(shè)備。2.2太陽能電池光伏系統(tǒng)內(nèi)最小的組成部件是太陽能電池。 它是一種半導(dǎo)體裝置、十分特殊 的一種二極管。在入射光的照耀下有自由電子產(chǎn)生，他們?cè)陔妱?shì)差的作用下從 P-N結(jié)處分離出來。這樣就會(huì)有電壓產(chǎn)生，接有負(fù)載時(shí)就可產(chǎn)生電流（如圖2-2所示）。LICHT圖2-2太陽能結(jié)晶電池向電阻負(fù)載供電示意圖目前，每年生產(chǎn)的太陽能電池中超過 80%的是由硅制成的。但是，也有其它 的半導(dǎo)體材料在應(yīng)用而且許多技術(shù)在研究中12。薄膜技術(shù)可以節(jié)省很大開銷。 目前它們主要用于消費(fèi)產(chǎn)品及一些微型的獨(dú)立應(yīng)用。到 2010年它們有望成為除 硅晶

7、片外有價(jià)值的可供選擇材料 。但是，它們?nèi)匀徊豢赡芡耆〈杈?.3光伏組件為了使光伏發(fā)電在實(shí)際應(yīng)用中易于控制，太陽能電池被安裝于光伏系統(tǒng)組件 內(nèi)部。在組件內(nèi)部，電池通過串并聯(lián)連接來達(dá)到要求的電壓、電流。特殊的組件 是根據(jù)物理結(jié)構(gòu)決定的機(jī)械和光學(xué)特性來選擇的。玻璃/tedla典型組件是大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)型組件。為易于安裝它們通常有一 個(gè)鋁制框架。但是，也有無框的玻璃/tedlar組件。玻璃/tedlar組件主要應(yīng)用于建筑 中集成的光伏系統(tǒng)。Isc和Uoc分別是短路電流和開路電壓。MPP代表“最大能量點(diǎn)”，在U/I曲 線上指所發(fā)出的功率達(dá)到它的最大值的點(diǎn)。在 MPP點(diǎn)處通常給出電流、電壓比 及功

8、率的大小。光伏系統(tǒng)組件的典型電壓/電流曲線如圖2-3所示圖2-3光伏系統(tǒng)組件的 U/I曲線硅晶片元件的開路電壓Umpp隨溫度的上升以大約0.4%的速度降低。短路電 流隨溫度的上升增加的極其緩慢，但它與太陽輻照度成比例增長(zhǎng)。2.4光伏逆變器拓?fù)鋵?shí)際中的DC/AC轉(zhuǎn)換通常是用脈沖寬度調(diào)制(PWM)的逆變器來實(shí)現(xiàn)的。 PWM轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)來與電網(wǎng)連接的通常以電流源形式工作的。當(dāng)電壓和頻率由 電網(wǎng)決定時(shí)，它們向電網(wǎng)注入最大電流，功率因數(shù)通常接近1。如果電網(wǎng)斷開，逆變器絕不可以繼續(xù)工作。逆變器設(shè)計(jì)的第一個(gè)重要決策是對(duì)主電路拓?fù)溥M(jìn)行選擇。太陽能板極電壓和并網(wǎng)應(yīng)用電壓都將決定拓?fù)涞倪x擇。功率、溫度和建模方式的

9、綜合作用將使直流 輸入電壓變化范圍擴(kuò)大。首要的拓?fù)渌悸肥菦Q定是否使用DC/DC變換器來對(duì)直 流母線電壓進(jìn)行預(yù)調(diào)節(jié)，DC/DC變換器工作在一個(gè)較寬的直流輸入范圍內(nèi)，但 其價(jià)格較高且在工作點(diǎn)處的變換效率較低。如果不使用DC/DC變換器，考慮太陽能電池板的耐壓，光伏逆變器需要配 置一 50Hz的隔離變壓器，隔離變壓器則提供了網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)電壓應(yīng)用的靈活性，但 它卻降低了系統(tǒng)的總效率。本方案設(shè)計(jì)三相光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2-4所示。圖2-4三相光伏并網(wǎng)拓?fù)涮柲茈姵匕遢敵龅恼?fù)極接到三相全橋逆變電路的直流母線上，逆變橋輸出經(jīng)電抗器連接到工頻隔離變壓器一次側(cè)，變壓器二次側(cè)通過一個(gè)交流接觸器接 到市電網(wǎng)?？紤]直

10、流母線電壓過低時(shí)，在同等功率條件下，母線電流增大，長(zhǎng)線 傳輸損耗會(huì)增大，而直流母線電壓過高時(shí)，功率開關(guān)管的耐壓受到限制，且太陽 能陣列組允許承受的電壓幅值（最大1000v）。3光伏并網(wǎng)逆變器硬件設(shè)計(jì)3.1主電路圖1為采用工頻變壓器隔離的三相光伏并網(wǎng)逆變器的主電路。文件夾：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電路圖100kw主電路.DDB100kW主電路P1.SCH。料單見電路圖 文件夾下的“ 100KW并網(wǎng)主電路料單.doc”UI1圖3-1工頻變壓器隔離的主電路太陽電池陣列輸出直流電壓，經(jīng)防反二極管連接到逆變橋的直流母線，二極管主要防止夜間電網(wǎng)向太陽電池陣列反灌電能。逆變橋使用SPWM技術(shù)進(jìn)行DC/AC的

11、輸出轉(zhuǎn)換，其交流側(cè)經(jīng)電抗器L與工頻變壓器連接，再由工頻變壓器隔 離、升壓并入電網(wǎng)。逆變電路中的功率開關(guān)器件選用具有開關(guān)損耗低、工作頻率高、安全工作區(qū)寬等優(yōu)良特性的絕緣門極雙極型晶體管IGBT，其額定電壓由直流側(cè)電壓決定，并適當(dāng)考慮安全裕量；變壓器起隔離逆變器和電網(wǎng)的作用， 逆變 器功率器件開關(guān)導(dǎo)致電位浮動(dòng)所產(chǎn)生的漏電流， 以及逆變器在控制中產(chǎn)生的微小 直流電流均被有效隔離和抑制，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。3.2主電路參數(shù)3.2.1電壓矢量分析為分析方便，將圖3-1中變壓器及其后級(jí)（電網(wǎng)側(cè)）等效為電網(wǎng)，忽略主電 路內(nèi)阻，則主電路等效電路如圖11所示。其中，Un為逆變橋輸出電壓，Ul為電 感壓降，U

12、eb為等效電網(wǎng)電壓，i為并網(wǎng)電流。+ ULUnUeb+圖3-2 主電路等效電路圖3-2中，電壓矢量滿足等式：Un =UL Ueb根據(jù)圖11中電壓與電流參考方向，并網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)控制電感上的電流與電 網(wǎng)電壓同頻同相，可得電壓矢量如圖3-3。Ueb圖3-3 并網(wǎng)時(shí)電壓矢量電壓幅值滿足下式：Un U2 Ujb(2)太陽電池板的耐壓受一定限制，直流側(cè)電壓不能太高，設(shè)計(jì)直流電壓最高不超過800V。322變壓器設(shè)計(jì)三相橋式PWM逆變電路U相和V相輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)電壓的基波分量UUN1和UVN1分別為：Uuni =仏a sin (魚門)丨2Uvn1 =U± asin( t -")(4

13、)23則輸出線電壓uuv的基波分量為：uUV1 =Ud a si n( rt 亠氓)-as in ( rt ：:-2.) = 3U dasi n( rt 亠住亠1 二)2 326當(dāng)調(diào)制度a為最大值1時(shí)，uuvi的幅值為 Ud?？紤]死區(qū)電壓損失7%,則2逆變橋輸出線電壓有效值為：1 3UnUd93%：0.6Ud(6)2 2按額定功率下電抗器壓降Ul為Ueb的0.2倍考慮，同時(shí)考慮Ul有3倍的調(diào)節(jié)余 量，由式可得：Un 二.U U.0.36UebU； =1.17U eb(7)聯(lián)立式和式，有：Ueb =0.513Ud(8)假設(shè)太陽電池陣列工作電壓范圍 400V800V,變壓器一次側(cè)的電壓有效值 為：

14、Ueb =0.513Ud =0.513 400V = 205V因此，變壓器可選擇為一次側(cè)200V,二次側(cè)380V勺的工頻變壓器323電抗器設(shè)計(jì)系統(tǒng)中并網(wǎng)濾波電抗的作用是連接電網(wǎng)和平滑并網(wǎng)電流，其參數(shù)的選擇關(guān)系到并網(wǎng)電流波形的誤差脈動(dòng)幅度和跟蹤電流的有效范圍。若電抗器L值選擇過大，則在同樣開關(guān)頻率下，輸出電流紋波會(huì)較小；但電流跟蹤幅值有效范圍減少，太 陽電池并網(wǎng)功率會(huì)受到限制；反之，若 L值選擇過小，雖然電流跟蹤有效范圍增 大，但輸出電流紋波會(huì)較大，并產(chǎn)生與裝置容量不符的較大的電磁噪聲和干擾。 故電感值的設(shè)計(jì)選擇應(yīng)以滿足并網(wǎng)功率要求和最小電流脈動(dòng)幅度為設(shè)計(jì)約束條 件。當(dāng)變壓器一次側(cè)為150V寸，

15、根據(jù)系統(tǒng)額定功率Pe (100kW)可定出電抗器的 額定電流:Pe1000003Ueb,3 150二 384(A)工程上一般設(shè)計(jì)額定功率下電抗器壓降Ul為Ueb的0.2倍考慮，即變壓器一次側(cè)150V寸，電抗器壓降Ul為30V，因此電抗器設(shè)計(jì)為380A/40V。3.3硬件框圖為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的控制器硬件結(jié)構(gòu)，提高可靠性、一致性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用全數(shù)字化控制方案，選用TI公司的電機(jī)專用 DSP數(shù)據(jù)處理芯片TMS320LF2406A作為控制核心。多變量的采樣、電流跟蹤控制、多路SPWM的發(fā)生、無功與諧波計(jì)算、電壓穩(wěn)定控制、參數(shù)設(shè)定調(diào)節(jié)、通訊和各種保護(hù)等均由 中央處理單元完成，這些工作的實(shí)時(shí)性對(duì)

16、 CPU的運(yùn)算能力和速度提出了較高要 求。專用的DS數(shù)據(jù)處理單元為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案提供的選擇途徑和技術(shù)保障?？刂葡到y(tǒng)硬件由三部分組成：DSP控制單元、鍵盤及液晶顯示單元及隔離驅(qū)動(dòng)電路，如圖3-4所示功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大液晶顯示 參數(shù)設(shè)定669RS 485圖3-4控制系統(tǒng)硬件框圖信號(hào)采樣及保護(hù)電路逆變電流 負(fù)載電流 電網(wǎng)電壓直流電流直流電壓溫度3.3.1 DSP 控制單元該單元主要完成信號(hào)采樣、運(yùn)算和 SPWM 的輸出控制， TMS320LF2406A 是其核心， 模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的采集有： 三相并網(wǎng)逆變電流、 三相電網(wǎng)電壓和 同步、母線直流電流、母線直流電壓、 散熱器溫度、驅(qū)動(dòng)故障和端口控制信

17、號(hào)等。 為提高系統(tǒng)的采樣精度和抗干擾能力，所有信號(hào)的采樣和輸出均隔離變換。將DSP芯片、采樣、通訊部分設(shè)計(jì)成一塊四層 PCB板，對(duì)應(yīng)：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電路圖 控制板MCTD . DDB'Documents'MCTD.PCB。 其原理圖對(duì)應(yīng)：100kW 技術(shù)轉(zhuǎn) 讓資 料 電 路圖 控 制 板 MCTD . DDBDsp 外設(shè).Sch采樣.SCH、保護(hù)通訊.SCH。料單：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電路圖 控制板MCTD料單.doc。將電壓采樣變壓器、輸出繼電器設(shè)計(jì)成一塊 PCB板，對(duì)應(yīng)：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電路圖 采樣板 SMPSG.DDB'Documents&#

18、39;SMPSG.PCB 其原理圖對(duì)應(yīng)：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 采樣板SMPSG測(cè)量電源.sch信號(hào)測(cè)量 .Sch。料單：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電路圖 采樣板SMPSG料單.doc?？刂苹芈返妮o助電源常使用開關(guān)電源，設(shè)計(jì)在一塊PCB板上，對(duì)應(yīng)：100kW 技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電 路 圖 控制電 源FBPOWER20.PCB。其原理圖對(duì)應(yīng)：100kW 技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電 路 圖 控制電 源FORBAK 電源.sch。料單：100kW技術(shù)轉(zhuǎn)讓資料 電路圖 電源板FBPOWER20料單.doc。3.3.2 光纖驅(qū)動(dòng)單元由于主電路功率單元強(qiáng)電，控制單元為弱電，二者之間容易產(chǎn)生相互干擾， 嚴(yán)重影響并網(wǎng)逆變器的

19、安全可靠運(yùn)行。 典型的光纖是由玻璃或塑料制成， 光纖發(fā)送器與接收器之間沒有直接的電連接，這有助于減輕環(huán)路噪聲，并且隔離各種電壓，防止相互干擾；光纖的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是自身不產(chǎn)生附加輻射，并對(duì)電磁干擾 (EMI)不敏感，這將防止光纖干擾附近的導(dǎo)線，也防止附近的導(dǎo)線感應(yīng)或耦合噪 聲干擾。基于光纖傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)利用光纖傳輸實(shí)現(xiàn)控制單元與功率單元之 間的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電之間的隔離，避免強(qiáng)電對(duì)傳輸信號(hào)的干擾。在本系統(tǒng)中，由于只需要完成近距離的光纖傳輸，因此選用安捷倫公司生產(chǎn) 的HFBR-1521/2521光纖發(fā)射/接收器，它們具有體積小、功耗低、安裝方便的優(yōu) 點(diǎn)，它的主要技術(shù)指標(biāo)是：1. 發(fā)射波長(zhǎng)是820nm；2. 最高數(shù)據(jù)傳輸速率5MBd ；3. 最長(zhǎng)傳輸距離是40m;4. 適用于 50/125 卩珂 62.5/125 卩 m,100/140um,200umHCS5. 工作溫度范圍-40T +85C