一種單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件設(shè)計

一種單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件設(shè)計

1光伏并網(wǎng)變壓器模型在世界能源需求不斷增長的今天，全球能源效率走廊的技術(shù)越來越受到重視。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有獨立運(yùn)行模式和并網(wǎng)發(fā)電模式兩種。后者與前者相比,省掉了體積大,價格高,不易維護(hù)的蓄電池,具有造價低,輸出電能穩(wěn)定的優(yōu)點,因而市場前景更為廣闊。作為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)了光伏陣列最大功率點跟蹤,并通過控制算法將電能送入電網(wǎng),使逆變器向電網(wǎng)傳送的功率與光伏陣列所發(fā)出的最大功率相平衡。逆變器的控制需要性能良好的硬件來支撐,為此提出了一種3kW單相光伏并網(wǎng)逆變器的硬件設(shè)計方案,采用該方案的并網(wǎng)逆變器具有工作穩(wěn)定,頻率高,體積小,諧波含量小等特點,從而為中小功率并網(wǎng)逆變器的設(shè)計提供了一種參考方案。2采用dsp控制流程圖1所示的3kW單相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)由功率主電路、控制器、驅(qū)動電路、檢測電路等組成。其中,功率主電路采用DC/DC,DC/AC兩級結(jié)構(gòu);控制環(huán)節(jié)以DSP為控制核心,一方面控制DC/DC環(huán)節(jié),以實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤,另一方面控制DC/AC環(huán)節(jié),以使直流母線電壓穩(wěn)定,并將電能轉(zhuǎn)化為220V/50Hz正弦交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻同相。逆變器并網(wǎng)時,要求其輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相。忽略電網(wǎng)側(cè)濾波電感L2和線路的等效電阻,逆變器輸出側(cè)電壓矢量圖如圖2所示。3主電路開關(guān)頻率該并網(wǎng)逆變器的輸入電壓范圍為125~600V,最大輸入電流為15A,額定功率為3kW。主電路DC/DC部分選用的開關(guān)頻率為20kHz,DC/AC部分選用的開關(guān)頻率為16kHz。以下分別討論開關(guān)管的選型,直流母線支撐電容C、電網(wǎng)側(cè)濾波電感L2和升壓電感L1的設(shè)計方法。3.1開關(guān)管反串聯(lián)環(huán)均流保護(hù)光伏陣列的輸入電壓范圍為125~600V。系統(tǒng)DC/DC部分采用Boost電路;DC/AC部分采用單相全橋逆變電路。Boost電路的開關(guān)管選用帶反并聯(lián)二極管的MOSFET管,且雙管并聯(lián),同步驅(qū)動,可以自動實現(xiàn)均流。在太陽能電池板反接情況下,反并聯(lián)二極管可以提供通路,不至于損壞開關(guān)管。MOSFET選用IXFH30N60P,其耐壓為600V,額定電流為30A,導(dǎo)通電阻為0.16Ω,反向恢復(fù)時間trr≤250ns。選擇TO-247封裝的APT40GP90B2D1型IGBT作為單相全橋的開關(guān)管,其耐壓為900V,額定電流為50A。3.2電容儲能裝置在穩(wěn)態(tài)時,饋入電網(wǎng)的交流電為100Hz的脈動正弦波,即在正半周輸出一次功率,負(fù)半周又輸出一次功率。為了將光伏陣列發(fā)出的平穩(wěn)的直流功率變換為并網(wǎng)發(fā)電所需要的交流波動功率,兩者之間需要一個大容量電容或電感,作為儲能裝置。設(shè)計中采用電容作為中間儲能裝置。電容計算方法為:式中:ΔuC為直流支撐電容波動電壓值;ΔP為功率波動值;Pav為輸出平均功率;ω為角頻率,表示電容上電壓的波動;Ulink為直流母線電壓。設(shè)計電壓在±10%內(nèi)波動,計算可得C≥1200μF。在實際設(shè)計過程中,選擇三組電容并聯(lián),每組由兩個1000μF/300V的電解電容串聯(lián),總?cè)萘繛?200μF。3.3濾波ct設(shè)計濾波電感值可直接影響紋波電流Δi的大小。根據(jù)電流紋波要求,設(shè)L2端電壓為uL2(t),當(dāng)輸出電壓接近峰值,即uL2等于電網(wǎng)電壓峰值UNmax時,輸出電流紋波最大,有:設(shè)電流紋波系數(shù)為ri,要保證實際電流紋波則濾波電感應(yīng)滿足:根據(jù)并網(wǎng)矢量關(guān)系,則關(guān)系式為:設(shè)α為調(diào)制比,且α≤1,即有:由式(4)、式(5)可得:綜合式(3)和式(6)可得濾波電感取值范圍為:文中設(shè)計UNmax=311V,INmax=22A,開關(guān)頻率fs=16kHz,T=62.5μs,設(shè)ri=0.15,計算得1.3mH≤L2≤71mH,在實際設(shè)計過程中,由于電感的體積、成本等因素的影響,一般只需考慮L2值稍大于下限值即可,最終選取L2=1.5mH。3.4變換器輸出電壓的測量對變換器而言,當(dāng)電源電壓下降時,為了使輸出電壓穩(wěn)定,控制線路總是盡量增大占空比D,使電壓增益變大以維持輸出電壓恒定。但在考慮變換器的寄生電阻時,則D值有一個限定,當(dāng)D超過該值時,輸出電壓不僅不增加,反而會減小,在實際應(yīng)用中升壓變換器的最大占空比Dmax都在0.88以內(nèi)。同時,L1的選擇還要滿足紋波的要求,計算公式為:式中:Upv為光伏陣列輸出電壓;f為開關(guān)頻率。根據(jù)輸入電壓范圍125~600V,f=20kHz,計算得L1≥1.5mH,實際設(shè)計中取L1=1.5mH。4光伏系統(tǒng)輸出波形控制光伏并網(wǎng)控制主要涉及功率點控制和輸出波形控制兩個閉環(huán)控制環(huán)節(jié)。根據(jù)光伏陣列的輸出特性,一般采取最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù),以實時調(diào)整光伏電池的工作點,使之始終工作在最大功率點附近。這里,輸出波形控制方式采用了單周數(shù)字控制算法?？刂齐娐房驁D如圖3所示。為了保證逆變器正常工作,需要設(shè)計諸如輸入側(cè)的接地、漏電流檢測、開關(guān)管過流等保護(hù)電路。4.1ds6f803控制電路板將DSP強(qiáng)大的運(yùn)算能力與CPLD的邏輯運(yùn)算功能相結(jié)合,綜合使用DSP和CPLD作為控制核心,開發(fā)了豐富靈活的外圍電路。DSP芯片采用了哈佛結(jié)構(gòu)的DSP56F803,CPLD采用型號為XC95144XL的高性能低電壓可編程邏輯器件。DSP56F803的地址線A6模式設(shè)置為通用輸入輸出口,作為XC95144XL的復(fù)位控制。當(dāng)開關(guān)管短路或電路過壓時,CPLD自動封鎖6路PWM輸出信號,同時觸發(fā)DSP外中斷,直到DSP發(fā)出解鎖命令時將驅(qū)動芯片IR2113的SD端口電平拉低,允許輸出驅(qū)動信號,實現(xiàn)了可靠保護(hù);CPLD通過低位數(shù)據(jù)線D0-D7、低位地址線A0-A3和數(shù)據(jù)選擇信號,擴(kuò)展了DSP數(shù)據(jù)總線。4.2igbt和lo的驅(qū)動電路圖4示出基于IR2113芯片的驅(qū)動電路。將IGBT接成橋臂的形式,要求上橋臂的IGBT驅(qū)動電路不能與下橋臂的IGBT驅(qū)動電路共地。升壓電路和單相逆變器均采用IR2113作為驅(qū)動芯片。圖中,LO和HO分別為低壓側(cè)通道和高壓側(cè)通道的輸出端,SD為關(guān)閉功能引腳。當(dāng)SD端輸入為邏輯高電平信號且持續(xù)時間大于500ns時,IR2113將同時關(guān)閉LIN和HIN兩路輸入信號。5光伏并網(wǎng)電路設(shè)計根據(jù)上述分析,設(shè)計了樣機(jī)并進(jìn)行了實驗。圖5和圖6示出DSP輸出的全橋逆變驅(qū)動信號和逆變器并網(wǎng)波形。由圖5a可見