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小功率单相光伏并网逆变器设计

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自20世纪90年代以来,太阳能发电技术得到了持续高速发展,光伏发电已经成为当今太阳能主要利用形式之一。作为发电系统的核心环节,已经成为该领域的研究热点。本文基于光伏并网的基本原理和控制策略,提出了一种单相光伏并网的电路设计方案,从功率回路、采样、驱动以及保护等模块介绍逆变器的硬件设计到结合逆变器实际控制结构的软件设计,通过实验证明,本设计能够很好地达到并网的要求。

结合以上控制策略与光伏并网发电系统结构及逆变器的实际需求,设计了一种单相可调度式光伏并网发电系统。如图1所示,此系统主要有光伏阵列、Buck/Boost变换电路、全桥逆变器、滤波电路、工频隔离变压器、切换电路、储能环节、信号采集调理电路、驱动电路、及输入输出设备等组成。

1.1 硬件电路设计

1.1.1 功率回路设计

功率回路又叫一次回路,如图2所示,电路采用前级直流升压后级全桥逆变的拓扑结构。直流电压经过滤波升压之后进入逆变环节,通过控制全桥逆变开关管的开通关断,使逆变器输出占空比变化的一系列SPWM波,后经过LC滤波后得到低压交流电,然后通过升压变压器将输出电压升到符合并网要求的电压,同时防止直流量注入电网。

1.1.2 驱动电路设计

Boost驱动电路选用TI公司的专用驱动芯片UCC27324。该芯片可同时输出两路信号,用来驱动低端MOSFET/IGBT,功耗低、驱动能力强、响应速度快、电路简单性能优越,电路设计如图3所示。

与升压电路不同,全桥逆变电路的驱动需要考虑高端管子和低端管子的问题,因此可以采用独立电源供电或附加自举电路两种驱动方式,本系统选择的驱动芯片为美国国际整流公司生产的IR2110芯片,该芯片内部使用自举技术,实现一块芯片同时输出两个驱动逆变桥中高端与低端的通道信号,它内部的自举操作提供了悬浮电源,悬浮电压保证了IR2110可直接用于母线电压为-4~500V的系统中驱动MOSFET/IG BT,如图4所示。

1.1.3 检测电路设计

为了降低研发成本,同时解决隔离问题,220V交流电检测电路采用简单的降压检测方法,即首先使用限流电阻将电压信号转换为电流信号,然后通过1000:1000的电流互感器进行隔离,输出的电流信号经过跟随得到电压小信号,最后通过一系列整流滤波将电压转换为可以允许的0~3.3V之间的电压信号。

通过硬件电路将正弦电压信号转化为方波信号,这样便于控制器的CAP单元准确地捕获该信号,从而计算该电压信号的频率和相位。实际硬件电路是通过比较器LM311实现这一功能的,该交流电压的检测电路与相位检测电路仿真图如图5所示,频率相位检测结果如图6所示。

1.2 软件设计

系统软件设计的好坏严重影响着系统的可靠性和高效性。本系统设计时,考虑到许多控制参量的实时性要求高,并且系统中包含多个控制状态,因此在设计时借鉴了TI公司的软件编写结构以及采用了状态机的控制模式,从而实现系统工作的实时性和多种工作模式的有效切换。如图7所示。

根据状态机控制图,结合逆变器实际控制结构,设计软件编写结构,该结构采用三种不同的计时时间解决紧急事件,另外三个中断事件处理优先级更高的事件,它们是闭环控制、捕获事件、SCI数据接收。系统的软件结构如图8所示。

在该系统中,使用了3个主要任务,即Task_A0、Task_B0、Task_C0。Task_A0:1ms任务,它包括四个子任务,在本系统中只用到了A1、A3两个子任务。A1的任务为处理状态机的转换,状态机的状态每20ms检查一次,因此新的运行模式将在20ms以后开始运行;A3用于逆变器上的按钮检测及相关LED指示灯及相关显示控制。

Task_B0:4ms任务,同样具有四个子任务。B1用于故障检测,包括短路检测、过流检测、电网电压、频率检测以及直流母线电压检测;B2处理测量数据的计算,如计算电网电压有效值和输出电流有效值、有功功率、直流母线电压以及过零检测等;B3处理开机检测;B4没有使用,可用于控制板之间通讯的扩展。

Task_CO:0.5ms任务,C0用于SCI通讯。

2 光伏并网逆变器控制策略

对于并网逆变器,要想实现并网运行需要具备以下几个要求:1)输出的电压和电网电压同频同相且幅值相同;2)要求逆变器输出的电流与电网电压同频同相即功率因数为1;3)逆变器输出满足电网电能质量要求。满足以上要求除合理的拓扑结构、设计合理的信号采集调理电路外,有效的控制策略也是不可或缺的。

逆变器有两种工作模式:独立运行模式和并网运行模式。当逆变器工作于独立运行模式时,控制器通过检测逆变器的输出电压实现对逆变器的控制,多采用电压闭环控制系统。但是,在并网模式下,需要保证逆变器输出的电压电流与电网同频同相,减小并联环流,同时需检测逆变器输出电流的大小,以控制逆变器输出功率,因此,当逆变器工作于并网模式下,一般采用电流控制方式。

3 实验结果及结论

依照以上硬件电路与软件设计方案,基于TMS320F28035编写软件程序,在允许输入波动范围内保证逆变器输出电压恒定且满足实验要求,在实验时采用逐步增加功率的方法,搭建了600W光伏并网逆变器系统的实验平台。如图9所示,实验的输入由直流开关电源提供,实验中的负载为100W白炽灯,测试仪器为质量分析仪、数字万用表、示波器等。最终的实验结果如图10所示,图(a)、(b)为逆变器在满功率运行时的电压电流输出波形,输出电压为225.2V,输出电流为9.3A,电压电流波形THD为3.3%、4.2%。需要说明的是,为了便于实验中电流的测试,在检测电流时,由于选用的电流钳的量程很大,因此为了提高测量精度,将电流放大了不等倍数,现满载运行时的测量电流为实际电流的四倍。从实验波形可以看出,实验输出波形满足设计要求。

4 总结

本文从硬件电路设计和软件设计两方面介绍了单相并网逆变器的设计过程。通过功率回路、驱动电路、检测电路的介绍与软件编程结构的分析成功搭建实验平台。实验表明,硬件电路设计合理,软件逻辑正确,能够确保逆变器在并网状态下平稳、高效、精确的运行。