5KW离网型光伏逆变器的设计

智能建筑电气文献综述院（系） 新能源学院专业班级 电气（光伏） 122 学 号 121806034 学生姓名 宿泽达5.1 辅助电源设计 . 25 5.2 系统检测与保护电路设计 . 28 5.2.1 直流电压电流采样电路 . 28 5.2.2 交流电压与频率的采样 . 29 5.2.3 温度检测电路 . 30 5.2.4 功率驱动模块 IGBT 30 5.2.5 逆变器保护电路设计 . 33 6 系统软件设计 . 35 6.1 系统主程序设计流程 . 35 6.2 设计 . 36 6.3 A/D 中断程序的设计流程 . 37 结论 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 43 附图 . 44 1 绪论1.1 本课题的意义目前 传统的石化能源与经济、环境的矛盾越来越突出。能源是经济与社会发展的基本动力 但由于常规能源的有限性和分布不均匀性 造成世界上大部分国家的能源供应不足 不能满足经济可持续发展的需要。从长远来看 全球已探明的石油储量只能用到 2020 年 天然气也只能延续到 2040 年左右 即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二、三百年。而传统的石化能源所带来的环境问题也令人担忧。每年有数十万吨二氧化硫和二氧化碳等有害物质排向空间 使大气环境遭到严重污染 直接影响居民的身体健康和生活质量 局部地区形成严重的酸雨区 又严重污染水土。同时由于排放大量温室气体而产生的温室效应 已引起全球气候恶化。发展可再生能源已成为全球课题。而综观可再生能源种类 风能、生物能、太阳能中 太阳能的利用前景最好 潜力最大。近 30 年来 太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展 成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。而其中的太阳光伏发电是世界上节约能源、倡导绿色电力的一种主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。而随着我国光伏发电系统的迅速发展 尤其是光伏屋顶计划的实施 国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏发电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成 其中逆变器则是光伏系统中重要的器件之一 其可靠性和转换效率队推行光伏系统、降低系统造价至关重要。1.2 太阳能光伏发电的现状近几年 国际上光伏发电快速发展 美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划。国际光伏市场开始由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展 光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。美国政府最早制定光伏发电的发展规划 1997 年又提出“百万屋顶”计划 能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策 总光伏安装量已达到 3000MW 以上美国连续三年光伏产业均高于 30的年增长率上升 其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的。日本于 1974 年开始执行“阳光计划” 投资 5 亿美元 一跃成为世界太阳电池的生产大国 1994 年提出朝日七年计划 计划到 2000 年推广 16.2 万套太阳能光伏屋顶已完成。 1997 年又宣布 7 万光伏屋顶计划 到 2010 年将安装 7600MW 太阳电池。1993 年 德国首先开始实施由政府投资支持 被电力公司认可的 1000 屋顶计划继而扩展为 2000 屋顶计划 现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过 5000。德国政府并于 1999 年开始实施 10 万太阳能屋顶 每户约 3kW5kW计划。并且 1999 年德国光伏上网电价为每千瓦时 0.99 马克 极大地刺激德国乃至世界的光伏市场。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国 也纷纷制定光伏发展计划 并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度、马来西亚等东南亚国家 也制定了国家的光伏发展计划。我国光伏发电经历了两次飞跃。第一次飞跃始于二十世纪 80 年代末 当时 我国正处于改革开放蓬勃发展时期。国内先后引进多条太阳能电池生产线 太阳能电池生产能力由原来的几百瓦升至几兆瓦。引进的光伏电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次飞跃在 2000 年以后 为光伏产业的大力发展阶段。在国际大环境影响下 国际项目的启动和市场需求以及国家政策的促进下 我国光伏技术及应用显著发展。如 2002 年国家实施的送电到乡和送电到村的工程 都采用了光伏发电技术。我国西部居住人口分散 太阳能资源丰富 太阳能光伏发电成为首选能源。自 20 世纪 80 年代 我国太阳能光伏技术得到了迅速发展 以每年 30-40的速度持续高速增长 尤其是进入 21 世纪以来 世界光伏产业的发展年均增长超过了 60经历了从小规模到现在的地面睡觉大规模利用的时代。 2000-2002 年 光伏发电技术在我国的优势显现出来。特别是在 2002 年近 800 个无电乡政府用电问题被解决。这样巨大的规模在国际上也是很小见得。接下来的 2002-2005 年 我国解决了上万个自然村和行政村的用电问题。这些村庄都处于偏远地区 十分分散 只能建造独立的太阳能发电系统。 2007 年以后 我国光伏产业的年增长率超过 100。经过近 30 年的发展 我国光伏发电产业已初具规模 但在总体上和国外相比仍然有一些差距 我国的光伏发电的生产规模较小 光伏发电的技术水平较低 光伏电池的使用效率及封装水平都与国外存在差距 我国的光伏发电的产出成本高 光伏发电的材料性能与国外有一定的差距 而且部分只能采用进口材料 市场培育和发展迟缓 缺乏培育和开拓的支持政策、措施。1.3 太阳能光伏发电的概述太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言 太阳能发电指的是太阳能光伏发电 简称“光电” 。它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护即可形成大面积的太阳电池组件 再配合上功率控制器等部件 就形成了光伏发电装置。根据需求和应用场合的不同 太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。1.4 本课题的内容和设计要求本设计围绕着光伏发电展开的 对于光伏发电系统中的独立光伏发电系统的光伏电池、逆变器进行全面的分析研究 重点对光伏逆变器做了详细的设计 包括对其硬件电路和软件编程的设计。结合实际需求 设计出一个单相离网型光伏逆变器 可以广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统 具有输出电压精度高、波形好、现场总线实现智能控制等特点。本文的重点是设计一种离网型的光伏逆变器 从以下几个方面进行研究设计1 首先介绍光伏发电的基本情况及前景。了解光伏发电系统的组成和分类 概述了下光伏发电系统的分类 并提出离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。2 分析光伏发电的原理及光伏电池的工作原理及分类 分析了光伏电池的输出特性 并针对其输出特性介绍了 MPPT方法。3 对逆变器中逆变电路的设计 其中包括硬件电路的设计以及软件的设计。硬件设计包括对主回路的设计以及辅助电路的设计 对滤波电路的设计选型以及对功率驱动模块 IPM 和 UC3842 的介绍。软件设计包括生成 SPWM 的程序以及在线计算 SPWM 波的占空比的编程的设计。4 设计通过 TMS320LF2812A实现对全桥逆变电路的控制 实现对光伏离网型逆变器的运行状况的监测与保护2 光伏发电系统2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统 是利用光伏电池的光伏效应 将太阳能转化为电能 储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。白天 日照达到一定强度 由光伏电池阵列直接向负载和蓄电池提供电能 或者是部分电能直接送到电网。夜晚或阴雨雾天 光伏电池阵列输出的能量太小 则由蓄电池向负载提供能量。负载可以是直流负载 也可以是交流负载。如果是直流负载 发电系统直接对其进行供电 如果是交流负载 光伏电池输出的直流电通过 DC/AC 电路逆变 向其提供交流电能。基本的光伏系统主要是由光伏电池阵列、控制器、变换器、逆变器及蓄电池组成。光伏电池是整个系统的核心部分 其主要功能是将太阳能转换成电能 储存或者直接供给负载使用。控制器的主要作用是控制光伏电池的工作状态的 使其工作在最大功率点上 同时控制蓄电池的充放电 对蓄电池和负载起到保护作用。变换器是将光伏电池阵列提供的直流电压变换成适合负载使用的电压。逆变器是将直流电逆变成交流的 220V 供给交流负载使用。蓄电池是当白天日照强度大的时候 光伏电池发出的直流电除了提供给负载外还有剩余 就存贮在蓄电池中 以供夜晚或阴雨天没有光照或者光照强度不足时 提供给负载。提高了系统供电可靠性。2.2 光伏发电系统的分类光伏发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况 把光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统。并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统 将光伏电能馈送给公共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段 并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分 是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统 该系统具有不间断电源的作用 还可以充当功率调节器 稳定电网电压、消除高次谐波分量 从而提高电能质量 不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统 逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能 送往公共电网 当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时 电网自动向负载补充电能。1 所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图 主要包括光伏电池阵列、DC/AC 逆变器、 DC/DC 变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统的供电可靠性的需要 在 DC/DC变换器输出端连接蓄电池组。独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的 主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用 如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿 即公共电网难以覆盖到的地区 为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。交流负载蓄电池控制器光伏电池组件DC/DC 变换器直流负载DC/AC 变换器电网图 2-1 并网光伏发电系统独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等部分。图 2-2 所示是典型独立光伏发电系统的结构示意图。光伏电池组件控制器DC/AC 变换器 DC/DC变换器直流负载交流负载蓄电池图 2-2 独立光伏发电系统控制器中含有阻塞二极管 阻塞二极管的主要作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵最大输出电流 反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时 阻塞二极管两端有一定的电压降。由于光伏发电系统具有使用方便 安全可靠 维护简单等优点 常用来为一些无电或电网供电不稳定场所供电。独立光伏发电系统的应用范围非常广泛 如光纤通讯系统、微波中继站、卫星通讯和卫星电视接收系统、农村程控电话系统、部队通讯系统、铁路和公路信号系统、灯塔和航标灯电源、海洋浮标电源、石油和天然气输送管道阴极保护、气象和地震台站、水文观察、污染检测等灾害测报仪器电源等 甚至还可以用在航空设备以及飞机、车辆、船舶等交通。混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统 以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足 或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合型光伏发电系统是风光互补系统 系统结构框图如下图 2-3 所示。光伏阵列 DC/DC 变换器风力发电 AC/DC变换器蓄电池逆变器直流负载交流负载图 2-3 混合型光伏发电系统在通常情况下 白天日照强 夜间风多 夏季日照强 风小 冬春季日照强度小但是风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性 其优点显见 利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出 提高系统供电的稳定性和可靠性 在保证供电情况下 可以大大减少储能蓄电池的容量 对混合型光伏发电系统进行合理的设计和匹配可以基本上由风光系统供电 不需要启动备用电源和备用发电机 一次获得较好的经济效益。但是 风光互补联合发电系统的存在 一次性投资较大 并需要定期更换蓄电池等缺点4 离网型光伏逆变器4.1 光伏逆变器的概述随着我国光伏发电系统的迅速发展 尤其是光伏屋顶计划的实施 国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成的 其中逆变器是光伏系统中的重要器件之一 它的可靠性和转换效率对推行光伏系统、降低系统造价至关重要。在很多场合 都需要提供 AC220V、 AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 DC12V、 DC24V、 DC48V。为了能向 AC220V的电器提供电能 需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能 因此需要使用 DC-AC逆变器。离网型光伏逆变器的主要作用是将光伏电池输出的直流电变换成适合交流负载使用的交流电。4.2 逆变器的基本结构离网型光伏逆变器的结构如下图所示 包含了一次回路和二次回路两部分 该设计采用了双电源供电的模式 其中主回路由输入滤波电路、单相全桥逆变电路和输出滤波电路等组成 辅助回路主要有 TMS320F2407A控制电路、信号检测电路等组成。如图所示KM EMI 滤波器DC/DC 辅助电源UC3842 LEM1 LEM2 DC/AC TLP520 光耦数字信号处理TMS320LF2407 升压变压器5V 15V -15V 15V 15V 15V 15VC220V 过流欠压或过压超温频率采样IPM 逆变C1 C2C3 图 4-1 离网型光伏逆变器的结构方框图主回路是通过输入滤波电路对输入的 220V 直流电进行滤波处理 采用全桥逆变进行逆变处理 输出 SPWM 波 经过工频变压器升压 输出 260V 的交流电再经过输出滤波器的滤波 输出 50Hz220V 的交流电。4.2.1 Boost 电路Boost 电路如图 4-2 所示 其中 Q 为全控型的功率器件 IGBT Boost 电路是一种输出电压等于或高于输入电压的非隔离直流变换电路 当光伏控制器的输入电压在允许范围内波动时 通过控制功率开关器件 Q 的导通比 D 使输出电压保持稳定。Us QDL CUo 图 4-2 Boost 电路根据 Boost 电路中电感电流是否连续可以分为电感电流连续、电感电流断续和电感电流临界连续三种工作模式。当工作临界工作模式时 电感的取值满足式 4-1 。PUTUUUL 002 24-1 当输出功率等于 5kW 时 计算得 L20μ H 当工作在电感电流连续模式下时 输出电压纹波较小 电容充放电电流的变化率也较小 具有很好的电能输出质量 本设计中选取 P100W 时所对应的临界电感值 L1mH。电感电流连续模式下 需要的电容值为00 00 UDTI URDTUC4-2 要想获得输出为 220VAC的正弦波 考虑到 SPWM 调制技术的最大利用率 0.866 和调制度 以及 IGBT管的导通范围 Boost 变换器需要将直流电压升到 420V 纹波电压为直流电压的 5‰ 即为 2.1V 占空比 D 选取最大值 0.9 代入式 4-2 求得电容值为 1033μ F 考虑到一定裕量 选取 3 个并联的 470μ F的电解电容。4.2.2 输入滤波电路的设计输入滤波电路是由滤波电容组成是用来减小输入端电压的脉动 假如变换器传输最大功率为 P m 由输入输出功率相等可得出一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为rin fPW max 4-3 式 4-3 中 η 为变换器的效率 f r 为功率 IGBT开关器件的工作频率。将 P m 5KW, η 0.94, f r 18kHz 代入上式可得 W in ≈ 0.2955J,每半个周期输入滤波电容所提供的能量为minmin 22 ininin VCVW4-4 式 4-4 中 V inmin 为最小输入直流电压 Δ V inmin 一般取 1V inmin 滤波电容选用铝电解电容 为了减小电容的等效串联电阻 本设计采用了 100V 10000UF*10 的电解电容并联实现。4.2.3 逆变电路的设计本设计采用的是电压型单相全桥逆变电路。由于输入的直流电压为 220VDC 该逆变器的功率为 5KW 采用的是日本三菱第五代 IPM 功率驱动模块。逆变采用的电路为单相全桥逆变 如图 4-3 所示CU i VT1 VD2Z U 0 VD1VT3VD3 VT2VT4VD4 i 0 图 4-3 单相全桥逆变电路4.2.4 SPWM 的实现产生 SPWM 波的方法有多种 主要分为硬件实现方法和软件实现方法两大类。硬件实现方法是在模拟电路里采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现 SPWM 波控制 但此方法硬件电路复杂 实现困难且不易改进。本设计采用数字方法控制 即用软件实现。本设计采用软件编程生成 PWM 波来控制 IGBT的触发信号。本设计采用的是规则采样法生成 SPWM 波。规则采样法就是将自然采样法中的正弦调制波与三角载波周期中心的交点就是阶梯波水平线段地中点。这样 三角载波与阶梯波水平线段的交点 A、 B两点就分别落在正弦调制波的上下两边 从而减少了以阶梯波调制的误差。另外 由于 A、 B 两点对于三角载波周期中心线对称 因而使 PWM 脉冲信号发生得以简化。由图 7-1 所示。三角载波的调制度为 M 正弦调制波的角频率为 ω1 根据相似三角形的几何关系容易得出规则采样法 SPWM 脉宽 δ 以及脉冲间隙时间 δ ’的表达式为式 4-5 和式 4-6 中 t D 为三角载波的中心的时间值 T C 为 SPWM 载波信号周期 M 为三角载波的调制度。图 4-4 SPWM 脉冲信号规则采样法生成原理4.2.5 工频隔离变压器当 220V 的直流电通过逆变器逆变后生成的 SPWM 波的大小约为 140V 左右 需要通过升压使逆变输出的电压能够给交流负载供电。即逆变输出的电压为 220V 的交流电。首先把直流电逆变成工频低压交流电 再通过工频变压器升压呈 220V。 50Hz 的交流电给负载使用。它的有点事结构简单 各种保护功能均在较低电压下实现。因其逆变电源与负载之间存有工频变压器 故逆变器运行稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强 且能够抑制波形中的高次谐波成分。4.2.6 LC输出滤波电路通过变压器变压后的 SPWM 波中含有载波频率的整数倍及其附近的谐波分量。所以需要滤波 常见的滤波装置有单电感滤波 LC滤波 还有 LCL滤波。单电感滤波器结构简单 但是 由于高频谐波衰减特性不够理想 需要较大的电感量才能对谐波进行有效衰减 或者 需要采用较高的开关频率来降低谐波电流 因此 单电感 L 滤波器通常用于小功率高开关频率的并网逆变器中。 LC滤波器用场合在公共并网 / 独立双模式逆变器中 当逆变器工作在独立模式时 LC滤波器能有效衰减输出电压的高频谐波部分从而可以获得理想的输出电压波形 当逆变器工作于并网模式时 由于电网电压的钳制作用 仅滤波电感对并网电流起滤波作用 滤波电容相当于本地负载。 LCL滤波器对高频分量呈高阻抗 对高频谐波电流可起到很大的衰减作用 即使在低开关频率和较小的电感情况下也能满足电流谐波衰减要求。所以 LCL滤波器通常用于较低开关频率的中大功率场合。本设计采用的是 LC滤波。 LC低通滤器的选取主要考虑几个方面的因素 噪声、抑制能力、输出阻抗、逆变电流应力。设计中还要综合考虑滤波电路的体积、重量以及制作成本 通常截止频率选择在开关频率的 1/101/20 。 本设计中选择系统开关频率为 18kHz,逆变器输出交流电源频率为50Hz 初步确定截止频率为 1kHz 滤波器中有两个待定的参数 即滤波电感和滤波电容。LC低通滤波器的结构如图 4-5 所示。C Z2Z1 UinL Uout 图 4-5 LC低通滤波器结构图LC滤波器的传递函数为1211 2 20 swswsUsU lin 4-7 式 5-6 中 ωl 为 LC谐振的角频率 , LCw l /1为阻尼系数CL R L 21S 为拉普拉斯算子。滤波器的截止频率为LCf c 214-9 串联阻抗和并联阻抗的乘积KCL jwCjwLZZ21 4-10 L、 C值确定后 K 为常数 由于 L/C 具有阻抗平方量纲 故 K 也可以用滤波器的另一参数 R表示2 RKCL4-11 式 4-11 中 R 为标称特性阻抗 R和负载电阻L R 的关系L RR8.05.04-12 本设计中逆变器功率为 5kW 输入额定电压为 220VDC 要求输出频率为 50Hz 电压有效值为 220VAC的正弦波。逆变器满载工作时 可得68.95000220 22 PUR L 4-13 所以744.784.4 R 初步选定 R6 将 R 代入式 4-10 与式 4-11 中 可得L995μ H,C36.53μ F 实验实际选择 L1mH C10μ F 则此时 LC低通滤波器的截止频率为kHzLCf c 6.1215 控制回路的设计5.1 辅助电源设计本设计是基于 UC3842 的单端反激式开关电源的设计来设计该系统的辅助电源 辅助电源作用是给整个光伏逆变器系统的控制电路、驱动电路、检测报警电路等提供稳定的低压电源 是系统稳定可靠工作的重要保障。电源板将输入的电变成 15V 的直流电给驱动板和采样板供电。输出的 5V 的直流电给液晶板供电。 UC3842 是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片。内部采用的是双闭环控制 内环是电流控制环外环是电压控制环。无论是电流变化 还是电压的变化 都会是 PWM 输出脉冲占空比发生变化。这种控制方式可改善系统的电压调整率 提高系统的瞬态响应速度 增加系统的稳定性。其控制系统框图如图 5-1。电流型 PWM 是在脉宽比较器的输入端 直接用流过输入电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较 从而调节占空比 使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统。因此 无论开关电压的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高。由该集成电路构成的开关稳压电源与一般的电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有外围电路简单、电压调整率好、频响特性好、稳定幅度大、具有过流限制、过压保护和欠压锁定等优点。其内部电路结构如图 5-2 所示。UC3842 是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出 能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少 外围电路简单 电压调整率可达 0.01 工作频率高达 500kHz 启动电流小于 1mA 正常工作电流为 5mA 并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及 PWM 锁存器电路。其内部结构及基本外围电路如图 5-3 所示。UC3842 是 8 脚的双列直插的封装形式。如图 5-2 所示第 1 脚为补偿脚 内部误差放大器的输出端 外接阻容元件以确定误差放大器的增益和频响。第 2 脚是反馈脚 将采样电压加到误差放大器的反相输入端 再与同相输入端的基准电压进行比较 产生误差电压 控制脉冲的宽度。第 3 脚为电流传感端 在功率管的源极串接一个小阻值的采样电阻 构成过流保护电路。当电源电压异常时 功率管的电流增大 当采样电阻上的电压超过 1V 时 UC3842 就停止输出 有效地保护了功率管。第 4 脚为锯齿振荡器外部定时电阻 R与定时电容 C的公共端。第 5 脚为地。第 6 脚为图腾柱式输出电压 当上面的三极管截止的时候下面的三极管导通 为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路 加速了功率管的关断。第 7 脚为输入电压 开关电源启动的时候需要在该引脚加一个不低于 16V 的电压芯片工作后 输入电压可以在 10 30V 之间波动 低于 10V 时停止工作。第 8 脚为内部 5.0V 的基准电压输出 电流可达 50mA。根据 UC3842 的特点 该设计的辅助电源是由 UC3842 设计的开关电源。交流输入后通过整流滤波得到直流电压 经过 LM317 后获得 16.5V 的直流电压 作为 UC3842 芯片的启动电压。芯片启动后通过脉宽调制控制功率管的开关从而实现稳压输出。控制电路的核心是 UC3842 其后级的高速开关功率管要求满足一定的耐压值和足够大的额定电流。这里可以选用 IRF540 其耐压值高达 100V 额定电流可以达到 33A。高频变压器的升压系数为 1.2 采用双桥间距为 0.3mm 的铁氧铁芯 由直径 0.65mm 的铜丝绕制而成。高频变压器出来的脉动直流电压 先通过二极管整理 再通过 3 个 50V/3300 μ F 的电解电容 和由一个 33μ H 电感和 2 个 104 的电容构成∏型滤波器进行滤波后输出。其 UC3842 的核心电路如图 5-4 所示。如图 5-4 所示 UC3842 的工作频率由 4 脚和 8 脚间的 RT和 CT决定的。理论上其内部的振荡频率最高可达 500kHz。在本系统中 RT和 CT分别选用了 10kΩ 和0.045μ F 可以计算得其工作频率约为 40kHz 符合开关电源的要求。在 UC3842 的 2 脚处接上一个 10KΩ 的电位器 通过改变开关功率管的通断状态 来调节输出电压的高低 实现稳压的目的。输出的 U经过高频变压器的变压后可以输出需要的电压等级。5.2 系统检测与保护电路设计本设计中的采样信号有直流电源的电压与电流、市电的电压与频率、逆变输出的电压与频率、驱动板上的温度等。利用霍尔电流传感器分别去采样交流电和直流电。通过旁路电压检测电路、直流电压检测电路和逆变电压检测电路来采集市电的电压与频率、直流电压与电流以及逆变电压与频率。利用温度继电器来进行过温保护。5.2.1 直流电压电流采样电路图 5-5 所示的为直流电压采样电路图 R1、 VR1和 R10 为分压电阻 将直流电压分压后给运放 本文用的是 LM358,这里采用的是其双电源工作模式。电压与电流信号经过光耦隔离后 经过去藕电容 C105后送给 DSP2812的相应端口进行采样。5.2.2 交流电压与频率的采样图 5-5 是交流电的采样电路 主要采样的交流电有逆变输出 以及旁路输入的交流电 将旁路检测的电压通过变压器的变压后 通过分压和 RC滤波电路后输入到 DSP的对应端口 频率采样是通过放大电路后送到 DSP的 CAP过零捕获来进行频率采样的。对于旁路输入还有电流的检测 和交流电压的检测类似 这里就不多说了。5.2.3 温度检测电路VA3.3 输入输出 R19 C7R20C8D4 图 5-7 温度检测电路图 5-6 是温度检测电路 当采样板上的温度传感器检测到的温度过高时 这时风扇会转动起来 给逆变器降温 避免温度过高导致一些元器件的损坏。将输入的温度传感器的信号通过运放送到 DSP的相应端口。5.2.4 功率驱动模块 IGBT 本设计采用的电压型单相全桥逆变电路。使用的是三菱第五代 IGBT芯片的 IPM 功率模块 采用 SPWM 控制技术 采用 PI 控制与闭环负反馈控制相结合的数字控制策略。IPM 是由高速、低功耗 IGBT、优选的门极驱动即保护电路构成。其中 IGBT是 GTR 和 MOSFET复合 由 MOSFET驱动 GTR,因而 IPM 具有 GTR和 MOSFET的优点。其内置栅极驱动和保护电路 保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护和短路保护。IPM 采用了许多在 IGBT模块已经得到验证的功率模块隔离封装技术。由于采用了两种不同的封装技术 使得内置栅极驱动电路和保护电路能适用的电流范围很宽 同时使造价维持在合理水平。 根据内部功率电路配置情况 IPM 有 4 种形式 单管封装 H 、双管封装 D 、六合一封装 C 和七合一封装 R ,如图 5-8 所示。IPM 的各种保护功能具体如下控制电压欠压保护 UV 如 7 管封装的 R 型 IPM 为例 当控制电源电压降低时会导致 IGBT的 Vce 功耗增加 为防止热损坏 当检测到控制电源电压低于 12.5V 时发生欠压保护 封锁门极驱动电路 输出故障信号。过温保护 OT 在靠近 IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器 所以过温保护可直接检测 IGBT单元的硅片温度 当 IPM 温度传感器测出基板的温度超过设定值OT动作电平 时 发生过温保护 封锁门极驱动电路 输出故障信号。短路保护 SC 若负载发生短路或控制系统故障导致短路 流过 IGBT的电流值超过短路动作电流 一般为 IBGT额定工作电流 2 倍 且短路时间超过off t SC,则发生短路保护 封锁门极驱动电路 输出故障信号 为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间 IPM 内部使用实时电流控制电路 RTC 减小响应时间 从而有效抑制了电流和功率峰值 提高了保护效果。过流保护 OC 有些六管封装的 C型 IPM 具有过流保护功能。若流过 IGBT的电流值超过过流动作电流值 则发生过流保护 封锁门极驱动电路 输出故障信号。跟短路保护一样 为避免发生过大的 di/dt, 大多数 IPM 采用两级关断模式。当 IPM 发生 UV、OT、 SC、 OC中任以故障时 其故障输出信号持续时间 t on 为 1.8ms 一般的 SC持续时间会长点 此事件内 IPM 会封锁门极驱动 关断 IPM 故障输出信号持续时间结束后 IPM 内部自动复位 门极驱动通道开放。且需要采用电气隔离装置 防止干扰 驱动电源的绝缘电压至少是 IPM 极间反向耐压值的 2 倍 ;驱动电路输出端地滤波电容不能太大 因为当寄生电容超过 100pF 时 噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。因为 IPM 自身提供的 F0 信号不能保持 为避免 IPM 保护动作的反复性 一个完整的系统不能只依靠 IPM 的内部保护机制 还需要辅助外围电路的保护 外围辅助电路将内部提供的 F0 信号转换为封锁 IPM 的控制信号 关断 IPM 输入信号 实现保护。可通过硬件方式实现 也可通过软件方式实现。5.2.5 逆变器保护电路设计保护电路是逆变器系统的重要组成部分 其作用是反映系统的运行情况并保障系统的安全运行。逆变器中引起元器件损坏的故障原因主要有短路、过流、过压和过热 逆变器的检测包括直流侧电压检测 逆变输出电压检测以及旁路输入的电压检测等。因此在逆变器系统中保护电路能够及时地反映出这些故障状态 并按照保护策略做出相应的动作。保护电路有硬件保护和软件保护。下面我们就直流母线 直流侧 的过流保护进行介绍。直流侧过流保护的原理是根据直流侧流过的电流来判断逆变桥以及逆变输出是否过流或者短路。其原理图如 6-10 所示。直流侧电流保护将对直流侧流过的电流进行采样 直流侧电流经过霍尔元件采样后如图 5-10 b 所示 采样后经过一个 RC滤波电路后将与给定的直流侧电流最大值进行比较。若检测到的直流侧电流大于给定值 则比较器输出为负压 从而端口 Dc-P 输出为低电平 即保护动作。若检测到的直流电流小于给定值则比较器输出为正压 端口 Dc-P 输出为高电平 无保护动作信号。其他的类似 都是通过检测电路将需要的量检测然后与给定值进行比较后 做出相应的动作。6.1 系统主程序设计流程基于 DSP的光伏发电系统的软件程序设计的最终目的是实现前级最大功率点跟踪后级 SPWM 逆变。软件程序主要包括主程序和中断服务子程序。主程序完成系统的初始化工作 中断服务子程序则主要完成采样以及数据处理等工作。在最大功率点跟踪中断服务子程序中 先采样电池电压和电流 然后对数据进行处理 得到实时的功率 接着对比上一次采样的功率 从而计算出 Boost 电路的输出占空比 在 SPWM 中断服务子程序中 先是对输出电压采样 与参考电压比较之后生成电流参考信号 和采样的输出电流比较 然后进行 PID 调节 最后更新比较寄存器 得到 SPWM 驱动信号。主程序中包括必要的初始化程序和主循环程序。初始化包括对特殊寄存器以及外部事件管理器中的寄存器的初始化 同时对变量进行定义。主循环里完成多个非中断的功能 一旦中断来临程序就跳转到相应的中断服务子程序根据设计的要求 它完成了系统的电压电流采样、过电压检测、逆变器驱动信号产生以及切换交流直流输入的功能等。本设计采用的是以 DSP2812为主控芯片 系统主流程图如图 6-1 所示。本设计主要是用 DSP来生成 PWM 波去驱动 Boost 升压电路和 IPM 中的逆变桥 利用事件管理器的一个全比较单元输出一对互补的 SPWM 脉冲 利用定时器生成 PWM 波去驱动 Boost 升压电路。时钟由通用定时器 1 提供 计数器的工作方式设置为连续增减方式。将在每一个周期内产生两次电平翻转 即 PWM 引脚输出一个脉冲。若要实时改变输出脉冲的占空比 在每个脉冲周期内在线计算并改写比较寄存器 CMPR1 的值即可。功率开关器件有一定关断延迟 当同一个桥臂的上管关断时 下管不能马上开通 否则将会由于短路而击穿 使用 DSP事件管理器的全比较单元中的死区控制器 在同一桥臂的开通和管短间插入一个死区时间 防止短路现象发生 保护功率器件。通过对比较单元的寄存器进行适当的设计可以方便的发出所需要的 SPWM 波。SPWM 程序主要包括 对 EVA初始化、相关变量初始化、正弦波的产生和 CMPR1 的重载 前三个功能都是在主程序完成的 如图 6-1 所示。DSP端口资源的分配如表 6-1 所示6.3 A/D 中断程序的设计流程CMPR1的重载是通过比较单元匹配中断实现的 中断服务程序流程如图 6-2 所示。整个程序是由主程序和 T1 定时器中断子程序组成 主程序用于 DSP TMS320F2812 系统初始化及在线计算 T1 定时器中断子程序用于更新 PWM 输出的占空比。占空比的计算方法为 ; sin12 1DC taT 式 6-1 中 T C 三角波的一个周期时间 ω1 为正弦调制信号的角频率 t D 三角波的波谷时间。如上图 5-3 所示。其中 M 为调制比 N X 为载波比 C 1 C 2 为常数 是通过 T1PR寄存器值与调制比计算得出。A/D 转换的触发源设置为 EV 中的事件源触发 当 AD 单元接收到触发信号时 自动开始 A/D 转换 且将转换结果自动存入结果寄存器 ADC-RESULT中 当转换结束信号到来时 进入 ADCINT中断服务程序进行相应处理。在中断服务程序中首先读取转换结果 利用计算平均值滤波算法对转换结果进行数字滤波 按一定关系转换成相应的实际电压和电流 计算电流和电压的有效值 传递到主程序中进行判断和谐波分析并通过液晶显示出来 程序流程如图 6-3 所示。结论本设计是围绕对离网型逆变器的设计 对于逆变器内部的主要模块进行了理论分析和研究 主要包括光伏电池阵列、驱动电路、控制电路几个部分 具体内容如下1 对光伏发电系统的工作原理、结构类型进行了详细的分析。2 根据光伏电池的数学模型 对不同温度、不同光照情况下的输出特性进行了仿真研究 并对 MPPT 方法进行了分析。3 完成对逆变器主电路的设计。主要采用的是单相全桥逆变电路 介绍了电压型逆变电路的特点及 PWM 的算法 完成对输出电感电容的选型。4 完成对逆变器的二次回路的设计。对电源板上的主控芯片 UC3842 及驱动板上的驱动模块 IPM 进行介绍。5 最后是软件的设计 本设计采用的是 DSP控制电路。通过 DSP的定时中断生成PWM 波去控制驱动模块上逆变电路的驱动信号。本次设计是在公司里完成的 让我深深感受到自己学的专业知识的薄弱。通过这次设计 将以前所学习的理论知识和实践作了一次很好的融合。既扎实了基础 又灵活了运用。这次设计是我认识到 在以后的学习中 要多加强理论知识学习的同时 注重实践的培养 用理论去指