5kw光伏并网逆变器系统详细设计

5kw 微网逆变器系统设计绪论 # N/ _) v: f Y: |$ B1 [% @3 \/ f1 o“ E e随着人类社会的发展， 能源的消耗量正在不断增加， 世界上的化石能源总有一天将达到极限。同时， 由于大量燃烧矿物能源， 全球的生态环境日益恶化， 对人类的生存和发展构成了很大的威胁。在这样的背景下，太阳能作为一种巨量的可再生能源，引起了人们的重视，各国政府正在逐步推动太阳能光伏发电产业的发展。 而在我国， 光伏系统的应用还刚刚起步， 市场状况尚不明朗。 相信作为当今发展最迅速的高新技术之一， 太阳能光伏发电技术， 特别是光伏并网发电技术将为今后的电力工业以及能源结构带来新的变化。 $ l7 R5 {# [6 Y1 }* O3 T太阳能作为一种新型的绿色可再生能源， 与其他新能源相比是最理想的可再生能源。 特别是近几十年来， 随着科学技术的不断进步， 太阳能及其相关产业成为世界发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点 : 储量丰富、清洁性和经济性、分布范围广泛。 # n9 R% }3 J! \, `5 s这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广并且成效显著。 以光伏电池技术为核心的光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用光伏发电，具有明显的优点: 4 a4 d0 g+ @. t) O$ W“ _# c, O3 h7 ~% W$ z+ s(1) 结构简单，体积小且轻； * H# }! z6 p# u y4 `- N3 a; ]5 ~; |. m9 @1 |(5) 可靠性高、寿命长，并且应用范围广。 : X% M. \# |7 B+ Vb2 G R# A$ d, g6 G) b! B) K0 b h3 h% S8 _# W太阳能光伏发电系统按供电方式大致可以分为独立发电系统、 并网发电系统和混合发电系统三大类。 5 _% C+ u _9 n, ]% n) o0 y2 _“ J4 q8 i; y5kw微网逆变器系统设计 ; w$ L8 i1 g; [- o; S* z微网逆变器系统将可再生能源（如太阳能，风能，水能，地热能，生物质能等）转变为与电网同频、同相的交流电，优先输送给当地负荷供电，剩余的电能馈入电网。微网逆变器系统主要包括：光伏组件、蓄电池组、蓄电池充放电设备、 DC/DC 变换器、微网逆变器、静态开关等。 5kw 微网逆变器设计 + M/ x: |: S/ Z# I5kw微网逆变器系统结构如图 1 所示。 5 @+ S/ U7 d+ i, X* ^$ {. M7 R7 T* B* n; Q N9 k( @3 A3 { \# u: H) R(2) 要求逆变器在负载和日照变化幅度较大的情况下均能高效运行； (3) 要求逆变器能使光伏方阵工作在最大功率点； + D5 J( s“ u9 n% Q5 ^8 X$ S# Y(4) 要求逆变器具有体积小、可靠性高的特点； / z5 s7 \% }/ _+ Z( `: }, { w! Q8 ?8 X# d: z光伏并网系统的拓扑结构 2 l+ M; p8 ]8 ?$ F0 s9 N光伏并网系统的拓扑结构可分为以下三类： `5 C, S1 s4 e: s! V(1) 单级式并网逆变器拓扑 : m7 J* D3 Y O7 m4 Y5 n(2) 两级式并网逆变器拓扑 * e1 G- ~: P+ j1 ]- D5 Y(3) 多级式并网逆变器拓扑 5kw 微网逆变器电路设计 1 @8 H* A% V B% l# K; |9 G( R5 }7 A1 P2 b Y. V系统的硬件总体图如图 2 所示。 0 ~3 x6 ~5 a1 g* |* P \/ E3 R U |“ h _9 o9 ~+ w [ m逆变器的设计 * ] E* M逆变器是光伏并网发电系统的核心部件， 选择高可靠性的逆变模块是电路正常工作的必要条件。下面对 IPM（智能功率模块）组成逆变器和分离元件组成逆变器进行分别阐述。 E! Y$ I! s“ G: v5 DIPM 故障输出信号封锁 IPM 的控制信号通道，软件保护不需要增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响； 硬件保护则反应迅速， 工作可靠。 应用中软件与硬件结合的方法能更好的弥补 IPM 自身保护的不足，提高系统的可靠性。 + \/ s Z4 t“ v6 `: B, i由 IR2130 组成逆变模块电路设计 IR2130 是 600V 以下高压集成驱动器件，它具有六路输入信号和六路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的 6 个功率开关器件， 一片 IR2130 可替代 3 片 IR2110，使整个驱动电路更加简单可靠。 . P, F |% K7 B6 m$ { H- U T: F, ]: }/ J- j+ [由于 DSP不能输入负电压， 故逆变器的输出线电压和线电流， 电网端的线电压和线电流总共12 路信号要通过信号调理才能送入 DSP。; X9 x3 g% t! z _8 Z图 3 电压互感器电路图电流互感器的选择 “ W( J% A Q3 k: p此系统输出电流小于 1A， 故选择最大可以测量 1A 的电压型电流互感器 TA1410， 负载电阻用是 200 欧，输出电压为 -1V~1V 的交流电压。电路如图 4 所示。 ; k9 e4 g H% _9 Y- D$ z图 4 电流互感器电路图 / Y# W- a `, | D1 m# R4 ^6 z. L8 A( R; _) l0 `( _- p, b电平提升电路的设计 由于 DSP输入端不能输入负电平，故要对电压互感器和电流互感器的信号进行 +1.25V 的提升，使输入信号在 0~3.3V 之间。 微网逆变器开关驱动电路设计 : V9 A ^; F9 @ `9 L为了实现微网逆变器、负载、电网间的连接，当电路出现故障，需要快速的切换，故电路中使用了静态开关（晶闸管）、交流接触器、空气开关。 微网逆变器电能计量电路设计 本系统采用两块 ATT7022B分别对逆变器侧和电网侧进行电能计量。 ATT7022B是一款高精度三相电能专用计量芯片，集成了 6 路差分输入二阶 sigma-delta ADC，适用于三相三线和三相四线应用，在输入动态工作范围 (1000： 1) 内非线性测量误差小于 0.1 ％。主要功能包括：电能计量、参数测量、数字接口和数字校准。 , N w, ? ?+ |2 y“ G X; f1 T S! L @, ^* D! |6 C+ o6 ~0 V# y) I0 J; X1 d软件设计和测试结果 根据前面分析讨论， 研制一套基于 TI 公司的 DSP芯片 TMS320LF2812的 5kw光伏并网发电装置。由于 DSP强大的控制能力和数据处理能力，使整机硬件结构较为简单，除了主电路、取样检测电路和驱动电路外， 所有的运算、 数据处理均由 DSP完成。 因此合理有效的控制策略和简洁软件构架是该系统可靠运行的有力保证。 根据前面的分析和光伏并网发电系统的基本要求， DSP应该完成最大功率点跟踪控制、独立供电运行控制、同步锁相与并网控制、孤岛检测保护控制及相应的其它保护。 本章主要根据上述要求给出相应的软件架构及主要实验结果。 6 r( a5 K K) S# k3 s系统的整体软件构架 6微网逆变光伏发电系统的目的是将光伏器件产生的电能优先供给本地负载使用， 多余的电量回馈给电网， 软件的设计不仅要准确可靠地体现控制思想， 而且要保证系统稳定可靠， 防止干扰信号对系统的影响。 同步锁相控制 “ Z* w* |0 }- T# D光伏并网发电系统要实现并网，必须使逆变输出与电网电压的幅度、相位与频率达到一致，否则将会使电网谐波增加、 电能质量下降， 并产生并网环流， 甚至造成光伏发电系统的损坏。因此在并网过程中必须进行同步锁相控制、 输出电压幅度控制以满足并网的要求。 根据 IEEE Std 1547-2003 规定最大相位误差为 20 度，瞬时电压误差不能超过电网电压的 10%、最大频率误差不能超过 0.3Hz。图 5 为独立工作模式时纯电阻负载两端的电压波形。 9 ^8 d8 \% v: G+ i: y9 k图 5 独立工作模式时纯电阻负载两端的电压波形8 I) Z0 u2 q# F- X. D孤岛检测与保护 0 _6 y9 ?& _# n/ { v孤岛效应是包括光伏发电在内的分布式能源必须重视的一个重要问题。 所谓孤岛效应是指在分布式能源系统逆变器并网工作过程中，当市电输入被人为断开或出现故障而停止供电时，逆变器仍持续向局部电网供电，从而使本地负载的供电电源继续处于工作状态。 6 ?) y& Q7 p- a- q/ o7 R