W光伏并網(wǎng)逆變器的設計

1、500W光伏并網(wǎng)逆變器的設計Solar168  07-02-26 11:21:13  出處:國外電子元器件 作者:楊海柱等  編輯:xzj     1 引言 太陽能的大規(guī)模應用將是21世紀人類社會進步的重要標志，而光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的最大優(yōu)點是不用蓄電池儲能，因而節(jié)省了投資，系統(tǒng)簡化且易于維護。這類光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要用于調峰光伏電站和屋頂光伏系統(tǒng)。目前，美、日、歐盟等發(fā)達國家都推出了相應的屋頂光伏計劃，日本提出到2010年要累計安裝總容量達50 000MW的家用光伏發(fā)電站。作為

2、屋頂光伏系統(tǒng)的核心，并網(wǎng)逆變器的開發(fā)越來越受到產(chǎn)業(yè)界的關注。 2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設計 2.1 系統(tǒng)結構 光伏并網(wǎng)逆變器的結構如圖1所示。光伏并網(wǎng)逆變器主要由二部分組成：前級DC-DC變換器和后級DC-AC逆變器。這2部分通過DClink相連接，DClink的電壓為400V。在本系統(tǒng)中，太陽能電池板輸出的額定直流電壓為100V170V。DCDC變換器采用boost結構，DCAC部分采用全橋逆變器，控制電路的核心是TMS320F240型DSP。其中DC-DC變換器完成最大功率跟蹤控制(MPPT)功能，DC-AC逆變器維持DClink中間電壓穩(wěn)定并將電能轉換成220V50Hz的正弦交流電。系統(tǒng)保證并網(wǎng)

3、逆變器輸出的正弦電流與電網(wǎng)的相電壓同頻和同相。  2.2 控制電路設計 2.2.1 TMS320F240控制板 TMS320F240控制板如圖2所示，以TI公司的TMS320F240型DSP為核心，外圍輔以模擬信號調理電路、CPLD、數(shù)碼管及DA顯示、通信及串行E2PROM，完成電壓和電流信號的采樣、PWM脈沖的產(chǎn)生、與上位機的通信和故障保護等功能。 2.2.2 電壓和電流信號檢測電路 模擬信號檢測電路的功能是把強電信號轉換為DSP可以讀取的弱電數(shù)字信號，同時要保證強電和弱電的隔離。筆者選用惠普公司的HCPL7800A型光電耦合器，其非線性度為0.004，共模電壓為l 000V時的共

4、模抑制能力為15kVls，增益溫漂為0.000 25V，帶寬為100kHz。具體隔離檢測電路如圖3所示。   2.2.3 IGBT驅動電路 DSP控制電路產(chǎn)生的PWM信號先通過驅動電路，然后控制IGBT開關管的開通狀態(tài)。筆者選用惠普公司的HCPL3120型專用IGBT驅動電路，如圖4所示。驅動電路的輸入和輸出是相互隔離的，驅動電路還有電平轉換功能，將DSP的+5V控制電壓轉換為+15V的IGBT驅動電壓，驅動電路電源采用金升陽公司的B0515型隔離電源模塊。   2.2.4 輔助電源 為了給光伏并網(wǎng)逆變器的控制電路、信號采集電路及開關管驅動電路等提供各種工作電源，需要設計1

5、個與主電路隔離的輔助電源。輔助電源的輸入電壓為100VDC170VDC；輸出的3路電壓分別為+15VDC(2.5W)、-15VDC(2.5W)和+5VDC(5W)；輸出電壓波動小于1。筆者采用最新的Topswitch系列FOP222型電路進行輔助電源的設計3。輔助電源主電路采用單端反激式拓撲結構，如圖5所示。 3 最大功率跟蹤控制MPPT MPPT的實質是一種自尋優(yōu)過程4，常用的方法有固定電壓跟蹤法、擾動觀測法、導納微增法和間歇掃描跟蹤法。筆者采用的是間歇掃描跟蹤法。其核心思想是定時掃描一段(一般為0.5倍0.9倍的開路電壓1陣列電壓，同時記錄不同電壓下對應的陣列輸出功率值，然后比較不同點太陽

6、電池陣列的輸出功率，得出最大功率點。筆者對間歇掃描法進行了改進，即在較短時間間隔內只在縮小的跟蹤范圍內(Vm-0.1Voc和Vm+0.1Voc)掃描1次。其中Vm和Voc分別是太陽能電池陣列的最大功率點工作電壓和陣列開路電壓。每隔一段較長時間后再在整個跟蹤范圍內對各工作點掃描1次。 改進后的間歇掃描法控制既保持了跟蹤的控制精度又提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 4 反孤島效應控制方法 孤島效應是指由于電氣故障、誤操作或自然因素等原因造成電網(wǎng)中斷供電時各個用戶端的太陽能光伏并網(wǎng)逆變器仍獨立運行的現(xiàn)象。一般來說，孤島效應可能對整個配電系統(tǒng)設備及用戶的設備造成不利的影響，包括并網(wǎng)逆變器持續(xù)供電可能危機電網(wǎng)線

7、路維護人員的生命安全：干擾電網(wǎng)的正常合閘過程：電網(wǎng)不能控制孤島中的電壓和頻率?？赡茉斐捎脩粲秒娫O備的損壞5。因此解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的孤島問題顯得尤為重要。 9 7 3 1 2 4 8 : 筆者提出了一種正反饋頻率擾動的反孤島檢測方法。該方法的主要思想是首先判斷當前電網(wǎng)電壓頻率的漂移方向，然后周期性地對輸出電流頻率施以相應的擾動。同時觀測實際輸出電流頻率。當輸出電流頻率跟隨擾動信號變化即輸出電流頻率可由并網(wǎng)逆變器控制時，就成倍增加擾動量。以達到使輸出電流頻率快速變化而觸發(fā)反孤島頻率檢測的目的。 5 實驗 筆者對500W光伏并網(wǎng)逆變器進行了測試。采用8塊額定功率為50W的多晶硅太陽電池陣列串連，輸入

8、電壓為100VDC-170VDC，輸出電壓為220VAC，輸出頻率為50Hz。輸入側分別用安培表和伏特表測量太陽電池的輸入電壓和電流，輸出側采用FLUKE 43B型電能質量分析儀檢測并網(wǎng)逆變器輸出交流電壓和電流的參數(shù)和波形。由于輸出交流電流值太小，因此采用在電流探頭上繞8匝后測量。 測試結果是太陽電池的輸出電壓基本在122V左右，輸出電流為2A，輸出功率為244W。由測試結果可以看出。逆變器的輸出電壓為230.9V，輸出功率為1.45kW8=181.2W，所以逆變器的效率為0.74，逆變器的效率包括DC-DC變換和DC-AC變換及輔助電源的總效率。逆變器輸出功率因數(shù)為0.97，基本保持與網(wǎng)壓同頻和同相。輸出電流的基波分量占電流總量的99.6，輸出的電能質量是令人滿意的。 6 結束語 由實驗波