分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)與分析

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針對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器展開(kāi)研究，本文采用了全橋的電路拓?fù)渥鳛橹麟娐方Y(jié)構(gòu)，建立了并網(wǎng)逆變器的模型，并給出了在電壓型并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵電路。

分布式發(fā)電；并網(wǎng)逆變器；硬件電路

1分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器概述

分布式發(fā)電指的是在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)或靠近用電現(xiàn)場(chǎng)，配置較小的發(fā)電機(jī)組（一般低于30MW），以滿(mǎn)足特定用戶(hù)的需要，支持現(xiàn)存配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，或者同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)方面的要求。發(fā)電機(jī)組包括燃料電池、小型燃?xì)廨啓C(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池的混合裝置。無(wú)論發(fā)出的是直流電或者高頻交流電，都需要將其轉(zhuǎn)換成為并網(wǎng)逆變器所需要的直流母線電壓，最終通過(guò)并網(wǎng)裝置將高壓直流電，轉(zhuǎn)換為50Hz，220V的交流電送到電網(wǎng)上去。

并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中最為重要的一個(gè)部分，在針對(duì)分布式發(fā)電技術(shù)的研究增多的同時(shí)，基于并網(wǎng)逆變器技術(shù)的研究也越來(lái)越多。日前針對(duì)不同的要求有著各種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在控制方法上，隨著各種高速的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的出現(xiàn)，將先進(jìn)的數(shù)字控制應(yīng)用到并網(wǎng)逆變器的控制中的研究也越來(lái)越多。

本文主要是研究分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的研制，可以直接以一個(gè)給定的直流母線電壓作為輸入，著重研究如何將直流電能轉(zhuǎn)化為適合的交流電能現(xiàn)實(shí)并網(wǎng)工作。本文中所設(shè)計(jì)的并網(wǎng)逆變系統(tǒng)采用了全橋的拓?fù)?，采用了LC濾波輸出電網(wǎng)，在試驗(yàn)中采用了工頻變壓器和電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隔離；相應(yīng)的正弦參考波、以及同步鎖相、重復(fù)控制等控制信號(hào)均由DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)是采用模擬電路和DSP相結(jié)合的模數(shù)混合控制，整個(gè)系統(tǒng)利用模擬電路的無(wú)延時(shí)性提高對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)功能的速度和可靠性。又利用DSP進(jìn)行高速度和高精度的采用測(cè)試、數(shù)據(jù)處理、確切的時(shí)序控制、及便利的將先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制理論應(yīng)用到整個(gè)系統(tǒng)中。

2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1主開(kāi)關(guān)器件IGBT-IPM

電路主開(kāi)關(guān)器件的選擇對(duì)于逆變器的正常工作及其工作性能的影響最為重要。在選擇開(kāi)關(guān)器件時(shí)應(yīng)根據(jù)導(dǎo)通電流、關(guān)斷承受反壓、導(dǎo)通壓降、關(guān)斷時(shí)的拖尾電流、開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗和可靠穩(wěn)定的導(dǎo)通和關(guān)斷等具體性能來(lái)進(jìn)行選擇。

本文選用了IPM模塊來(lái)搭建全橋結(jié)構(gòu)的逆變電路。圖1所示為IPM三對(duì)橋臂中的一對(duì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。該模塊具有完整的功率輸出電路可以直接連接負(fù)載：其內(nèi)置有短路、過(guò)流、過(guò)溫、驅(qū)動(dòng)電壓欠壓等保護(hù)電路；內(nèi)置有柵極驅(qū)動(dòng)電路。

因此采用IPM模塊對(duì)電路設(shè)計(jì)帶來(lái)了好多便利，提高了系統(tǒng)的安全的可靠性。

3控制電路

3.1驅(qū)動(dòng)電路

由于前文所提及，IPM模塊中內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)電路，因此整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路被集成在模塊內(nèi)部。因此只須提供外部電源，又基于抗千擾的考慮，選用光藕進(jìn)行隔離，這樣便可以確鑿、便利的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管。圖2所示便為采用光藕隔離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路圖。

3.2保護(hù)電路

在整個(gè)并網(wǎng)逆變器中電路的保護(hù)功能是至關(guān)重要的。前文提到并網(wǎng)逆變器是一個(gè)非線性系統(tǒng)，一些意外狀況、高頻電路的EMI的影響，這些會(huì)影響電路正常工作。當(dāng)IPM出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)熱、欠壓等故障時(shí)會(huì)有故障信號(hào)輸出；而DSP芯片內(nèi)部具有PDPINT〔功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)）與NMI（不可屏蔽中斷）外部中斷功能，當(dāng)PDPINT作用時(shí)，能自動(dòng)封鎖PWM輸出脈沖。因此當(dāng)IPM故障信號(hào)輸出給DSP的PDPINT，即可及時(shí)的封鎖PWM輸出，完成各種保護(hù)。

3.2.1過(guò)電流保護(hù)電路

由于采用軟件保護(hù)的即時(shí)性不強(qiáng)，故還須對(duì)檢測(cè)的輸出電流還須采用硬件電路來(lái)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)圖3所示即為過(guò)流保護(hù)電路：

該電路對(duì)檢測(cè)的所得的交流輸出電流的值和預(yù)先設(shè)定的幅值范圍進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)所得的電流值幅值超過(guò)預(yù)先設(shè)定的最高值，保護(hù)模塊的輸出端即輸出高電平，立刻使DSP產(chǎn)生中斷，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，形成保護(hù)。

對(duì)于檢測(cè)到的電流值還應(yīng)根據(jù)需要，對(duì)其進(jìn)行抬升，使其在控制電壓范圍（0—5V）內(nèi)。

3.2.2過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路

圖4為過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路，對(duì)應(yīng)于正常的工作電壓，電壓比較器設(shè)定了一個(gè)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置值。當(dāng)母線電壓的采樣信號(hào)和過(guò)壓比較基準(zhǔn)值（或欠壓比較基準(zhǔn)值）比較后，假使超過(guò)〔或低于）基準(zhǔn)值后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下跳沿中斷信號(hào)，馬上使DSP進(jìn)入中斷，及時(shí)的進(jìn)行保護(hù)。

3.3同步檢測(cè)信號(hào)

為了使并網(wǎng)逆變器的輸出能和電網(wǎng)同步，因此電網(wǎng)的同步信號(hào)檢測(cè)電路必不可少，圖5所示為電網(wǎng)電壓經(jīng)降壓變壓器采樣后輸入，經(jīng)過(guò)比較器進(jìn)行過(guò)零比較后，產(chǎn)生方波信號(hào)，DSP利用其捕獲單元，獲得電壓的上、下跳變信號(hào)，從而產(chǎn)生同步信號(hào)。

圖5同步檢測(cè)信號(hào)

4結(jié)語(yǔ)

并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中最為重要的一個(gè)部分，在針對(duì)分布式發(fā)電技術(shù)的研究增多的同時(shí)，基于并網(wǎng)逆變器技術(shù)的研究也越來(lái)越多。本文針對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器