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小功率光伏发电并网系统.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.90M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    小功率光伏发电并网系统 摘要：本系统以全桥逆变电路为功率变换核心，采用准同期并列方式通过对电网 电压检测实现并网，利用数字式闭环反馈调节方式实现对并网输出功率的调节。 数字电路采用单片机和 FPGA 结合的方式，实现对各路电参数的实时监测和反馈 控制，并为并网动作和过流保护动作提供控制。系统强电与弱电相互隔离，输出 电压稳定，电流 THD 小于 5%，功率因数高达 98%，效率可达到 85%以上。 关键词：全桥逆变 并网 准同期并列 数字式闭环反馈 功率因数 一 、方案论证 1．逆变器主回路拓扑选择 方案一：电压型逆变——全桥逆变电路。电压型逆变电路包括半桥式和全桥 式电路，其主要特点有：直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动； 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；阻性或感性负载时需提供 无功功率，此时需要在桥臂上并联反馈二极管。 方案二：电流型逆变电路。电流型逆变电路一般在直流侧串联大电感，电流 脉动很小可近似把直流侧看成直流电流源，交流侧电容则用于吸收换流时负载电 感中储存的能量。具有：直流侧串联大电感，相当于直流源；交流输出电流为矩 形波，输出电压波形和相位应负载不同而不同的特点。 方案二在实际应用中对于电感绕制方法的要求很高，同时系统的输出电流过 大增加了电路的不稳定因素，保护相对困难。方案一操作方便，输出稳定。故采 用方案一。 2. SPWM 的控制方案选择 方案一：正弦波和三角波比较法。原理如图 2，采用正弦波作为调制信号， 三角波作为载波，两路信号经比较器比较后输出 SPWM 波形。 图 2 正弦波三角波交点法 图 3 规则采样法 方案二：对称规则采样法，原理如图 3：以三角波的一个周期 CT 作为一个采 样周期，在三角波负峰值处（ st 时刻）采样正弦信号，得到采样电压 reU ，在三 ) t 角载波上水平截得 A、B 两点，从而确定了脉宽时间 2 方案一采用纯硬件电路的方式实现调制，不能实现对输出波形的实时跟踪和 改变，同时系统引入的噪声对于比较器影响也会造成调制的偏差。而方案二，通 过 FPGA 存储正弦波表，只需改变控制字即可实现对输出的电压幅度、频率相位 的改变，控制灵活，便于跟踪调整，所以选用方案二。 3. 并网方式选择及实现方案 / 2*(1 t 1 T c   m sin E
    实现电力并网的操作方式主要分为准同期并列方式和自同期并列方式。 方案一：自同期并列。自同期并列在并网之前保证输出值的稳定，对输出不 进行调节，而是在并网之后利用并网后的反馈量对并网输出进行调节。 方案二：准同期并列是在并网侧的输出电压幅值、频率和相位与电网电压的 幅值、频率和相位接近相等时，通过闭合可控开关将光伏发电系统并入公共电网。 其优点是并列时冲击电流小，缺点是在并列操作过程中需要对发电机电压和频率 进行调整，捕捉合适的闭合相位点，所需并列时间较长。 自同步并列操作简单速度快，有利于处理系统事故，但是在开关闭合时会产 生大量的无功功率，导致瞬间系统的电压下降过大。而准同期并列产生冲击电流 小，对电网扰动不大，所以选择方案二。 4.并网控制策略方案论证 为保证系统的有功功率输出最大，所以有必要调节保证并网后逆变输出的交 流电流与电网电压波形保持同频、同相。 弦， 方案一：瞬时比较方式。该方式是把电流参考值与实际电流比较，偏差通过 滞环比较产生控制主回路中的开关通断的 PWM 信号，从而控制电流的变化，本方 案电路简单，电流响应快电流跟踪误差范围固定，但是在电流变换范围较大时： 电流值小时固定的滞回宽度会使电流相对误差较大，电流值大时固定的环宽使器 件开关频率过高导致器件损坏。 方案二： 数字式 PI 控制。 如图所示， 为参考正 为电网电压， OI 为 为前馈系数。 并网电流， 为减少或者消除稳态误差，可 以提高系统的型别或者开环 增益，却影响了系统的稳定 性，降低了系统的动态响应。也可以通过限制系统带宽来抑制高频干扰，而前馈 控制并不改变反馈系统的特性，只要参数选择得当，可以对测量误差进行完全补 偿。本系统采用了反馈和前馈结合的方法来抵消电网的影响。对电网的扰动有很 好的补偿作用，有足够的动态响应。故选择本方案作为并网后功率输出的调节方 式。 5.系统电参数的检测方案论证 图 4 PI 控制方式原理 方案一：采用比较器整形和峰值检波法测量。通过互感器对各路信号取样后 采用模拟峰值检波法测量幅度，同时对信号做过零比较测量频率与相位。该方法 实现原理简单，但是硬件电路的加入会造成系统成本、复杂度与系统噪声的增加。 方案二：利用同步采样 A/D 转换器对信号进行实时采样，在 FPGA 内部对采 样值进行幅度、频率、相位的计算。该方法硬件实现简单，但是对于软件特别是 FPGA 的编程有一定的要求，其中相位、幅度的测量涉及到 DFT 变换 (DFT 的 FPGA 内部生成图形见附图 4)。 考虑到系统简单和低成本，采用方案二，利用同时采样的方式对各项参数进 行分析。 6. 提高效率的方法及实现方案 （1）选择合适的 SPWM 载波频率。开关管的导通损耗会随着系统的工作频率的增 高而增大，为降低开关损耗，同时又为避开音频噪声，选取 SPWM 载波频率 20KHz。
    （2）在开关管后加 RC 吸收回路。由于 MOSFET 在导通瞬间存在冲击效应， 关断瞬间又存在电流拖尾效应，均会导致整体效率的下降。加入吸收回路对 上述效应可进行有效的抑制。 （3）输出滤波电感、电容的选取。由于逆变输出需要增加一级 LC 低通滤波， 电感、电容由于自身等效阻抗都会给效率带来一定影响。电感应该尽量保证 直流电阻较小，电容则保证其 ESR（等效直流阻抗）较小。 （4）增大输出功率因数。根据效率计算公式= (UO*IO*PF)/ (UIN*IIN)可知， 输出功率与功率因数成正比，所以有效地增大输出功率因数可以相应的增大 系统的效率。要求使用较为有效地并网控制策略，减小系统无功功率。 二、系统整体设计 系统可分为光伏直流输入（采用整流桥替代）、逆变电路、并网电路、电参 数测量和保护电路。系统启动初始化完毕后，首先采集电网电压的幅值、频率、 相位，然后通过改变逆变输出使并网开关两侧电压达到并网条件，此时由单片机 控制继电器闭合，实施并网。成功并网后仍跟踪电网的电压参数，通过改变逆变 输出的相位达到改变并网输出功率的目的。当系统检测到逆变电路输出电流大于 2.5A 时，触发保护电路，实现电路的切断。 三、电路设计和参数计算 1. 逆变回路器件的选择及参数计算 图 5 系统整体框图 根据题目要求可知逆变电路直流输入电压为 55V，采用全桥形式，所以开关 暂 态 时 刻 MOSFET 管 漏 源 两 端 的 电 压 为 55V ， 直 流 母 线 上 的 电 流 由 公 式 I 可得为 1.2A，考虑到一定的余量以及相应的导通压降，开 关管选择 N 型 MOSFET 管 IRF540，该芯片 U U max O max *  I IN IN O  0.077   28 A 。 DSSV  100 V R DS ON ( ) DI 2.逆变控制电路设计与参数计算 全桥逆变的 SPWM 波形的产生由 FPGA 完成，信号经过光耦隔离由 IR2110 驱 动 MOSFET 管导通，输出通过一阶 LC 低通滤波滤除高频成分即得到 50Hz 的正弦 波形。（设计电路参见附录附图 1） 1）光耦隔离。全桥逆变电路需要四路控制信号，其中两路之间相同，所以只需 要对 FPGA 输出两路信号通过光耦进行隔离即可。光耦隔离电路见附图 2。 2）驱动芯片。IR2110 为半桥驱动芯片，只需连接自举电容利用内部自举即可实
    现对桥路的驱动。芯片还具有欠锁压功能、周期循环边缘触发关机等功能。 3）LC 低通滤波。逆变桥输出的电压为含有高频分量的 SPWM 波，所以输出需要 加低通滤波才能得到正弦电压。采用一阶 LC 低通无源滤波，元件参数取 L=4mH, C=10µF,由公式 Fc  1 2 LC ，可知该滤波器的截止频率为 796Hz。 3.同步采样 A/D 转换器 MAX125 电路设计 本系统需要实时采集逆变输出的电压和电流、隔离变压器的输出电压、电网 上的电压共四路数据。A/D 转换器采用 MAXIM 公司四路同时采样 A/D MAX125。该 芯片为 2*4 通道、14 位逐次比较型，芯片内部集成 2.5V 参考源，由 4 个高速采 样保持电路以及数据寄存器组成。芯片采用双电源 5V 供电，四路同时采样时采 样率 76KSPS。其应用电路如附图 3。 4.并网操作实现电路设计 并网操作的开关控制器选择 10A、250VAC 的继电器，三级管驱动继电器起到 弱电控制强电的目的。未并网时对电网电压进行监测，同时不断调节逆变电路输 出使变压器输出电压与电网电压同幅、同频、同相，经过对继电器闭合动作迟滞 的预估计，在电压到达零点时完成并网操作，保证并网冲击电流最小。电路中采 用电压互感器对公网电压相位进行跟踪，通过单片机经过光耦隔离控制两路单向 可控硅的导通点，保证在公网电压过零点时对系统参数进行修正。控制电路如附 图 4。 5. 并网功率控制理论分析与参数计算 I sU R X XU 等效电路 电流超前  I  XU   gU  SU  jX I  gU  R I   I 电流滞后  jX I  R I  SU  gU   XU 图 6 为并网后等效电路， SU 为电网电压， gU 为变压器输出电压，R jX 为逆变 图 6 并网等效电路向量 器 并 网 缓 冲 电 感 阻 抗 值 。 则  U  S   ( I R jX U   ， 以 SU  ) g 为 相 位 参 考 则 有  U g  U g cos jU  sin  g ，忽略系统等效电阻 R，有  I g     U U  S jX U g g   sin  X  j S  U U g X cos  ， 复功率为 S U  [ S U g  sin  X  j S  U U g X cos  ， ] 对应无功功率和有功功率分别为 P   S sin gU U X ， Q  U U （ s g cos X  U ）。 S 式中 Ug、Ig 分别为并网系统输出电压、电流， UX 为电感电压。在δ<0 时逆变器 则向电源提供能量，UG
    初步计算δ=-1.05o，所以实际调节时的相位差应该大于 1o 小于 10o。 6. 效率的分析及计算 系统要求逆变器效率应该大于 85%，以下分别对引入功率耗散部分做估算。 开关管的损耗包括开关损耗和通态损耗，开关损耗与开关频率有关；通态损 耗则与开关管导通电阻有关。IRF540 的导通电阻为 77mΩ，由公式: 损耗为 2.1W；输出滤波电感的直流电阻为 77mΩ,由 为 0.5W。电容的等效 ESR 也会带来相应的功率耗散。 可 计 算 MOSFET 上 的 得到其功率损耗 理论上逆变电路效率最大可达到 95%，但是电路中存在的脉动电流和冲击电 压均会导致在开关管和输出滤波电感上损耗的增加，测试结果显示本系统效率大 致为 90%。 7. 控制系统的软件设计 控制系统包括 SPWM 波形生成设计，并网动作以及并网输出的流程设计。SPWM 模块为基本模块，在 FPGA 内部生成，并网动作和并网输出都是在该模块基础上 进行调整，FPGA 内部 SPWM 生成模块见附图 5。下两图分别为实施并网操作的软 件流程和并网后输出功率控制的软件流程。 图 7 并网操作软件设计 图 8 并网输出控制策略软件设计 四、测试方法与数据 1.测试原理图 2．测试仪器与使用设备 60MHz 数字示波器：Tektronix TDS1002；ZQ41 26 型失真度测试仪 数量 1 FLUKE-15-B 四位半万用表 数量 1； DT9205A 三位半手持万用表 数量 3 IM48F 数字功率因数表 3.测试数据 （1）UO 输出测量（测试条件：输入直流电压） 表一 输出电压电流随 UIN 的变化 数量 1
    U in 33 , V I O O 1.99 50.0 55 , V U 70.0 33.22 2.06 68.0 33.20 2.03 64.0 33.11 2.02  60.0 33.03 2.00  56.0 UIN (V) 53.0 32.94 UO （V） 32.88 32.89 2.01 1.99 IO (A) （2）功率因数测量（测试条件： 66.0 33.13 2.04 2 A  ）。在系统正常工作 后，在在测试点介入功率因数表对逆变输出的功率因数进行测量。测得系统的功 率因数为 98.3%。 （3）并网电流 THD 测量（测试条件 ）。并网成功 后，在系统正常输出时，并网的电流波形通过电流互感器取样后，将信号送入失 真度仪进行测量，实测失真度在 3%-5%之间。 (4)逆变器效率测量。逆变器的效率测量，利用万用表同时对直流输入电压、电 流和逆变输出电流、电压有效值进行测量，并且测量该时刻的功率因数。 测得 则有公式  I U PF O * * O * U I in in  100% 89.3  （5）过流保护功能测量。在并网的条件下改变系统的输出电流，测试 IO=2.5A 时，继电器能否关断系统。测试结果在输出电流为 2.48A 时系统便进入输出过流 保护状态，系统输出关断，并网侧继电器也处于断开状态。 测试结果分析 经过上述测试结果发现本系统可以完全达到题目的要求，并且在某些方面进 行了扩展，例如系统可以对功率因数、失真度等参数均可进行测量和显示。 逆变模块的效率实际上可以选取导通电阻跟小的 MOSFET，进一步提高效率。 在测量过程中发现实际公网电压波形并不是理想波形，频率不稳定，失真度大， 所以实现并网时进行的幅值、频率、相位跟踪调整效果并不好；输出功率环节中 电流相位跟踪电网电压相位也因为该原因导致精度不高。电路中使用的电压、电 流互感器的线性度和相移特性不好，因为系统中各参数都是通过互感器得到的， 所实施的控制也是参照这些参数进行调整，这就意味着调整后的效果不一定符合 电路的实际需要，成为引入误差和误操作的因素。 参考文献 【1】沈辉 曾祖勤主编 太阳能光伏发电技术 北京 化学工业出版社 2005 年 9 月第一版 【2】赵争鸣等著 太阳能光伏发电及其应用 北京 科学出版社 2005 年 10 月第一版 【3】陈慈萱主编 电气工程基础 北京 中国电力出版社 2004 年 2 月第一版
    附录 图 1 全桥逆变电路设计 附图 2 光耦隔离应用电路 附图 3 MAX125 应用电路 0 . 4 7 u F 1 N 4 0 0 1 5 1 I R F 5 4 0 6 V S 5 * 4 * 3 V C C 2 C O M 1 1 V D D 1 2 H I N 7 V B 8 H O 1 L O 1 3 S D 1 4 L I N 1 5 V S S 1 6 * 1 0 * 9 * I R 2 1 1 0 0 . 4 7 u F I R F 5 4 0 5 1 0 . 4 7 u F V C C V S S V D D S D 0 . 4 7 u F 1 N 4 0 0 1 5 1 I R F 5 4 0 6 V S 5 * 4 * 3 V C C 2 C O M 1 1 V D D 1 2 H I N 7 V B 8 H O 1 L O 1 3 S D 1 4 L I N 1 5 V S S 1 6 * 1 0 * 9 * I R 2 1 1 0 0 . 4 7 u F I R F 5 4 0 5 1 0 . 4 7 u F H I N L I N V C C V S S V D D S D 2 2 0 0 n F 8 Ω 1 0 u H S P W M 驱 动 信 号 U ? O p t o i s o l a t o r 2 + 5 V G N D 弱 电 地 强 电 地 1 2 U ? A S N 7 4 F 0 4 D 至 逆 变 模 块 1 K R 1
    附图 4 并网输出控制电路 附图 5 DFT 测幅、测相模块 D 0 / A 0 D 1 / A 1 D 2 / A 2 D 3 / A 3 D 4 D 5 D 6 D 7 D 9 D 1 0 D 1 1 D 1 2 D 1 3 D V D D D G N D C L K C O N S T C S R D W R I N T R E F O U T A V S S A V D D A G N D R E F I N C H 1 A C H 1 B C H 2 A C H 2 B C H 3 A C H 3 B C H 4 A C H 4 B M A X 1 2 5 控 制 总 线 数 字 总 线 模 拟 输 入 1 6 M H z 4 . 7 u F 0 . 1 u F - 5 0 . 1 u F 0 . 1 u F - 5 + 5 B T 1 5 1 B T 1 5 1 K G + K G - S W 3 C T U s U n 3 3 0 3 3 0 R 8 1 1 3 6 0 1 N 4 0 0 1 1 N 4 0 0 1 K G + K G - 1 2 3 4 5 6 M O C 3 0 4 1 + 5 V R 8 1 0 5 1 0 公 网 J T K Z 3 9 1 0 0 n F 工 频 变 压 器 3 6 V / 2 2 0 V U i n 2 U i n 1 逆 变 输 出
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