張志文 席自強(qiáng) 周世平 彭文麗

（1.湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068；2.湖北省電力公司，武漢 430077）

微電網(wǎng)，又稱為微網(wǎng)，是分布式發(fā)電微型電網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，是指由分布式電源、微電網(wǎng)控制裝置、負(fù)載和相應(yīng)保護(hù)監(jiān)控裝置組成的微型發(fā)電、配電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)雖然供電范圍較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是應(yīng)用靈活、使用方便，微電網(wǎng)不僅可以與市政電網(wǎng)并網(wǎng)后聯(lián)合給負(fù)載供電，也可以孤立運(yùn)行單獨(dú)給負(fù)載供電，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我管理、自我控制、自我保護(hù)的自治系統(tǒng)[1]。

由于微電網(wǎng)中的分布式電源（如太陽(yáng)能、生物質(zhì)能源等）產(chǎn)生的電能都是直流，不能直接與市政電網(wǎng)并網(wǎng)或直接給負(fù)載供電，因此，需要一種控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的多功能控制。微電網(wǎng)中心控制器作為分布式發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和核心部件，將微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)智能的結(jié)合在一起，增加了電力系統(tǒng)供電的多樣性、安全性和穩(wěn)定性，控制器工作的示意圖如圖1所示。傳統(tǒng)的逆變部分一般采用獨(dú)立的IGBT 和MOSFET 作為開(kāi)關(guān)器件，由于需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，這對(duì)節(jié)省系統(tǒng)成本、優(yōu)化系 統(tǒng)控制帶來(lái)了很大難度。智能功率模塊的出現(xiàn)使用戶設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制系統(tǒng)成為了可能。

圖1 微電網(wǎng)中心控制器的工作示意圖

智能功率模塊（Intelligent Power Module,IPM）是先進(jìn)的混合型功率器件，用高速、低功耗的IGBT作為功率開(kāi)關(guān)，內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路、過(guò)熱保護(hù)電路及檢測(cè)電路等，這減小了產(chǎn)品的體積，簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)步驟，縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間，使系統(tǒng)的可靠性明顯增強(qiáng)。

1 微電網(wǎng)中心控制器的工作原理

微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)的并網(wǎng)，可分為可逆流并網(wǎng)和不可逆流并網(wǎng)兩種方式，可逆流并網(wǎng)是目前應(yīng)用的主流技術(shù)，簡(jiǎn)稱為并網(wǎng)，就是將分布式電源中的電能轉(zhuǎn)換成與市政電網(wǎng)同頻、同相、同幅的交流電后并入市政電網(wǎng)，由市政電網(wǎng)供給負(fù)載使用，典型的應(yīng)用就是太陽(yáng)能電站的建設(shè)。

不可逆流并網(wǎng)是分布式能源應(yīng)用的新型模式，又被稱為共網(wǎng)或單方向聯(lián)網(wǎng)。就是以微電網(wǎng)和市政電力聯(lián)網(wǎng)共同向負(fù)載供電，而且在供電時(shí)，微電網(wǎng)中的電能不會(huì)流向市政電網(wǎng)，只有當(dāng)微電網(wǎng)不能滿足負(fù)載的功耗時(shí)，市政電網(wǎng)作為補(bǔ)充供應(yīng)，這種供電方式的主要特征是：①控制器中不包含蓄電池等儲(chǔ)能裝置，保證微電網(wǎng)的電能就地使用；②微電網(wǎng)的使用，不會(huì)對(duì)市政電網(wǎng)的正常供電產(chǎn)生任何影響；③微電網(wǎng)不會(huì)向市政電網(wǎng)提供能量，保證防止微電網(wǎng)的能量向市政電網(wǎng)流動(dòng)；④微電網(wǎng)中的能量作為優(yōu)先電源，市政電網(wǎng)作為補(bǔ)充電源，保證微電網(wǎng)的能量高效、優(yōu)先的使用[2]。本方案設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)中心控制器就是要實(shí)現(xiàn)這種供電方式。

微電網(wǎng)中心控制器的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 微電網(wǎng)中心控制器的結(jié)構(gòu)框圖

目前常見(jiàn)的分布式發(fā)電是二級(jí)式供電系統(tǒng)，第一級(jí)DC/DC 變換，第二級(jí)是DC/AC 變換。DC/DC升壓電路的作用是升高輸出的直流電壓到一個(gè)合適的范圍，供DC/AC 逆變電路輸出穩(wěn)定的交流電；逆變輸出的電能經(jīng)過(guò)濾波電路后能夠輸出與市政電網(wǎng)同頻、同相、幅值略高的交流電，與市政電網(wǎng)聯(lián)合給負(fù)載供電。

2 智能功率模塊設(shè)計(jì)電路

智能功率模塊PM75RLA120 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，由圖中可以看出，智能功率模塊本身就是一個(gè)帶有驅(qū)動(dòng)電路的集成模塊，所以只需要提供滿足驅(qū)動(dòng)功率需求的驅(qū)動(dòng)電源、控制芯片發(fā)出的PWM和防止干擾的電氣隔離裝置就行[3]。

圖3 智能功率模塊PM75RLA120 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 控制電路

控制電路是整個(gè)控制器的核心，控制電路的性能精確程度決定了整個(gè)IPM 系統(tǒng)工作的優(yōu)劣。控制電路包括智能功率模塊的供電電源、控制芯片、外部驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣檢測(cè)電路、電壓采樣電路以及各種接口電路等部分[4]。

3.1 智能功率模塊的驅(qū)動(dòng)電源

驅(qū)動(dòng)電源是微電網(wǎng)中心控制器的心臟，其作用是提供可靠、穩(wěn)定、充足、純凈的電能給系統(tǒng)工作，驅(qū)動(dòng)電源的不穩(wěn)定會(huì)損壞重要器件和影響周圍電路的穩(wěn)定。因此，驅(qū)動(dòng)電源只需要給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)引腳提供滿足要求的電能即可[5]。

本設(shè)計(jì)方案對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求是能提供四路15V 獨(dú)立電源，且驅(qū)動(dòng)電源輸出的電壓標(biāo)準(zhǔn)為15±10%V。三菱公司生產(chǎn)的JS159 是專門為設(shè)計(jì)IPM或者IGBT 等逆變裝置的開(kāi)關(guān)電源，其相關(guān)的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 JS159 開(kāi)關(guān)電源性能指標(biāo)

JS159 具有八路輸出，輸入電壓的范圍寬，輸出電流的質(zhì)量高，是智能功率模塊PM75RLA120 所需要的理想電源。

3.2 外部驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案中智能功率模塊PM75RLA120 的外部驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，經(jīng)采樣檢測(cè)信號(hào)在控制芯片DSP 中進(jìn)行當(dāng)量規(guī)整之后，控制芯片DSP 中產(chǎn)生的PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光耦HCPL4504 傳輸給PM75RLA120，而從PM75RLA120 中產(chǎn)生的故障信號(hào)經(jīng)過(guò)普通PC817 傳輸給控制芯片DSP，控制芯片DSP 可以根據(jù)故障信號(hào)關(guān)斷PWM 的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能功率模塊的保護(hù)[6]。

圖4 智能功率模塊的外部驅(qū)動(dòng)電路

3.3 電流檢測(cè)電路

大多數(shù)的電流檢測(cè)方法是通過(guò)使用電流互感器檢測(cè)出相電流的過(guò)零點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是由于電流中的基波成分比較多，而且很容易受外界環(huán)境的影響，因此很難判斷相電流的過(guò)零點(diǎn)。因此，我們需要在軟件中做一些改進(jìn)，對(duì)硬件電路的缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，提高系統(tǒng)采樣的精確性。

本設(shè)計(jì)方案中的電流采樣檢測(cè)電路如圖5所示，電流采樣信號(hào)采集逆變輸出的電流，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信號(hào)，由于輸出電流信號(hào)比較弱，需要用低噪聲、穩(wěn)定的雙極性放大器LM725 將信號(hào)放大，然后經(jīng)過(guò)精密電阻得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)三相全波整流、濾波和分壓后得到一個(gè)直流信號(hào)，并經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后送入到主控芯片DSP 中。

圖5 電流檢測(cè)原理圖

3.4 電壓檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)方案采用的電壓采樣檢測(cè)電路如圖6所示，這個(gè)電路的功能就是將待檢測(cè)的線電壓的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗妷悍降牟ㄐ盘?hào)，供主控芯片DSP 進(jìn)行處理分析。由于這里的信號(hào)是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入主控芯片DSP 處理的，因此要利用一塊高速光耦對(duì)高電壓信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣確保兩路信號(hào)互不干擾的分離處理。

圖6 電壓檢測(cè)原理圖

HCPL4502 是一塊高速光耦，既保證高壓側(cè)與主控芯片DSP 低壓部分的隔離，又能快速反應(yīng)出智能功率模塊PM75RLA120 導(dǎo)通或截止的時(shí)刻，雖然其間存在著一定的時(shí)延，但可以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡(jiǎn)化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，又得到了與待檢測(cè)側(cè)的電壓信號(hào)，為下面給出智能功率模塊PM75RLA120 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供了工作電壓零點(diǎn)的基準(zhǔn)。圖7中顯示的只是一路電壓信號(hào)的檢測(cè)，還有與之相似的兩路電壓檢測(cè)WV、UW 相。

4 軟件設(shè)計(jì)

主控芯片DSP 采用TMS320F28335 芯片，以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)核心控制算法。系統(tǒng)工作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)上電后，首先是系統(tǒng)的初始化，包括主控芯片TMS320F28335 的初始化、變量PWM的初始化、采樣檢測(cè)初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，不斷地采樣檢測(cè)微電網(wǎng)和市政電網(wǎng)的電能質(zhì)量，包括頻率、相位和幅值，將采集到的信號(hào)傳輸給主控芯片TMS320F28335 進(jìn)行當(dāng)量規(guī)整，當(dāng)兩個(gè)電源的電能質(zhì)量相同時(shí)，可以給負(fù)載供電；當(dāng)出現(xiàn)偏差時(shí)，及時(shí)的計(jì)算PWM 的周期，調(diào)整微電網(wǎng)側(cè)逆變部分控制信號(hào)PWM 的占空比，使微電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量與市政電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量相同?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖7所示[7]。

圖7 控制系統(tǒng)流程圖

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本項(xiàng)目需要研制一臺(tái)額定功率為10kW 微電網(wǎng)中心控制器。微電網(wǎng)中心控制器的逆變單元的直流端輸入電壓為380V，等效電阻為1Ω，逆變單元輸出的濾波電感為12mH，逆變單元輸出的濾波電容為20mF，采樣檢測(cè)單元的采樣頻率為20kHz。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，將微電網(wǎng)中心控制器接入純阻性負(fù)載時(shí)，對(duì)逆變電路進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)的電能同質(zhì)時(shí)，輸出電壓和輸出電流的波形分別如圖8和圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，可以認(rèn)為微電網(wǎng)中心控制器輸出的交流電流電壓和是市政電網(wǎng)的交流電流電壓同頻、同相，控制的電能質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)定的要求。

圖8 微電網(wǎng)中心控制器輸出的電壓波形

圖9 微電網(wǎng)中心控制器輸出的電流波形

6 結(jié)論

文中研究了一種微電網(wǎng)中心控制器，介紹了微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)的3 種供電方式：微電網(wǎng)單獨(dú)供電、微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)無(wú)逆流供電和市政電網(wǎng)單獨(dú)供電，本文主要研究了微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)無(wú)逆流供電的控制器，在分析這種控制器工作原理的基礎(chǔ)上，著重對(duì)控制器的逆變部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制部分采用基于TM320F28335 型DSP 芯片，對(duì)逆變部分的智能功率模塊PM75RLA120 進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)與市政電網(wǎng)同步的正弦電壓電流輸出，證明了本項(xiàng)目方案的正確性。

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