湖北東貝新能源有限公司 黃太祥

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50KW三相并網(wǎng)光伏逆變器設(shè)計(jì)

湖北東貝新能源有限公司 黃太祥

【摘要】本文介紹了50KW三相并網(wǎng)光伏逆變器的設(shè)計(jì)方案，分別從硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。硬件電路設(shè)計(jì)包括主電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)，主電路設(shè)計(jì)給出了組成主電路的主要元件的選型參數(shù)，控制電路介紹了各部分設(shè)計(jì)過程。軟件設(shè)計(jì)包括主程序和中斷程序兩部分及每部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】光伏；逆變器；并網(wǎng)；主電路

1　引言

太陽能光伏發(fā)電是利用天然太陽光資源，無污染，無噪音，無生產(chǎn)原料，用之不竭的新型可再生能源發(fā)電技術(shù)。光伏并網(wǎng)逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要作用是將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化成符合公共電網(wǎng)要求的交流電并送入電網(wǎng)。本文詳細(xì)介紹了5OKW三相并網(wǎng)光伏逆變器的設(shè)計(jì)過程，包括主電路設(shè)計(jì)及器件選型，控制電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)等。

2　主電路設(shè)計(jì)

采用高效工頻隔離變壓器設(shè)計(jì)，安全性高，對(duì)逆變過程中產(chǎn)生的諧波，直流分量進(jìn)行隔離，能夠滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)并網(wǎng)設(shè)備的要求。

主電路由直流斷路器，直流側(cè)防雷，直流濾波器，DC-Link電容，IGBT模塊，電抗器，工頻變壓器，交流濾波器，軟啟動(dòng)器，交流側(cè)防雷，交流斷路器組成。

直流斷路器：選用額定電流160A、額定電壓DC500V 4P的斷路器，將其中2P串聯(lián)形成額定直流電壓達(dá)DC1000V的直流斷路器。可對(duì)電池板輸入功率進(jìn)行投入和斷開控制。

直流側(cè)防雷：選用額定電壓DC1000V，最大放電電流40KA的浪涌保護(hù)器。當(dāng)雷電浸入到逆變器直流輸入線時(shí)，浪涌保護(hù)器迅速啟動(dòng)，將雷擊電流泄放到大地，確保逆變器安全運(yùn)行。

直流濾波器：選用直流工作電壓DC1100V，額定電流150A的直流濾波器，用于去除直流側(cè)共模、差模及高頻干擾信號(hào)。

DC-LINK電容：即直流母線支撐電容，是逆變器直流側(cè)電路重要組成部分。用以吸收將電池板輸出的直流功率轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)所需的交流波動(dòng)功率時(shí)所產(chǎn)生的高幅值脈動(dòng)電流。選型時(shí)除了計(jì)算電容容量，電容耐壓外，還要考慮紋波電流。本設(shè)計(jì)選用4個(gè)420UF/ DC1100V金屬薄膜電容并聯(lián)。

IGBT模塊：選用3只英飛凌的300A/1200V的IGBT模塊，組成三相全橋逆變電路，將直流電逆變成符合公共電網(wǎng)要求的三相交流電。IGBT模塊工作頻率高，發(fā)熱大，需將其安裝在散熱器上，同時(shí)配有冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱。在IGBT的集電極和發(fā)射極之間并接有2UF/1200V的吸收電容，用以吸收該兩極間的瞬間過電壓。

電抗器：選用額定電流120A，電感量0.4mH，頻率50HZ的鋁電抗器，與3*47UF/450V的濾波電容組成低通濾波器，濾去高頻載波信號(hào)，向電網(wǎng)饋入高質(zhì)量的50HZ正弦電流。

工頻變壓器：選用容量50KVA，頻率50HZ，初級(jí)額定電壓270V，次級(jí)額定電壓400V，連接方式Dyn11的鋁變壓器。工頻變壓器除了電氣隔離外，還可實(shí)現(xiàn)逆變輸出電壓與電網(wǎng)電壓匹配。

交流濾波器：選用的額定電壓AC380V，額定電流100A的交流濾波器，用以濾除逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的高頻和共模差模干擾信號(hào)，保證逆變器不對(duì)電網(wǎng)其他設(shè)備產(chǎn)生不良影響。

軟啟動(dòng)器：由主接觸器和輔助接觸器組成，避免逆變器與電網(wǎng)連接時(shí)對(duì)電網(wǎng)形成沖擊。

交流側(cè)防雷：選用額定電壓AC400V，最大放電電流40KA的浪涌保護(hù)器，用以對(duì)交流側(cè)的雷擊進(jìn)行防護(hù)。

交流斷路器：選用額定電壓AC690V，額定電流100A的3P斷路器?？刂颇孀兤髋c公共電網(wǎng)的連接或斷開。

3　控制電路設(shè)計(jì)

逆變器控制電路由DSP主控制單元，IGBT驅(qū)動(dòng)電路單元，模擬信號(hào)采樣單元，電網(wǎng)電壓同步信號(hào)采樣單元，開關(guān)量輸入單元，開關(guān)量輸出單元，觸摸LCD顯示單元，通信接口單元以及各單元供電電源電路組成。

DSP主控制單元：選用TI公司浮點(diǎn)型芯片TMS320F28335，該芯片精度高，運(yùn)行速度快，外設(shè)接口齊全。DSP主控制單元是整個(gè)逆變器控制電路的核心單元，其功能是根據(jù)實(shí)時(shí)檢測到的各種信號(hào)和控制指令，經(jīng)過相應(yīng)計(jì)算和分析判斷，輸出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)使逆變器正常并網(wǎng)工作。

觸摸顯示單元：采用7寸觸摸彩色LCD顯示屏，實(shí)時(shí)顯示逆變器各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，圖形直觀顯示當(dāng)天發(fā)電功率變化，每日發(fā)電量等；顯示逆變器工作狀態(tài)及故障記錄；設(shè)置逆變器工作參數(shù)及控制逆變器工作狀態(tài)。

模擬信號(hào)采集單元：模擬信號(hào)采集單元有三相電網(wǎng)電壓、三相電網(wǎng)電流、三相逆變電壓、三相逆變電流、直流輸入電壓、直流輸入電流、裝有IGBT模塊的散熱器溫度等信號(hào)的采集。

電網(wǎng)電壓同步信號(hào)采樣單元：在控制逆變輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相過程中，DSP需要采樣電網(wǎng)電壓信號(hào)的幅值、頻率和相位。該單元電路將電網(wǎng)電壓正弦波轉(zhuǎn)成同頻同相的方波，通過DSP的捕獲功能捕獲電網(wǎng)電壓上升沿，產(chǎn)生中斷，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓同步信號(hào)的采樣。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路單元：IGBT模塊是一種復(fù)合全控型電力電子器件，是逆變器實(shí)現(xiàn)DC/AC逆變的關(guān)鍵元件。因此IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)很重要，首先要求強(qiáng)電側(cè)與弱電側(cè)進(jìn)行電氣隔離，其次驅(qū)動(dòng)電流足夠大并有完善的保護(hù)措施。采用日本三菱的厚膜集成電路M57959L，該集成電路配有短路、過載保護(hù)功能。即當(dāng)IGBT過載或短路時(shí)，M57959L自動(dòng)對(duì)IGBT實(shí)現(xiàn)“軟關(guān)斷”，并向DSP發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

開關(guān)量輸入/輸出單元：開關(guān)量輸入單元用于檢測驅(qū)動(dòng)過流輸入、負(fù)載過載輸入、方陣絕緣阻抗檢測輸入、變壓器電抗器溫度開關(guān)輸入及緊急停機(jī)輸入等，開關(guān)量輸出單元用于控制逆變器與電網(wǎng)的連接與斷開以及冷卻風(fēng)機(jī)的啟停等。

通訊接口單元：采用RS485通訊接口，MODBUS通訊協(xié)議，可對(duì)逆變器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4　軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)逆變器設(shè)計(jì)的核心和重點(diǎn)工作，整個(gè)軟件分為主程序、中斷程序兩大部分。在主程序中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)置TMS320F28335的各功能模塊及其工作方式，并對(duì)各工作狀態(tài)進(jìn)行初始設(shè)置，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)中，主要完成各運(yùn)行參數(shù)的刷新顯示，判斷各運(yùn)行參數(shù)是否正常，系統(tǒng)是否有故障。掃描觸摸顯示單元傳來的操作指令，如沒有操作指令，則進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)；若要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則接受觸摸顯示單元傳過來的參量代碼及其數(shù)值，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的修改并保存；若啟動(dòng)了自動(dòng)運(yùn)行指令，則進(jìn)入自動(dòng)并網(wǎng)過程。在系統(tǒng)無故障情況下，首先判斷電網(wǎng)的各參量是否正常，再判斷電池板輸出的直流電壓是否到達(dá)啟動(dòng)電壓，當(dāng)這些并網(wǎng)條件具備后，便啟動(dòng)軟啟動(dòng)器與電網(wǎng)連接，根據(jù)電網(wǎng)的相位、頻率、幅值進(jìn)行跟蹤并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后，進(jìn)行MPPT跟蹤，使發(fā)電效率達(dá)到最高。為了提高M(jìn)PPT的動(dòng)態(tài)跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)輸出的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)分兩步進(jìn)行跟蹤，當(dāng)電池板輸出電壓低于理論最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電壓時(shí)，采用CVT方法對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行快速跟蹤，使電池板輸出電壓快速到達(dá)最大功率點(diǎn)電壓附近，然后采用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行跟蹤，使穩(wěn)態(tài)輸出功率穩(wěn)定波動(dòng)小。

中斷程序主要完成AD采樣；電網(wǎng)電壓同步信號(hào)捕獲；與上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；故障保護(hù)，包括電網(wǎng)過欠壓、過欠頻、相位錯(cuò)誤、直流電壓過壓、負(fù)載過載、孤島防護(hù)等；產(chǎn)生SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用雙環(huán)控制策略，內(nèi)環(huán)為并網(wǎng)電流環(huán)，控制電流從直流到交流的逆變，并能達(dá)到高品質(zhì)因數(shù)；外環(huán)為直流電壓環(huán)，控制直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，而MPPT確定的電壓值為直流母線電壓給定值。

5　主要技術(shù)指標(biāo)

輸入（直流）

最大直流功率：55KW

最大輸入電壓：850V

啟動(dòng)電壓：500V

最大輸入電流：118A

MPPT跟蹤范圍：450～820V

MPPT跟蹤效率：＞99%

最大效率：96.5%

輸出（交流）

額定功率：50KW

最大輸出電流：76A

總諧波失真（額定功率時(shí)）：＜ 3%

功率因數(shù)（額定功率時(shí)）：＞ 99.9%

允許電網(wǎng)電壓范圍：310～450V

允許電網(wǎng)頻率范圍：48～50.5HZ

本設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，在多個(gè)分布式光伏電站中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.9.

［2］王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.6.

作者簡介：

黃太祥（1968-），男，湖北黃石人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：電子系統(tǒng)工程。