100kW光伏并网逆变器设计方案要点.pdf

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1、100kW 光伏并网逆变器 设计方案 目录 1. 百千瓦级光伏并网特点 2 2 光伏并网逆变器原理. 3 3 光伏并网逆变器硬件设计. 3 3.1 主电路 6 3.2 主电路参数 7 3.2.1 变压器设计 . 错误！未定义书签。 3.2.3 电抗器设计 . 7 3.3 硬件框图 10 3.3.1 DSP 控制单元 . 11 3.3.2 光纤驱动单元. 11 3.3.2 键盘及液晶显示单元 13 3 光伏并网逆变器软件. 13 1. 百千瓦级光伏并网特点 2010年全球太阳能光伏发电系统装机容量将达到10000MWp（我国将达到 400MWp） ，2010年以后还将呈进一步加速发展趋势。百千瓦

2、级大型光伏发电并 网用逆变控制功率调节设备，成本低，效率高，容量大，被国内外光伏界公认为 是适合大功率光伏发电并网用的最具技术含量、最有发展前景的新一代主流产 品，直接影响到未来光伏发电的走向。 百千瓦级大功率光伏并网逆变电源其应用对象主要为大型光伏并网电站，从 原理上讲，其并网控制技术与中小功率光伏并网系统的控制技术基本相同，但由 于装置容量较大，在技术指标的实现达标和功能设计方面却有较大区别。 在技术指标上，主要会影响： 1. 并网电流畸变率 在系统的额定容量达到一定数量级时，一些存在的技术问题将会逐步暴露并 影响到系统的性能指标， 其最重要的一点就是并网电流波形畸变率的控制和电流 滤波方

3、式。该系统中的主变压器一般选择为三相/Y 型式，且容量较大，此时变 压器的非线性和励磁电流对并网电流波形的影响不容忽视，否则会引起并网电流 波形的明显畸变和三相电流不平衡。 2. 电磁噪声 由于是三相桥式逆变结构，受IGBT功率模块的开关频率限制及考虑系统的 效率指标，系统的电流脉动要远高于中小功率系统，对电流的滤波和噪声控制需 要特别注意，此时对系统的滤波电路设计和并网电流PWM控制方式的研究至关 重要。由于系统的 dv/dt、di/dt和电流幅值较大，其 EMI和EMC的指标实现可能存 在技术难度， 由于系统的噪声可能影响其电流、功率的检测和计算精度， 在最大 功率跟踪和孤岛效应识别等方面

4、的影响还难以预计。 在技术指标上，主要考虑： 1)主电路工艺结构设计 2)散热工艺结构设计 3)驱动方式设计 2 光伏并网逆变器原理 光伏并网发电系统将光伏阵列的直流电能转换为与电网同频同相的交流电 能馈送给电网， 并保证具有较高的并网功率因数。光伏系统并网的三相逆变器的 开发有多种思路。设计决策的关键在于实现一个良好的系统并且使其满足客户的 需要。在 5kW到1MW容量之间的较大规模光伏系统已日趋普及，随之而来的是 光伏系统工业中三相并网逆变器重要性的提升。 2.1 光伏系统组成 一个所谓的光伏系统包括一个光伏阵列及许多称作系统平衡(BOS) 的部件， 这些部件对使太阳能加以利用懂得准备工作

5、是必需的。一般来说一个光伏装置如 图 2-1所示。 图 2-1 一个光伏系统的基本组成 光伏阵列发出夹有变化的电压及电流的直流电，它可以直接向直流负载供 电。如果要向交流负载供电， 就需要通过一个逆变器将光伏阵列发出来的直流电 转化成规定电压和频率的交流电。 如果光伏阵列不是直接向负载供电的话就需要有一个存储装置。大多数情况 下这个装置是电池但还有其它技术诸如利用水泵存储器、飞轮、超导线圈及氢气 等目前处于试验阶段，有的也已经投入运行了。 这种系统是独立于电网的。 增加这种小存储设备供电可靠性的一种方法是将 光伏装置与其它类似的发电装置如柴油机发电装置或风能转换器相结合。这些系 统称为混合型系

6、统。 本方案重点介绍并网的光伏系统。这种系统相对便宜、 易于控制， 而且它们 不需任何存储设备。 2.2 太阳能电池 光伏系统内最小的组成部件是太阳能电池。它是一种半导体装置、 十分特殊 的一种二极管。在入射光的照耀下有自由电子产生，他们在电势差的作用下从 PN结处分离出来。这样就会有电压产生，接有负载时就可产生电流(如图 2-2 所示)。 图 2-2 太阳能结晶电池向电阻负载供电示意图 目前，每年生产的太阳能电池中超过80% 的是由硅制成的。但是，也有其它 的半导体材料在应用而且许多技术在研究中12 。薄膜技术可以节省很大开销。 目前它们主要用于消费产品及一些微型的独立应用。到2010年它们

7、有望成为除 硅晶片外有价值的可供选择材料。但是，它们仍然不可能完全取代硅晶片。 2.3 光伏组件 为了使光伏发电在实际应用中易于控制，太阳能电池被安装于光伏系统组件 内部。在组件内部，电池通过串并联连接来达到要求的电压、电流。特殊的组件 是根据物理结构决定的机械和光学特性来选择的。 玻璃/tedlar典型组件是大批量生产的标准型组件。为易于安装它们通常有一 个铝制框架。 但是，也有无框的玻璃 /tedlar组件。玻璃/tedlar组件主要应用于建筑 中集成的光伏系统。 Isc和 Uoc分别是短路电流和开路电压。MPP 代表“最大能量点”，在 U/I 曲 线上指所发出的功率达到它的最大值的点。在

8、MPP 点处通常给出电流、电压比 及功率的大小。光伏系统组件的典型电压/电流曲线如图 2-3 所示 图 2-3 光伏系统组件的U/I 曲线 硅晶片元件的开路电压UMPP随温度的上升以大约0.4% 的速度降低。短路电 流随温度的上升增加的极其缓慢，但它与太阳辐照度成比例增长。 2.4 光伏逆变器拓扑 实际中的 DC/AC 转换通常是用脉冲宽度调制(PWM)的逆变器来实现的。 PWM 转换器是设计来与电网连接的通常以电流源形式工作的。当电压和频率由 电网决定时，它们向电网注入最大电流，功率因数通常接近1。如果电网断开， 逆变器绝不可以继续工作。 逆变器设计的第一个重要决策是对主电路拓扑进行选择。太

9、阳能板极电压和 并网应用电压都将决定拓扑的选择。功率、温度和建模方式的综合作用将使直流 输入电压变化范围扩大。首要的拓扑思路是决定是否使用DC/DC 变换器来对直 流母线电压进行预调节，DC/DC 变换器工作在一个较宽的直流输入范围内，但 其价格较高且在工作点处的变换效率较低。 如果不使用 DC/DC 变换器，考虑太阳能电池板的耐压，光伏逆变器需要配 置一 50Hz 的隔离变压器，隔离变压器则提供了网络结点电压应用的灵活性，但 它却降低了系统的总效率。 本方案设计三相光伏并网拓扑结构如图2-4所示。 + _ PV L L L 负载 2 e + 负载 1 D1 C1 T1T3T5 T2T6T4

10、KM1 图 2-4 三相光伏并网拓扑 太阳能电池板输出的正负极接到三相全桥逆变电路的直流母线上，逆变桥输 出经电抗器连接到工频隔离变压器一次侧，变压器二次侧通过一个交流接触器接 到市电网。考虑直流母线电压过低时，在同等功率条件下，母线电流增大，长线 传输损耗会增大， 而直流母线电压过高时， 功率开关管的耐压受到限制，且太阳 能阵列组允许承受的电压幅值（最大1000v） 。 3 光伏并网逆变器硬件设计 3.1主电路 图1为采用工频变压器隔离的三相光伏并网逆变器的主电路。文件夹：100kW 技术转让资料电路图 100kw主电路 .DDB100kW 主电路 P1.SCH。料单见电路图 文件夹下的“

11、100KW并网主电路料单 .doc” 。 图 3-1工频变压器隔离的主电路 太阳电池阵列输出直流电压，经防反二极管连接到逆变桥的直流母线，二极 管主要防止夜间电网向太阳电池阵列反灌电能。逆变桥使用SPWM技术进行 DC/AC的输出转换，其交流侧经电抗器L与工频变压器连接，再由工频变压器隔 离、升压并入电网。 逆变电路中的功率开关器件选用具有开关损耗低、工作频率 高、安全工作区宽等优良特性的绝缘门极双极型晶体管IGBT，其额定电压由直 流侧电压决定， 并适当考虑安全裕量； 变压器起隔离逆变器和电网的作用，逆变 器功率器件开关导致电位浮动所产生的漏电流，以及逆变器在控制中产生的微小 直流电流均被有

12、效隔离和抑制，不会对电网产生不良影响。 3.2 主电路参数 3.2.1 电压矢量分析 为分析方便，将图 3-1中变压器及其后级（电网侧）等效为电网，忽略主电 路内阻，则主电路等效电路如图11所示。其中， Un为逆变桥输出电压， UL为电 感压降， Ueb为等效电网电压， i为并网电流。 UnUeb i +-UL + - + - 图 3-2主电路等效电路 图3-2中，电压矢量满足等式： ebLn UUU (1) 根据图 11中电压与电流参考方向， 并网时，系统控制电感上的电流与电 网电压同频同相，可得电压矢量如图3-3。 UL Ueb Un i 图 3-3并网时电压矢量 电压幅值满足下式： 22

13、 ebLn UUU (2) 太阳电池板的耐压受一定限制， 直流侧电压不能太高， 设计直流电压最高不 超过800V。 3.2.2 变压器设计 三相桥式 PWM逆变电路 U相和V 相输出端相对于直流电源中点电压的基波 分量uUN1和uVN1分别为 : )sin( 2 1 ta U u r d UN (3) ) 3 2 sin( 2 1 ta U u r d VN (4) 则输出线电压 uUV的基波分量为 : ) 6 1 sin( 2 3 ) 3 2 sin()sin( 2 1 taUtata U u rdrr d UV (5) 当调制度 a为最大值 1时， uUV1的幅值为 d U 2 3 。考虑

14、死区电压损失7，则 逆变桥输出线电压有效值为: ddn UUU6 .0%93 2 3 2 1 (6) 按额定功率下电抗器压降UL为Ueb的0.2倍考虑，同时考虑 UL有3倍的调节余 量，由式 (2) 可得： ebebebebLn UUUUUU17.136.0 2222 (7) 联立式 (6) 和式(7) ，有： deb UU513.0 (8) 假设太阳电池阵列工作电压范围400V800V ，变压器一次侧的电压有效值 为： VVUU deb 205400513.0513.0 因此，变压器可选择为一次侧200V，二次侧 380V 的 /Y的工频变压器。 3.2.3 电抗器设计 系统中并网滤波电抗的

15、作用是连接电网和平滑并网电流，其参数的选择关系 到并网电流波形的误差脉动幅度和跟踪电流的有效范围。若电抗器 L值选择过大， 则在同样开关频率下， 输出电流纹波会较小； 但电流跟踪幅值有效范围减少，太 阳电池并网功率会受到限制；反之，若L值选择过小，虽然电流跟踪有效范围增 大，但输出电流纹波会较大，并产生与装置容量不符的较大的电磁噪声和干扰。 故电感值的设计选择应以满足并网功率要求和最小电流脉动幅度为设计约束条 件。 当变压器一次侧为 150V时，根据系统额定功率 Pe（100kW）可定出电抗器的 额定电流： )(384 1503 100000 3 A U P I eb e 工程上一般设计额定功

16、率下电抗器压降UL为Ueb的0.2倍考虑，即变压器一次 侧150V 时，电抗器压降 UL为30V，因此电抗器设计为 380A/40V。 3.3 硬件框图 为了简化系统的控制器硬件结构，提高可靠性、一致性和稳定性，控制系统 的设计采用全数字化控制方案，选用TI 公司的电机专用DSP数据处理芯片 TMS320LF2406A作为控制核心。多变量的采样、电流跟踪控制、多路SPWM的 发生、无功与谐波计算、电压稳定控制、参数设定调节、通讯和各种保护等均由 中央处理单元完成，这些工作的实时性对CPU的运算能力和速度提出了较高要 求。专用的 DSP 数据处理单元为系统的设计方案提供的选择途径和技术保障。 控

17、制系统硬件由三部分组成：DSP控制单元、键盘及液晶显示单元及隔离驱 动电路，如图 3-4所示。 功率驱动信号隔离放大 液晶显示 参数设定 Philip 669 RS 485 DSP TMS320LF2406 A G P R S 隔离电源 信号 采样 及 保护 电路 逆变电流 负载电流 电网电压 直流电流 直流电压 温度 图3-4 控制系统硬件框图 3.3.1 DSP控制单元 该单元主要完成信号采样、运算和SPWM 的输出控制， TMS320LF2406A 是其核心， 模拟信号和数字信号的采集有：三相并网逆变电流、 三相电网电压和 同步、母线直流电流、 母线直流电压、 散热器温度、 驱动故障和端

18、口控制信号等。 为提高系统的采样精度和抗干扰能力，所有信号的采样和输出均隔离变换。 将 DSP芯片、采样、通讯部分设计成一块四层PCB 板，对应： 100kW 技术转让资料 电路图 控制板 MCTD . DDBDocumentsMCTD.PCB。 其原理图对应： 100kW 技术转 让资 料 电 路图控 制 板 MCTD . DDBDsp 外 设.Sch、采样 . SCH、保护通讯 . SCH。 料单： 100kW 技术转让资料 电路图 控制板 MCTD 料单. doc。 将电压采样变压器、输出继电器设计成一块PCB板，对应： 100kW技术转让资料电路图 采样板 SMPSG.DDBDocum

19、entsSMPSG.PCB。 其原理图对应： 100kW 技术转让资料 采样板 SMPSG测量电源 .sch、信号 测量.Sch。 料单： 100kW 技术转让资料 电路图 采样板 SMPSG料单.doc。 控制回路的辅助电源常使用开关电源，设计在一块PCB板上，对应： 100kW 技术转让资料电路 图 控制电 源 FBPOWER20.PCB。 其原理图对应： 100kW 技术转让资料电路 图 控制电 源 FORBAK 电源.sch。 料单： 100kW 技术转让资料 电路图 电源板 FBPOWER20 料单.doc。 3.3.2 光纤驱动单元 由于主电路功率单元强电，控制单元为弱电，二者之间

20、容易产生相互干扰， 严重影响并网逆变器的安全可靠运行。典型的光纤是由玻璃或塑料制成，光纤发 送器与接收器之间没有直接的电连接，这有助于减轻环路噪声， 并且隔离各种电 压，防止相互干扰；光纤的另一个优点是自身不产生附加辐射，并对电磁干扰 ( EMI) 不敏感，这将防止光纤干扰附近的导线，也防止附近的导线感应或耦合噪 声干扰。基于光纤传输的优点， 本系统利用光纤传输实现控制单元与功率单元之 间的驱动，实现强电和弱电之间的隔离，避免强电对传输信号的干扰。 在本系统中， 由于只需要完成近距离的光纤传输，因此选用安捷伦公司生产 的HFBR-1521/2521光纤发射 / 接收器，它们具有体积小、功耗低、

21、安装方便的优 点，它的主要技术指标是： 1. 发射波长是 820nm； 2. 最高数据传输速率 5MBd； 3. 最长传输距离是 40m； 4. 适用于 50/125m ，62.5/125 m,100/140um,200umHCS； 5. 工作温度范围 -40+85；可以与 ST、SC、SMA、FC四种跳线连接； 电路如图 3-5、图 3-6所示。 图3-5 驱动信号发送 图3-5为 DSP输 出 PWM 信 号 经 74HC07电 平 匹 配后 ， 接 入 光 纤发 射 器 HFRB-1521。 电路板:100kW技术转让资料电路图光纤发 送.DDBDocumentsHBDRTR.PCB；

22、原理图：100kW技术转让资料 电路图 光纤发送光纤驱动接 口.SCH。 料单：电路图文件夹下的“驱动光纤发送HBDRTR板料单 .doc” 。 图3-6 驱动信号接收 图3-6为光纤接收器 HFRB-2521接收到驱动信号后，经74LS07输入专门的驱 动模块。 电 路板：100kW技 术转 让资料电 路图光纤 接 收.DDBDocumentsHBDRRE.PCB； 原理图： 100kW 技术转让资料 电路图 光纤接收驱单光纤 07.SCH； 料单：电路图文件夹下的“单路光纤接收HBDRRE 板料单.doc” 。 驱动模块选用 DRP22H， 北京诺维克新技术有限公司， 电话：(010)51893104。 给驱动模块供电的开关电源选用北京福格斯有限公司的Q 系列青蛙电源， 电话： (010)51096036 ，(010)88473600 88473602。 3.3.2键盘及液晶显示单元 为便于操作和系统的管理， 系统设置了键盘监控和液晶显示。该单元具体资 料见： 100kW 技术转让资料液晶显示器。 3 光伏并网逆变器软件 流程图： 100kW 技术转让资料 三相光伏并网流程图 .vsd。 源程序： 100kW 技术转让资料 TRI100KW 。