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式。该系统中的主变压器一般选择为三相Δ/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P—N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[1][2]。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。
?D1 + C1???负载1 e ~? ~ ~ ??T1T3T5L L KM1? + ? L T2T4T6? ????负载2 ??PV_ ???
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.DDB\\100kW主电路P1.SCH。料单见电路图文件夹下的“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。
+UL-+Ueb+Uni--
图3-2 主电路等效电路
图3-2中，电压矢量满足等式：
Un?UL?Ueb (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。
UnULUebi
图3-3 并网时电压矢量
电压幅值满足下式：
22Un?UL?Ueb (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:
uUN1?Ud?asin(?rt??)? (3) 2uVN1?Ud22??asin(?t????)? (4) r?3??则输出线电压uUV的基波分量为:
uUV1?Ud22?31?asin(?t??)?asin(?t????)?Uasin(?t????) (5) rrdr??326??3Ud。考虑死区电压损失7％，则2当调制度a为最大值1时，uUV1的幅值为逆变桥输出线电压有效值为:
Un?13Ud93%?0.6Ud (6) 22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：
2222Un?UL?Ueb?0.36Ueb?Ueb?1.17Ueb (7)
联立式(6)和式(7)，有：
Ueb?0.513Ud (8)
假设太阳电池阵列工作电压范围400V～800V，变压器一次侧的电压有效值为：
Ueb?0.513Ud?0.513?400V?205V
因此，变压器可选择为一次侧200V，二次侧380V的Δ/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：
I?Pe3Ueb?1000003?150?384(A)
工程上一般设计额定功率下电抗器压降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。
液晶显示参数设定功率驱动信号隔离放大逆变电流信号采样及保护电路负载电流电网电压直流电流直流电压温度Philip669RS 485DSPTMS320LF2406AGPRS隔离电源图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.DDB\\Documents\\MCTD.PCB。 其原理图对应：
100kW技术转让资料\\电路图\\控制板MCTD.DDB\\Documents\\Dsp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.DDB\\Documents\\SMPSG.PCB。 其原理图对应：
100kW技术转让资料\\采样板SMPSG..DDB\\Documents\\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.DDB\\Documents\\ FBPOWER20.PCB。
其原理图对应：
100kW技术转让资料\\电路图\\控制电源FBPOWER20.DDB\\Documents\\ 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、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50/125μm，62.5/125μm,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.DDB\\Documents\\HBDRTR.PCB；
原理图：100kW技术转让资料\\电路图\\光纤发送.DDB\\Documents\\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.DDB\\Documents\\HBDRRE.PCB；
原理图：100kW技术转让资料\\电路图\\光纤接收.DDB\\Documents\\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。
