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1、基于微网理念的光伏变流器系统设计时间:2011-01-31 18:36:26来源:电子设计工程 作者:王明才 黄 梅并网发电是光伏发电的有效利用方式之一。目前并网发电系统当外部主电网故障或检 修时，需要防止孤岛效应产生，帘用措施是切除并网系统，停止其发电，但会造成一定的浪 费。随着生活水平的提高，人们对供电稳定性也提出了更高的要求。微电网是一种山负荷和微型电源纽成的系统，其内部电源主要山电力电子器件负责能量 转换，并提供必要控制。微电网相对于外部大电网表现为单一的受控单元，并可同吋满足用 户对电能质杲和供电安全等方而要求，并II微电网能与外部电网脱离，独立运行。本文结合微电网理念，设计一个光伏
2、变流器，构建一个小型系统。当外部电网止常时， 变流器工作于并网模式；当外部电网故障时，该系统和外部电网脱离，变流器工作于离网模 式，并结合蓄电池继续对重要负载供电。1系统原理1. 1系统结构系统结构框图如图1所示。该系统结构主要山太阳能光伏池板阵列、蓄电池组及其管理 系统、光伏变流器、电能计量单元以及重要负载5部分纽成。太阳能 电池降列R丰卓Lt. 下CZZ、本占*锂电池 管理系统V CAN总线驱动测量，调理，通信TDSP控制板图1系统结构框图光伏池板经过串并联后形成25kWp,开路电压为500V的太阳能电池阵列。蓄电池选用 50kW-h锂电池，并且带有电池管理系统。逆变器是桀个系统核心和主控
3、单元，设计额定输 出功率为25kWo电能计量单元能够实时检测电网和系统之间的功率流向以及接口处电圧相 位和频率，为并网离网切换提供信息依据。光伏变流器主电路拓扑主要分2部分，前级为2个并联在直流母线上的双向DC-DC电路, 后级为三相全桥DC-AC逆变电路。两级之间通过大电容解耦。双向DC-DC电路作用主要 有维持中间电压稳定，另外光伏池板侧的DC-DC电路同时实现光伏池板的最大功率跟踪功 能，蓄电池侧的DC-DC电路同吋能实现蓄电池的充电功能变流器三相逆变输出通过LC滤波，经过三柑工频隔离变压器并网。重要负载接在变压器 输出侧，通过一个交流继电器和电网相连。变流器系统通过隔离RS485方式与
4、电能计量单 元通信,获収网侧实时功率信息；通过隔离CAN总线方式与锂电池管理系统通信,获取蓄 电池状态信息。1. 2系统工作模式系统工作模式有并网和离网2种模式。当外部电网正常时，变流器工作于并网模式。光 伏池板侧DC-DC电路升压工作，维持中间直流母线电压710 V，同时采用扰动观察法，对 光伏池板进行最大功率点跟踪，使池板工作发挥最大效率。蓄电池侧DC-DC电路，结合蓄 电池管理系统提供数据，单相降压工作，对蓄电池进行充电，直到达到其设定的上限电压 Uho DC-AC部分工作于电压型逆变器模式，实时跟踪外部电压幅值和相位，逆变输出电能 供给重要负载和电网。当外部电网异常时，变流器工作于离网
5、模式。光伏池板侧DC-DC电路依旧升压工作，但 此时蓄电池侧DC-DC电路根据重要负载大小，选择给蓄电池充电或是使蓄电池放电工作， 维持中间母线电压稳定oDC-AC部分工作于离网逆变模式，维持输出相电床220 V/50 Hz。 锂电池侧DC-DC电路控制充分结合锂电池管理系统，其控制流程如图2所示。电同捻測jit互朴工作单向降圧工作11母毁电丘“彷1T 母找电氏不Mill 710V图2督电池谄取冋DC-DC应制逻執2主电路器件选型2 1IGBT功率器件克流侧输入最大电流为100 A,交流输出按额是功率考虑，器件输出相电流有效 值为：=T738O =38 人(1)交流输出2倍过载时电流为76 A
6、o系统所用开关管均选 EUPEC FF200R12KE3G, 200 A, 1 200 V。2. 2中间支撑电容首先，对于700 V的直流电压，中间直流滤波电容电压值设计为900 Vc其次，考虑到 中间直流电容要能承受PWM整流器有流侧工作吋所帯來的纹波电流Ims。对于采用 SVPWM算法的PWM整流器，其直流侧纹波电流有效值约为和电流有效值的55%o稳态 时，纹波电压Ums可以取额定值的2%,电容值应满足下述关系：(2)1.二 55%/. _一2mx2%U fa式中，Ims为流过电容的纹波电流；la为A相电流有效值；Ums为电容上的纹波电压； fs2为PWM整流器开关管开关频率。按照额定输出
7、功率25 kW设计，将数据Udc=700 V, Ia=38 A, fs2=6 kHz,带入公式(2)得到 C40 pFc考虑PWM整流器工作时，电容在开关管导通期间放电，输出能量，在开关管关断期间 充电,储存能量。电容上电压按照开关周期振荡。所以，电容设计应满足能量传输的要求, 即在一个开关周期内，电容上储存的能量的变化等于一个开关周期内传输的能量。务 Cd( 1-6)2 詈(3)式中，P0为额定输出功率。按照额定输出功率25 kW设计，将Ude二700 V, 8=1%, P0=25kW, fs2=6 kHz带入式 (2),得到C854 pF,为加强各个环节的解耦，降低控制难度，这里选择900
8、 V/2OOOMF 的电容。2. 3直流升压电感直流输入电压范围250600 V,最大工作电流为100 A,工作频率为10 kHz。当输入 电压为350 V时,电流波形最差,设此时电流峰峰值为15 A(满功率电流15%),则有：芳皿 JxOdxlOOxlLw 15(4)得知：L1. 16mHo选用两个6oonH / 100 A电感串联，该系统总共用4个。提供15 A峰峰值电流对于太阳能电池阵列来说，影响较大，需在输入侧加滤波电容。对 蓄电池电斥影响很小，但是考虑电磁兼容问题，也要在输入侧加上滤波电容。对在输入电床 为350 V吋，要求输入开关周期内电压跌落不超过2%,贝叽Ct/A/=/A/(5
9、)可得：C=7oo pF因此选用looo pF / 900 V的薄膜电容。3变流器控制电路设计变流器控制电路是基于TMS320F2812 DSP设计的，ill DSP.控制底板、电压采集板 和驱动板构成。控制底板处理电压采集板和传感器输出的电流信号，并传输给DSP, DSP 对输入的数据进行A/D转换。一方而按SVPWM算法计算控制脉冲，将脉冲通过驱动板 提供给IGBT,实现功率因数为1的并网或者离网工作；另一方而进行MPPT控制，使太阳 能池板始终工作在最大功率点处。驱动板可以反馈IGBT故障信号，从而进行故障保护，使 系统可以安全可靠的运行。3. 1光伏系统最大功率跟踪一动观察法在光照相对
10、稳定的条件下，提供高性能追踪MPPT算法有很多不同的方法，经常使用的 是扰动观察法，英优点是简单可靠，几乎适应任何的光伏发电系统呢置，并在稳态下具有良 好表现。扰动观察法基本思想：引入一个小扰动H,然后与前一个状态进行比较，根据比 较的结果调整光伏电池板的工作点，实时采集光伏电池的输出电压和电流，并计算出此时的 功率值，而后与上一时刻的功率值进行比较，从而相应调整光伏电压的变化方向，使其向着 鼠大功率点的方向移动，以达到逼近最大功率点的目的。32SVPWM控制算法实现逆变器采用空间矢量脉冲宽度调制SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)技 术。SVP
11、WM是具有较高冇流电床利用率，谐波电流含昴少的优化算法，在现代变流器控制 领域得到广泛关注。4实验结果41并网工作模式并网工作模式变流器跟踪电网电压与电网同频同向止常并网。图4实际并网时A相输出 电流与电压波形。图4中波形较好的为A相电压波形，另一个为A相电流波形。从图中可 以看出，电流波形有一定畸变，并不理想，但是输出电流能基本保证与电网电压同频同向口 功率因素为1。(強、ASOM (變=002077(5s/格)图4并网电压电抚X形42离网工作模式系统离网模式工作时，输岀相电压为220 V/50Hzo系统止常工作，且波形良好。图5为离网工作吋A相电压和电流波形。图6为离网工作时A相和B相电流
12、波形。从图 6可以看出，山于模拟的三相重要负载不平衡，A相和B相电流大小有些不同。(味、A00O (*、Y0CW 4b Q .T/(5$/M)e 扫图5离网时A相电压电流滾形:1jW77 (5朋/苗g 侖图6鳥网时A相和B相电注放形5结束语介绍了一种基于微网理念的光伏变流器系统设计，分析了系统结构和控制原理，进行了 主电路器件选型。构建的实验室样机显示英能完成基本的设计功能，能止常工作于并网和离 网模式，只是并网时电流谐波偏大，在电流跟踪的控制算法上仍需做更进一步的改进。该系 统设计解决了普通并网系统在出现孤岛现象时必须停机的不足，同时能加强对重耍负载供电 的可靠性。该系统对于光伏发电系统的推
13、广和微网的研究都有一定的价值该系统还可以继 续加入其他分布式电源，比如小型风电机组、小型燃气轮机等组成多电源更为复杂的微网系 统，有利于分布式发电技术的进一步推广应用，対于提高电网的可靠性也有一定作用。劳动合同一、双方在签订本合同前，应认真阅读本合同书。本合同一经签订，即具有法律效力，双方必须严格履 行。二、本合同必须由用人单位（甲方）的法定代表人（或者委托代理人）和职工（乙方）亲自签章，并加盖用 人单位公章（或者劳动合同专用章）方为有效。三、本合同中的空栏,山双方协箭确定后填写,并不得违反法律、法规和相关规定：不需填写的空栏, 划上“”。四、工时制度分为标准工时、不定时、综合计算工时三种。实
14、行不定时、综合计算工时工作制的，应经劳动保障部门批准。五、本合同的未尽事宜，可另行签订补充协议，作为本合同的附件，与本合同一并履行。六、本合同必须认真填写，字迹清楚、文字简练、准确，并不得損自涂改。七、木合同（含附件）签订后，甲乙双方各保管一份备査。甲方（用人单位）：名称：法定代表人：地址：经济类型：联系电话：乙方（职工）：姓名：身份证号码：现住址：联系电话：根据（中华人民共和国劳动法和国家及省的有关规定，甲乙双方按照平等自愿、协商一致的氐则订立 本合同。一、合同期限（一）合同期限双方同意按以下第种方式确定木合同期限：1、有固定期限：从年月日起至年月日止。2、无固定期限：从年月日起至木合同约定的终止条件出现时止（不得将法定解除条件约定为终止条件）。3、以完成一定的工作为期限：从年月日起至工作任务完成时止。（二）试用期限双方同意按以下第种方式确定试用期期限（试用期包括在合同期内）：1、无试用期。2、试用期从年月日起至年月日止。（试用期最长不超过六个月。其中合同期限在六个月以下的，试用期不得超过十五日；合同期限在六个 月以上一年以下的。试用期不得超过三十日;合同期限在一年以上两年以下的，试用期不得超过六十日。）二、工作内容（一）乙方的工作岗位（工作地点、部门、工种或职务）为（三）乙方的工作任务或职责是一更木合同办理，双方签章确
