太陽能并網逆變電源基本設計方案簡述 - 全文

摘要：文章簡述了太陽能并網逆變電源基本設計方案，并對DSC技術在太陽能逆變器中的應用作了分析，介紹太陽能風力發電系統應用及太陽能風力發電的控制器和風機并網逆變電源等技術與應用。

關鍵詞：逆變電源

1、數字信號控制器(DSC)是數字控制系統的核心

數字信號控制器(DSC)平臺是能將微控制器(MCU)的控制外設和—流的DSP(數字信號處理)技術的處理能力與經濟性相結合，其特點是簡便易用。如今TI、Microchip等公司提供了DSP的高性能及微控制器集成與易用性，優異的處理能力、中斷處理功能、控制特定外設集成能力與經濟性的獨特組合為控制系統提供了實質性的益處。通過這些優勢，諸如改善的系統效率及增加的創新性能，能夠采用更少的外部組件，更低的成本，為空間受限的應用推出極小化封裝產品。

如今把握當前國內外受關注的綠色環保概念，開發與生產太陽能光伏組件及太陽能光伏系統，并不斷開發適合國際、國內市場需求的系列應用產品，是符合“讓太陽發電，地球更清潔，造福人類”的宗旨。而作為數字信號控制器(DSC)在其開發應用上可謂是恰到好處并且是多方面的，如綠色能源、數字電源、照明、家用電器、工業控制、車載產品、醫療及計量等?；跀底挚刂破鞯募夹g在工業應用中的優勢，本文將對DSC技術在太陽能逆變器中的應用作分析說明。既然是在太陽能逆變器中應用，為此應對與太陽能有關的理念先作介紹。

2、與太陽能有關理念

太陽能光伏組件及太陽能光伏系統，其產品生產從單晶硅棒、硅片、電池片到組件，并在系統工程的設計與集成獲得了迅速發展并在新能源發電、電力、通信、消防、航空和車船等領域獲得廣泛應用。

2.1太陽能光伏技術

太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，通過轉換裝置把太陽輻射能轉換成電能利用的屬于太陽能光發電技術，光電轉換裝置通常是利用半導體器件的光伏效應原理進行光電轉換的，因此又稱太陽能光伏技術。光伏電池的基本特征為：當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給硅原子，使電子發生躍遷成為自由電子，在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光子能量轉換成電能的過程。圖1(a)為光伏電池框圖。

光伏電池框圖

(a)

并網發電系統組成框圖

(b)

獨立發電系統組成框圖

(c)

圖1 (a)光伏電池框圖;(b)并網發電系統組成框圖;(c)獨立發電系統組成框圖

2.2光伏發電系統的構成與類型

一套基本的太陽能光伏發電系統是由太陽能電池板、控制器、逆變器和蓄電池構成。光伏發電系統有兩大類：并網發電和獨立發電。并網發電系統為太陽能電池方陣發出的電能經過并網逆變器將電能直接輸送到交流電網上，或將太陽能所發出的電經過并網逆變器直接為交流負載供電，圖1(b)為并網發電系統組成框圖;獨立發電系統為太陽能電池方陣發出的電能經蓄電池充電并經過逆變器將直流轉換成交流電，圖1(c )為獨立發電系統組成框圖。

應該說太陽能光伏系統可在太陽能風力發電控制器、逆變電源、并網逆變電源等多種綠色能源得到廣泛應用。值此重點對DSC技術在太陽能逆變器中應用作分析。

3、太陽能逆變器系統應用方案

3.1問題的提出

全球范圍內能量的未來獲取方式是一個新興的焦點問題。礦物燃料的多個替代解決方案已經展開研究，并將在全球各地區進入了工業化的生產過程。光伏并網發電是將太陽能電池陣列所發出的直流電轉變為交流電饋送電網，是太陽能發電走向可持續發展的必由之路。

太陽能是最廣泛的替代能源之一，其重點放在光伏(PV)系統的交付上，這包括用于電力公用事業、商用建筑以及個人住宅的高性能太陽能逆變器。逆變器是整個太陽能系統的關鍵部件，可將PV電池的可變DC電壓輸出轉換成清潔的50Hz或60 Hz正弦電流，適用于商用電網或本地電網供電。

作為光伏并網發電系統(如組合型)，整個系統由控制系統和功率主電路兩部分組成。功率主電路使用大功率智能功率模塊IPM，控制系統以DSP為核心，檢測直流側及網側的電量信號，通過最大功率尋優，電壓、電流調節，以及空間矢量PWM波形發生控制，向功率驅動回路發出控制指令，將太陽能直流轉換單元輸出的直流電變換成交流電，并回饋至電網。

太陽能并網逆變器是并網發電系統的核心部分，其主要功能是將太陽能電池板發出的直流電逆變成單相交流電，并送人電網。為此有必要對逆變電源技術特征作說明。3.2何謂逆變電源

逆變電源是將直流電轉變為交流電的裝置，是太陽能、風力發電系統的核心部件。根據產品設計情況分為：太陽能、風力發電專用正弦波逆變電源;經濟型太陽能、風力發電控制逆變一體機;太陽能并網逆變電源與風力發電并網逆變電源等四類。而其太陽能、風力發電專用正弦波逆變電源是太陽能、風力發電系統的核心部件，該電源針對新能源發電系統的特點來設計制造，主要應用于太陽能電站，風力發電站，風、光、油、蓄互補發電系統和戶用太陽能供電系統。其工作原理可由框圖2表示。

圖2 逆變電源基本工作框圖

其性能特點為：DSP芯片控制，智能功率模塊組裝，純正弦波輸出，輸出穩壓、穩頻，具有過壓、欠壓、過載、短路、輸入極性接反等各種保護功能，而逆變效率≥85%，具有交流旁路功能，輸入輸出優異的EMI/EMC指標，可配備RS232/485接口，具有高可靠性、高效率。

3.3太陽能并網逆變電源

太陽能并網逆變電源基本設計方案可用框圖3(a)表示。

(a) 太陽能并網逆變電源基本設計方案框圖;

(a)

以TMS320C2000 DSP為控制系統的太陽能并網逆變電源設計方案示意框圖

(b)

圖3 (a) 太陽能并網逆變電源基本設計方案框圖; (b) 以TMS320C2000 DSP為控制系統的太陽能并網逆變電源設計方案示意框圖

該設計方案的性能特點為：DSC芯片控制，智能功率模塊組裝;MPPT(住宅用運行在最大功率點附近，即MPPT工作方式)控制，適時追蹤太陽能電池板的最大輸出功率;純正弦波輸出，自動同步并網，電流諧波含量小，對電網無污染、無沖擊;具有擾動檢出技術，實現運行控制;采用LCD、LED顯示功能，其保護和報警功能齊全;RS232/485通訊，實現遠程數據采集和監視;具有并網/獨立運行功能。

技術指標：功率(例如1kW-50kW)：輸入直流電壓(200V-400V)，輸出諧波失真率≤5%，過載能力150%、10秒，逆變效率>92%，使用環境溫度-25℃~ +55℃。

3.2 DSC為控制系統的太陽能并網逆變電源設計方案

由于DSP芯片是DSC 核心部件，所以太陽能并網逆變電源設計方案是基于DSP技術的設計方案。值此以TMS320C2000TM DSP為典型應用作分析。因為以TMS320C2000TM DSP的平臺能夠最佳地響應太陽能逆變器多條實施線路的實時挑戰。故以TMS320C2000TM DSP為典型應用作分析。該TMS320028xTM，內核32位CPU以150MHz的最高頻率運行，能夠高效地執行在最大功率點下操作面板所需的高精度算法，可確保最高的電源轉換效率，甚至在最苛刻與不斷變化的條件下也是如此。DC/AC 轉換器主橋的驅動由TMS320C 2000器件高度靈活的PWM模塊執行并與片上高速12位ADC配合使用，調節所需的電流與電壓，從而獲得最常見的正弦波形。圖3(b)為用TMS320C2000 DSP為控制系統的太陽能并網逆變電源設計方案示意框圖。太陽能并網逆變電源設計方案由控制系統和功率主電路兩部分組成。

C2000片上高速12位ADC可對電池電壓、電池溫度、環境溫度與計量計數器的模擬量迸行A/D轉換。DC/DC變換環節調整光伏陣列的工作點，使其跟蹤最大功率點。所以在太陽能電池板后接Boost升壓斬波器，將電壓升到400V，這樣設計有利于提高系統的效率，也便于后級全橋逆變器并網控制。而DC/AC逆變環節主要使輸出電流與電網電壓同相位，同時獲得單位功率因數。

對于控制系統，當控制電路上電后，首先檢測電網參數和光伏電池的電壓，當網壓正常時，全橋逆變器工作在PWM整流器狀態，中間電壓為400V左右。逆變器工作過程中，由控制芯片DSP檢測中間電壓、并網電流，如果中間電壓過高或者并網電流超過最大電流時，由控制芯片封鎖全橋逆變器和Boost升壓斬波器的開關管控制脈沖，同時斷開繼電器。延時一段后再嘗試重新啟動，若故障仍然存在，則斷開逆變器，DSP能快速響應命令。

太陽能電池輸出的最大功率隨著光照強度和溫度的變化而變化，系統的最大功率跟蹤由前級Boost升壓斬波器控制。為實現與電網電壓同頻同相的并網電流，其由后級全橋逆變器控制。他們的控制都是由DSP芯片TMS320C2000 協調完成逆變器的設計。

除上述DSC為控制系統的太陽能并網逆變電源以外，本文還將對太陽能風力發電系統應用、太陽能及風力發電的控制器及風機并網逆變電源等技術與應用作簡介。

4、太陽能風力發電系統應用

太陽能風力發電系統利用自然能源，取之不盡，用之不竭。它的利用不僅解決我國目前8000萬無電居民的用電問題，而且可改善目前全球日趨嚴重的環境污染問題。除此之外，它的利用給用戶帶來巨大的經濟效益。據統計，架設5公里電線及以后的電費投資，遠遠大于太陽能風力發電系統的一次性投資。

風光互補發電系統見圖4所示。由于太陽能與風能的互補性強，風光互補發電系統在資源上彌補了風電和光電獨立系統在資源上的缺陷。同時，風電和光電系統在蓄電池組和逆變環節是可以通用的，所以風光互補發電系統的造價可以降低，系統成本趨于合理。

圖4 風光互補發電系統組成示意圖

5、太陽能及風力發電的控制器

控制器是有效控制太陽能或風機發出的電力向蓄電池充電，蓄電池向負載放電，使蓄電池在安全工作電壓、電流范圍內工作的裝置。它的控制性能直接影響蓄電池使用壽命和系統效率。

5.1全數字太陽能智能控制器

全數字太陽能智能控制器全部采用微電腦和無觸點控制技術，并具備各種保護功能，廣泛應用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠地區、海島部隊以及移動場所提供電力。由于太陽能電池的壽命一般均在20年以上，因此系統壽命可靠性較高，并可取代柴油機，實現無人值守。

性能特點：控制電路與主電路完全隔離，可正接地也可負接地;LED、LCD顯示功能，可顯示當前蓄電池電壓、太陽能電池陣列輸出電流、負載電流及蓄電池充電電流、日發電量、累計發電量;多路(6路/12路/18路等)太陽能可以同時接入;階梯式控制方式，可使太陽能電池發出的電能最大限度向蓄電池充電，效率大大提高;各路充電電壓檢測具有“回差”控制功能，可防止靜態開關進入振蕩狀態;過充、過放、過載、短路、接反、過熱等一系列報警和保護功能;霍爾電流互感器檢測電流;溫度補償調節電壓;最近30天的電量數據采集，缺電時電量可以存儲;太陽能每天累計發電量，太陽能歷史累計發電量，掉電數據不丟失;具有RTC功能，可以查尋當前時間，在任何時候出現異常(過充、過放、過載、短路等)，會把不同故障發生的時間分別記錄下來，送上位機顯示;提供標準RS232/RS485接口;根據客戶不同需要，可安裝不同等級防雷器;根據系統需要，可提供光控、油機、備用電源等功能。

5.2全數字風力發電智能控制器

全數字風力發電智能控制器是控制風力發電機將風能轉化為電能并貯存到蓄電池的裝置，控制器全部采用微電腦和無觸點控制技術，并具備各種保護功能，廣泛應用于郵電通信、微波、光纜傳輸、鐵路通信及信號，也可為邊遠地區、海島部隊以及移動場所提供電力。

其性能特點與全數字太陽能智能控制器類同，不同之處如下：多路風機可以同時接入;階梯式控制方式，可使風機發出的電能最大限度面向蓄電池充電，充電效率大大提高; 控制器內置大功率風機卸載電阻，無級調節，逐級投入，使蓄電池不會經受突變大電流充電，大大提高蓄電池使用壽命;風機平穩降速，有效防上風機飛車;最近30天的電量數據采集，沒電時電量可以存儲。

5.3無尾翼風機控制器原理與特征

5.3.1無尾翼風機控制器原理可用圖5描述。

圖5 無尾翼風機控制器原理圖

5.3.2無尾翼風機控制器特點

采用Microchip公司專用微處理芯片;專用的風速儀與高性能風向傳感器;實時顯示風速、風向、功率、電壓、電流、手/自動剎車、偏航、變槳等信息;EMI/EMC指標優異，配備RS232/RS485及上位機監管軟件;具有欠/過壓自動切換，可實現三級電動剎車，自動關槳;防雷擊、過載、短線等各種故障自動保護功能及故障報警;可設置最佳切入風速和切出風速，運行中能進行智能控制，自動根據風速、風向的變化，改變槳距、偏航方向，實現最大功率輸出;工作溫度-20℃～+70℃，可配置微型打印機。其應用范圍適用于各種無尾翼風力發電機的控制。

5.4風光互補智能控制器

風光互補智能控制器是控制太陽能電池、風力發電機將太陽能、風能轉化為電能并貯存到蓄電池的裝置，由于風力資源和陽光資源在不同的地域、季節、天氣條件分布不同，具有一定的互補性。同時充分利用風力資源發電一次性投資較低，而新能源發電系統維護量低，采用風光互補系統，性價比高。兼有太陽能控制器、風力發電控制器的特點。

5.5路燈控制器

太陽能路燈是一種獨立的照明系統，路燈控制器是將太陽能轉化為電能并貯存到蓄電池為道路提供照明的裝置，采用微電腦芯片和無觸點控制技術，并具備各種保護功能。

性能特點為：照明開/關燈自動控制(光控、定時可設定);時控有1小時、3小時、4小時、5小時、6小時、8小時自由選擇;蓄電池充/放電、欠壓/過壓/反接保護及溫度補償自動控制;負載開/短路自動保護，保護自復位。