光伏离网逆变器的设计
摘要:本文在充分分析近年来光伏发电领域重要研究成果的基础上,设计了一套单相光伏发电离网系统,对系统的拓扑结构、控制电路给出了详细的设计要点。以dsPIC30F4011为控制核心,实现了电路保护、数据采集、参数设置等功能,为各种光伏离网控制算法提供了灵活可靠的硬件平台。在软件方面介绍了SPWM的控制算法,在分析现有最大功率跟踪(MPPT)方法的基础上,对现有方法进行了改进,把爬山算法引入到最大功率跟踪中。
引言
微网太阳能发电离网具有广阔的发展前景。本课题正是在这一思想的指导下进行对光伏发电离网系统的研究。主要内容如下:
(1)首先简单介绍太阳能光伏发电的原理和其系统的组成部分。并介绍了光伏离网的基本知识和相关的要求。
(2)设计并制作了基于PIC芯片dsPIC30F4011的500W单相光伏离网发电系统的硬件电路,包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、充电电路、显示电路、PWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析,对电路中的参数进行了计算,完成了硬件电路的制作与实验调试。
(3)研究太阳能光伏发电逆变离网的控制方法。选定采用基于SPWM的三角波比较电流型单相并网的控制策略。利用MATLAB软件对系统进行建模和仿真。
500W微网逆变器电路设计
微网逆变器是微网逆变器系统中的关键部分。微网逆变器的控制电路采用Microchip公司的dsPIC30F4011作为主控制器,由软件生成SPWM。实现直流侧电压、电流的采集;交流侧电压、电流的采集与有功、无功的计算;电网的相位检测,实现与市电同步;过压、欠压,过流,功率器件的过温等保护;其信号处理框图如图1所示。其中DC/DC变换器采用全桥拓扑结构实现直流电压的升压功能,由于推挽结构存在偏磁问题,使得系统工作不稳定,故不采用推挽结构升压。PWM驱动信号由DSP产生,通过实时采集母线上的电压,计算出给定值与当前值的误差值,再PI闭环控制算法进行运算,从而使得直流母线上的电压稳定在设定值处。
主控制芯片的选择
控制芯片要实现的功能有:对检测信号进行A/D转换;产生PWM波形;完成MPPT。控制电路的核心器件采用美国微芯科技公司的dsPIC30F4011,这是微芯科技公司推出16位微处理器,其内部采用改进型哈佛结构,它不但运行速度高,处理功能强大,并且具有丰富的片内外围设备,便于接口和模块化设计,其性价比极高。dsPIC30F4011是Microchip公司专为电机高速控制设计的一款微处理器。
微网逆变器信号调理电路设计
由于DSP不能输入负电压,故逆变器的输出线电压和线电流,电网端的线电压和线电流总共4路信号要通过信号调理才能送入DSP。此系统输出是交流电,输出线电压为100V,故选择TV19E电压互感器,其输出负载电阻可以接0~500欧,输出交流电压0~2.5V,此系统采用240欧的电阻,输出电压-1.2V~1.2V。满足DSP的输入要求。电路如图2所示。
此系统输出电流小于1A,故选择最大可以测量1A的电压型电流互感器TA1410,负载电阻用是200欧,输出电压为-1~1V的交流电压。电路如图3所示。
由于DSP输入端不能输入负电平,故要对电压互感器和电流互感器的信号进行+1.25V的提升,使输入信号在0~3.3V之间。电平提升电路如图4所示。此电路首先是通过REF3312得到高精度+1.25V基准,通过运放D反向,送入运放B的反向输入端,电流互感器或者电压互感器的信号通过运放A组成的电压跟随器后,同样送入运放B的反向输入端,这样经过运放B进行叠加后输入信号得到提升。
DC-DC主电路设计
DC-DC主电路如图5所示。
(1)主功率管的选择
目前,MOS管以其优良的开关特性、较低的饱和压降以及容易驱动等特点在中小功率开关电源以及逆变电源中占据了主导地位,因此本系统采用MOS管作为功率开关器件。MOS管的选择可以从器件的电压等级和电流等级两个方面加以考虑。系统的前级升压的最高电压约为45V,即桥式电路的最大输入电压。因此,各开关管所承受的最高电压为45V,考虑电压尖峰和电压裕量,可选择耐压为60V的器件等级;而电流则要根据通过它们的最大峰值电流来确定。根据上述分析其耐压取60V;而其额定电流应大于电感电流峰值的最大值。但由于太阳能电池板的特殊性,这个电流的最大值应不会超过太阳能电池板的短路电流Isc,即6.6A。为方便,BUCK电路中的开关管选用2SK4145(80A/60V),二极管选用MBR3045(30A/45V),考虑到稳定性,最终采用两个管子并起来接入电路中。
(2)储能电感及输出滤波电路的设计
BUCK电路工作在电流连续工作模式,根据BUCK电路输出电压表达式,可得PWM最大占空比Dmax发生在输入直流
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