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太阳能光伏发电阵列并网综合控制器设计说明书（长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410076）作品内容简介本团队通过研发设计了太阳能光伏发电阵列并网综合控制器。本作品在基于传统太阳能光伏发电并网系统的基础上，对其功能进行拓展，使其不仅能并网发电，还能够根据电网中的电能质量情况向电网注入相应的无功和谐波 , 以进行补偿和抑制，从而改善电网的供电质量；并且本作品以具有较大性能优势的超级电容器代替传统光伏发电系统中的蓄电池组，与光伏电池及充电控制器配合，使太阳能光伏阵列工作在最大功率点等。太阳能光伏发电系统的控制电路以 DSP芯片为控制核心，充分利用它高速的运算能力和先进的体系结构来完成无功功率电流、谐波电流和并网电流的快速检测和处理，从而适时、有效地对主电路进行控制；在控制系统设计中，还使用了良好的抗干扰设计、多种数据通讯接口、完备的保护功能（具有过流、过压、过温、速断、故障检测等）。设计中开发了多种通信电路模块，更好地保障并网逆变系统的正常运行，加强了对运行状况的实时监现了对逆变系统智能化的管理。１研制背景及意义以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，采用新能源和可再生能源以逐渐替代化渐减少石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。这对于世界尤其是我国是十分迫切的。而太阳能资源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源，所以开发利用太阳能受到越来越普遍的重视，成为目前各国都在研究的重大课题。近年来迅速发展的光伏产业，带动了电力电子技术的不断进步。本作品以光伏发电为基础设计出多功能太阳能光伏发电系统，使太阳能电池阵列发出的直流电可直接供给直流侧的照明灯，充电器，应急电源等直流负载使用；亦可经逆变器变为交流电后供交流负载使用或并网运行。并且，该作品还集合了电网无功补偿和谐波抑制等功能，这样，就可以达到可再生能源并网发电、提高供电质量和减少功率损耗，以及节省相应设备的投资的目的。随着世界对新能源发电的渴求，太阳能发电系统的应用范围将得到进一步扩展，具有多种功能的太阳能发电技术将会更加迅速地发展，应用面将更宽，对改变目前能源结构，增大可再生能源比重，和世界的未来有着深远的意义。2 设计方案2.1 系统功能1 并网运行2 独立运行3 直交流负载4 无功补偿5 谐波抑制6 电力系统运行检测7 储能2.2 硬件部分多功能太阳能光伏发电系统的硬件部分主要包括主电路、数据采样电路、 DSP控制板、充放电控制器和驱动电路等，其原理框图如图 1 所示。PVDC\DC变换太阳能电池电压检测驱动电路蓄电池电流检测蓄电池电压检测S11S4S21S5S31S6Liiiabc逆变器输出电流和电压检测负载电流检测TMS320LF2844DSPCVT 、谐波与无功电流运算、无差拍控制 PWM 、系统保护、显示等工作电源报警显示串口通信IGBT 驱动电路直流负载交流负载TL494脉宽调制图 1 原理框图2.2.1 BUCK电路主要参数设计1）电感的设计设计中选择滤波元件总是选取尽量小的寄生电阻的元件。2）输出滤波电容的设计其与光伏阵列与逆变器之间的导线上的分布电感组成一个低通滤波，减小雷击等尖峰电压和一些额外的因素引起的直流侧电压波动对逆变器造成的影响。本装置采用的是耐受电压大于 1000V的电力电容器。3）开关管的参数IGBT具有功率 MOSFET高速开关特性和双极晶体管的低导通电压特性，且可以高速开关、耐高压和大电流，因此选用 IGBT作为 BUCK电路的开关管。根据直流侧电压容量、电流容量、散热要求来确定 IGBT的型号。4）二极管的设计光伏电能在送入直流母线之前，先经过一个二极管，这样可以避免反向的异常电流损坏光伏阵列。2.2.2 充放电控制器及超级电容器1）脉冲宽度调制芯片 TL49 内部同时解决了电流调节器、脉宽调制和最大电流限制，芯片内还设置了一些附加监控保护功能，使得芯片具有较强的抗干扰能力和较高的可靠性，用此芯片构成的控制系统外接元器件较少，结构简单。2）超级电容器超级电容器的充放电过程始终是物理过程，不发生电化学反应，其性能稳定，能量存取速度快，充放电损耗小，与可充电蓄电池相比，具有较大的性能优势。2.2.3 逆变器主要参数设计1）逆变输出滤波电感的设计设计使用的是铁氧体材料的磁心，饱和磁密点为 B0.2 特斯拉。采用型号为PQ50的磁心，其磁体截面积为 S328mm。2）功率器件的选取装置设计的额定交流输出功率为 50kW，逆变输出电压为 380V，根据最大通过电流与承受电压，选择 IGBT的型号。采用 3 个 100A/1200V 的 SKM100GB124D型 2 单元 IGBT模块，冷却方式采用散热片＋强迫风冷。3）缓冲电路的设计包括 BUCK电路缓冲电路与逆变器电路缓冲电路的设计，以吸收 IGBT关断时的浪涌电压，从而保证功率开关器件的安全运行，并减少关断损耗。2.2.4 控制电路的设计控制电路以 TMS320LF2844A芯片为控制核心，主要由采样电路、保护电路、驱动电路等外设电路组成。 TMS320LF2844A采用了高性能静态 CMOS技术，使得供电电压降为 3.3V，减小了控制器的功耗；拥有高达 32K 字的 FLASH程序存储器， 1.5K 字的数据 / 程序 RAM， 2 8 共 16 路 PWM输出，并带可编程的死区保护，AD8364 A/D 转换器，最快转换时间位 500ns； 40MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 25ns40MHz，从而提高了控制器的实时控制能力，满足系统设计的要求。DSP及其外围电路设计1）采样电路模块负责采样系统的 12 路模拟量，其中包括光伏列阵端电压，输出电流，直流母线电压，三相电网电压，三相负载电流，三相逆变输出电流。交流电流的采样信号通过电流型霍尔传感器获得。霍尔传感器对直流和交流电流都能进行检测，检测延迟小于 1μ s，是比较理想的电流检测器件。直流电流通过 LEM采样进来，通过放大电路调整增益。再通过低通滤波、电压跟随后送入 DSP的采样接口， DSP再将调理过的信号进行数模转换。2）保护电路模块硬件保护电路由检测电路、缓冲电路、散热器等组成，通过检测电路检测各个需要监测信号量，其在正常运行时均为高电平，当发生故障时，变为低电平，执行保护动作。包括有过流、短路保护，过压保护，过热保护。3）驱动电路模块目前 IGBT的驱动多采用专用的混和集成驱动器，具有过流检测、识别真假过流和过流缓关断功能。电路选用 M579962AL模块。它可驱动 400A/1200V 或200A/1200V以下 IGBT一个单元。4）通信电路模块为了更好地保障并网逆变系统的正常运行，加强对运行状况的监控，实现对逆变系统智能化的管理，设计中开发了通信电路模块，它包括了两个通信接口1 SCI 通信接口；2 逆变器并联运行的 CAN 通信接口。5）键盘及液晶显示模块键盘及液晶显示模块主要是为了实现太阳能光伏发电并网逆变系统的现场人机交互功能。6）复位与看门狗电路为了防止 DSP控制板在运行的时候程序跑飞，板上设计了硬件电路的手动复位能力和基于 MAX705的硬件看门狗，另外 2407A内部也有看门狗，它们能够在DSP跑飞的时候，自动将 DSP复位。 MAX705还能够监控 DSP控制板的电源，在电源不稳的时候使 DSP处于复位状态。2.2 软件部分本设计提出的综合控制算法是通过对 TI 公司的 DSP－ TMS320C28343的编程来实现的。本论文的程序编写，使用了标准 C语言和 TI 公司的 CCS2.2开发环境。2.2.1 主程序－ MainPro主程序主要完成对 2407A中相关寄存器的初始化设置，启动内部定时器 1；以及光伏发电并网运行状态总体控制，光伏发电并网功能切换控制。2.2.2 模数转换程序块－ ADCPro模数转换程序在 2407A的定时器 1 下溢时产生中断，触发各路模数转换，转换结果的记录和数据后处理，都是在这个中断程序中完成的。2.2.3 PWM 脉冲控制程序块－ PWMPro2407A的定时器 1 每个控制周期开始计数的时候，触发定时器 1 开始中断，进入 Deadbeat 的计算程序，该计算程序利用上一次定时器 1 下溢 ADCPro采集的数据计算出六路 PWM信号的脉冲宽度。2.2.4 保护程序－ ProtectPro该程序设在 2407A优先级最高的中断中，该中断是 EVA模块封锁 PWM脉冲的外部中断。它获得各故障信号相与的结果，有任何一种故障都立即封锁 PWM脉冲，断开光伏阵列、光伏发电和电网的连接，并且进入故障诊断程序。装置所有的程序都是基于这样的控制模块，如果有新的功能需要加入，可以直接向上述各程序模块中添加，也可以新创建一些程序模块。3 主要算法3.1 参数计算方法3.1.1 AB 相线电压1201 Mab abkU u kM式中， N为每周期采样点数， M为计算点数，取 5 个周期的数做计算。采样频率为 12.8KHz 时，每周期采样 N256点，则 M5N1280。 abu k 为采样值。3.1.2 A相电源线电流1201 Ma akI i kM3.1.3 有功功率假定三相平衡且对称，则有功功率为101 Mab akP u k i kM3.1.4 功率因数视在功率 3 ab aS U I功率因数11cosqpIIf3.1.5 电压谐波畸变率电压谐波畸变率2 211abU UTHDuU3.1.6 电流谐波畸变率A 相电流基波有效值为 21211 707.0 qp III电流谐波畸变率2 211aI ITHDiI3.2 广义瞬时无功功率理论广义 dq0 正交变换的基本思想是设空间旋转正交 dkqk0 坐标系为右手坐标系，设 ABC 坐标系至 dkqk0 坐标系的线性变换矩阵为kD 0 00 0cos cos 120 cos 120 2 sin sin 120 sin 120 31 2 1 2 1 2k t k t k tk t k t k t利用线性变换矩阵 kD 将彼此相位相差 120O 的三相电压电流变换成彼此相位相差90O的三维电压电流。在无功电流检测算法上，采用最新的广义瞬时无功功率理论，它比基于传统无功功率理论的检测算法更准备、更快速检测出无功电流，具有很好的实时性。光伏并网系统控制结构采用三环最外环通过 MPPT实现最大功率点跟踪控制；中环是直流电压控制；内环是交流电流跟踪控制。采用基于无差拍控制的PWM控制策略，该控制方法具有开关频率固定、动态响应快的优点，使得装置能够实时、更好地跟踪参考电流。该系统设计的综合控制策略包括了补偿电网无功功率、补偿电流谐波和向电网输送有功功率。系统的参考电流提取算法框图如下C 32C 32C pq C pq-1 C32LPF CALMPPTi ai bi cu cu bu a eeiipq qp i fi fi afi bfi cfi a refi breficr efU dc I dc图 2 参考电流算法框图3.3 基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方法三相负载电流经过 dq变换，得到有功电流 ip 和无功电流 iq 。基波有功电流在dq坐标系下表现为电流 ip 中的直流分量。因此，在 dq坐标系下，将有功电流 ip进行低通滤波得到直流分量，再经过 dq反变换便可以得到基波有功电流，将负载电流与其相减便可以得到需要补偿的谐波与无功电流。该检测方案具有动态响应快、实时性好的优点。3.4 基于 Deadbeat算法的 PWM 控制方法无差拍控制就是根据系统的状态方程和当前状态信息推算出下一采样周期的开关控制量，最终达到使输出量跟踪输入量的目的。具体地说，每个采样间隔发出的控制量，即输出的脉宽控制量是根据当前时刻状态向量和下一个采样时刻的参考值计算发出来的。它对运算的实时性要求很高，而且计算量较大，但其具备了开关频率固定、动态响应快的特点，随着高性能数字处理芯片 DSP的出现，这种数字化的 PWM控制方式十分适宜于太阳能光伏并网系统的数字控制。4 工作原理及性能分析4.1 工作原理4.1.1 系统工作原理首先 , 光伏并网发电部分经过最大功率跟踪（ MPPT）得出直流输出电压，经过电压外环控制得出并网参考电流；谐波与无功电流预算模块检测出电力系统中需要补偿的有害电流作为指令信号电流；合成并网参考电流与欲补偿的有害电流，并经过电流内环控制后形成逆变输出参考电流；控制电路根据给定的控制策略产生控制信号 ; 最后 , 驱动电路根据控制信号依序驱动主电路 IGBT 的门极，使主电路输出所需的并网与补偿电流，从而达到太能光伏发电并网与谐波抑制、无功补偿的目标。4.1.2 充放电控制器及 MPPT 工作原理本作品采用太阳能光伏阵列恒压跟踪 CVT充电，在温度变化不大时，太阳能阵列的最大功率输出点的电压基本稳定。因而通过设定光伏阵列在某一温度下的输出电压恒定，即可使阵列在最大功率点的附近工作，充分利用了太阳能。同时，为保证蓄电池有效的充电，在控制回路中增加蓄电池充电电压与电流的反馈，充放电原理框图如所示。太阳电池工作点设定PIPI太阳电池电压检测太阳电池TL494脉宽调制驱动电路BUCK变换蓄电池充电电流检测蓄电池电压检测蓄电池过充电压给定图 3 充放电控制原理框图4.2 性能分析本项目设计的多功能太阳能光伏发电系统的技术参数下表所示。直流输入最大直流电压 800V 最大功率电压跟踪范围 450 820V 最大直流功率 55kW 最大输入电流 75A 交流输出输出功率 50kVA 额定电网电压 330 450V 额定电网频率 50Hz 并网电流波形畸变率 0.99（额定功率）系统最大效率 95 防护等级 IP20（室内）夜间自耗电 30W 工作温度 -20 40 冷却方式强制风冷通讯接口 RS485 以太网 /GPRS 系统的基本性能1）利用太阳能并网发电；2）电网故障时，与电网断开独立运行；3）供交直流负载用电；4）对电网进行无功补偿和谐波抑制；5）监测电力系统运行状况；6）超级电容器储能；7）高转换效率；8）先进的最大功率点跟踪技术（ MPPT）；9）宽电压输入范围；10）完善的保护功能，系统的可靠性高；11）多种通讯接口；12）安装操作简便；13） LCD液晶显示；14）可设定的保护及运行参数。5 创新点及应用5.1 创新点本装置的主要创新点有以下四个方面1 对传统的太阳能发电系统进行功能拓展，在实现光伏发电并网运行的同时，使电能可供交直流负载使用和储存电能，并且提出一种 APF和光伏发电统一控制的系统结构和控制策略，使其具有谐波和无功电流补偿功能，实现一机多能，通过整合资源，降低应用成本。2 在无功电流检测算法上，采用了最新的广义瞬时无功功率理论，比基于传统无功功率理论的检测算法更准备、更快速检测出无功电流，具有很好的实时性。3 采用高速 DSP芯片作为信号处理单元，充分利用它高速的运算能力和先进的体系结构来完成无功功率电流、谐波电流和并网电流的快速检测和处理，从而适时、有效地对主电路进行控制；系统具有优良的可维护性和扩展性。5.2 应用据预测，太阳能光伏发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体之一。多功能太阳能光伏发电系统可广泛使用在光伏发电并网系统中，在将来的能源工业发展中具有广泛的应用前景。附图太阳能电池板超级电容器直流负荷静止负荷旋转负荷变压器并网逆变器附图 1 系统结构图附图 2 太阳能电池板附图 3 超级电容器附图 4 直流负荷附图 5 并网逆变器附图 6 静止负荷附图 7 旋转负荷附图 8 变压器附图 9 专利申请受理通知书附图 10 我们研究团参考文献[1] 王笛，粟时平 . 广义瞬时无功功率理论在广义有源电力滤波器参考电流检测中应用研究 . 长沙电力学院学报， 2006， 211.[2] 刘翔，郑诗程 . 具有恒压跟踪功能的新型太阳能充电器的研究与设计 . 电源技术应用， 2002， 56 .[3] 王正仕，陈辉明 . 具有无功和谐波补偿功能的并网逆变器设计 . 电力系统自动化， 2007， 3113 .[4] 粟时平，刘桂英 . 静止无功补偿技术，中国电力出版社， 2005.[5] 粟时平，刘桂英 . 现代电能质量检测，电力出版社， 2006.