3kW可调度型并网逆变器的研制

第22卷　第1期

2001年1月

太　阳　能　学　报　　　　　　　　　　　　Vol122,

ACTAENERGIAESOLARISSINICA

No11

Jan1,2001

文章编号:0220096(2001)0120017204

3kW可调度型并网逆变器的研制①

王斯成,余世杰,王德林,苏建徽,董路影,沈玉梁

(国家计委能源研究所　北京市计科能源新技术开发公司,北京100083)

摘　要:3kW可调度型并网逆变器采用80C19616位单片机配合D/A转换和MOSFET功率模块实现SPWM正弦脉宽调制、电流同步跟踪、并网逆变/逆变的切换控制等功能。本机设计为带有蓄电池的“可调度型”并网逆变器,目的是提高光伏并网系统的实用性和调峰能力,电力部门可以根据当地电网的峰、谷期和实际需要,通过遥控方式将光伏系统并入或退出电网;当电网停电时,并网逆变器还可以自动转入“逆变方式”为用户供电。关键词:可调度;并网逆变器;同步锁相中图分类号:TK514　　　　　文献标识码:A

0　引　言

在国外,近年来太阳能光伏电源已开始由补充能源向替代能源过渡,并从偏远无电地区中小功率的发电系统向并网发电系统的方向发展。美国、法国、日本,甚至第三世界的印度都陆续推出“1～5kW级百万屋顶光伏计划”,其发展速度非常迅猛。我国光伏技术虽然经过40年的努力,已具有一定的水平和基础。但是,与世界先进国家相比仍有不少的差距,为了跟踪世界发展趋势,弥补国内的技术空白,中国科学技术部于1996年11月下达了“1～5kW级并网逆变/控制一体化机”“九五”国家重点科技攻关项目。北京市计科能源新技术开发公司和合肥工业大学能源研究所共同协作,经过两年科技攻关,已成功研制出“3kW可调度型并网逆变器”样机,并于1999年7月13日正式通过科技部组织的项目验收。本文讨论本项目有关技术问题。

电网失电时停止工作。国外开发可调度式并网系统的目的是电网调峰,虽然带有蓄电池,但其容量只要求满足每天3～4h调峰,不象光伏系统要求存储容量满足3～4d使用,因此造价比光伏系统大大下降。由于上网时间可以控制,可调度式并网系统的调峰效果大大提高,可利用率由30%提高到60%,深受电力部门的欢迎。可调度式并网系统要求逆变器同时具有工作和并网工作两种模式,具有更大的灵活性,更容易被电力部门作为电力调峰所接受,又由于风—光,风—光—柴以及风—光—柴—蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统也要求光伏系统具有和并网两种工作模式,因此设计逆变器样机选定为可调度式并网方案,即开发/并网双功能型逆变器。

2　并网逆变器主要技术指标

额定功率:　　　3kW

整机效率:≥85%

输出电流波形:正弦波(并网工作)输出波形:正弦波(逆变工作)波形失真度:≤5%(逆变工作)并网功率因数:COS<≥0198输出频率:　　　(50±015%)Hz输出电压:　　　(220±5%)V(AC)

1　并网逆变器的设计方案

光伏并网发电系统分为可调度式并网系统(带

有少量蓄电池)和不可调度式并网系统(不带蓄电池)。后者由于没有蓄电池,造价相对低,但因为不能够控制上网时间,作为调峰使用效果较差。这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作模式,当

①收稿日期:1999209209

基金项目:国家“九五”重点科技攻关项目(962A17203203202)

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输入电压范围:　42～58V(DC)

3　并网逆变器电路原理

图1所示为并网逆变器电路原理框图。

图1　并网逆变器电路原理框图

Fig.1　Theschematicofthegridcircuitofconnectedinverter

4　并网逆变器主要技术环节电路分析

411　并网输出电流控制

并网时要求逆变器输出的正弦波电流与电网电

压同频、同相,控制框图如图2所示。

图2　同步锁相控制框图

Fig.2　Frameworkofsynchronizedphaselockcontrol

　　首先,由电网电压产生一个过零脉冲信号,此脉

冲加至单片机80C196MC的EPA捕捉中断输入口P211上。以此时间点作为基准给定正弦波信号的

流给定信号。然后,再实时比较电流给定信号ig与电流反馈信号ia。每相上、下桥臂的通断由ig和ia共同决定。开关频率和死区时间根据需要进行调整。

表1　桥臂模块通断状态表

Tab.1　On2offstateofthecircuitbridgemodule

ig>0

ig<0T3通、T4断T1、T4断T2、T3通T1、T4断

时间起点,同时用80C196MC的EPA比较中断完成

正弦波数据的依次输出。一个周期的单位正弦波数据采用表格的形式存放于EPROM中。

单片机将EPROM中存放的一个周期的单位正弦波数据按定时时间依次送到双路、8位乘法数模转换器中的一路,由D/A将这些数据转换成模拟信号,即单位幅值的标准正弦波。另外,由外部调节器送来的幅值大小指令信号送到数模转换器中的另一路,两路信号相乘形成了幅值可调度的正弦波的电

△i>0

T1、T4通T2、T3断T1通、T4断T2、T3断

△i<0

　　综上所述,输出电压与电网电压同频、同相的要

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求是通过电流跟踪控制实现的。412　供电输出电压控制

并网时输出电流的控制主要是由D/A转换、SPWM产生电路等硬件实现的。而供电时的输

出电压控制主要是由软件实现的,见图3。SPWM波形是由80C196MC单片机的三相波形发生器(WG)产生的。

80C196MC单片机的主要优点之一就是具有一个三相波形发生器(WG)。WG可以提供三对脉宽调制信号(PWM)。它们具有相同的周期和死区时间,占空比均可由用户编程设定。另外,通过设置WG的保护电路控制寄存器(WG2PROTECT),使得当EXTINT管脚(80C196MC外部中断输入引脚)有输入时,保护电路将禁止波形发生器的三对PWM信号,因此WG使用时灵活可靠。

逆变方式”,而是直接由太阳电池方阵连接成高电压形式(接近市电电网正弦电压峰值)由高压逆变桥路直接并网发电。这样总体设计方案可以大大简化,逆变转换效率也可以明显提高。但我们考虑国内电网的供电质量,尤其是较边远地区市电供电的不稳定性,可调度型并网系统可以大大提高太阳能发电的利用率,我们要求将逆变器设计成可调度型并网/两种功能逆变模式,研制工作具有较高的难度。415　直流输入电压等级的选择虽然理论上分析,直流输入电压愈高,逆变器的转换效率愈高,而且可以省掉笨重价高的工频输出变压器。但是,考虑到新技术的长远推广应用,我们决定采用通信行业的标准电压等级48V直流作为研制样机的直流输入电压,以便今后在邮电、电力等广阔的应用领域进行技术推广,但这样对整机各环节的技术设计提出了很高的要求。尤其是对“逆变转换效率”的提高带来了较大的难度,对于48V低电压直流输入,要使逆变效率达到90%,技术实现是相当困难的,如果单纯追求提高逆变效率一项技术指标,可采用高直流电压输入和无输出变压器的总体技术方案,经过实践证明,逆变效率要达到90%是不难实现的。但对于带有蓄电池的、可调度型并网/两种模式运行的并网逆变器,我们仍认为选择通信行业标准48V电压是有意义的。416　SPWM正弦脉宽调制波形产生电路的选择

SPWM正弦脉宽调制波形产生电路是整机设计

图3　供电时的控制框图

Fig.3　Thecontrolsystemofstand2alonepowersupply

由图3可以看到,供电时,整个控制系统是一个既有反馈控制又有前馈控制的复合控制系统。

前馈控制可提高系统的动态性能,以使调节过程达到快速、精度高的要求。413　系统的保护及监控

本系统设计有直流过流、交流过流、过热、欠压等多种保护电路,一旦出现故障,首先通过硬件保护电路快速封锁所有驱动信号的输出;另一方面,在EXTINT管脚上产生跳变,进入EXTINT中断服务程序,通过软件在中断程序中封锁所有驱动信号,同时显示错误信息。当故障排除后,手动复位,系统才能重新启动。

本系统还设计有监控电路,监测太阳电池方阵及逆变器的多种模拟量参数,采集的参数可以由面板上的LED显示器显示,并网功率可以通过模拟量给定进行调节。414　并网逆变和逆变工作模式的自动切换

在国外,光伏并网逆变器大多不采用“可调度型

的一个关键环节,尤其是其开关频率的高低对输出

波形失真度和输出正弦化滤波器影响较大。采用先进的“数字波形产生方案”,要想提高开关频率,会对CPU芯片的工作速度提出很高要求,就目前国内外常规使用的CPU芯片,均不属于高速芯片(包括本

项目使用的80C196MC芯片)。根据调研,近期国外已推出新型的DSP高速信号处理器芯片,如采用此芯片取代常规的CPU微处理器芯片,可明显提高并网逆变器的技术性能。

5　并网逆变器的示范应用和完善

3kW并网逆变器通过“九五”国家重点科技攻关

测试验收后,国家科技部为加快光伏并网发电技术的推广应用,于1999年底正式下达了“研建5kW并网光伏发电试验系统”项目,计划2000年在北京选

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点安装一套5kW光伏并网示范电站。作为该项目技术核心的并网逆变器,我们准备在原研制的3kW并网逆变器样机基础上进行技术改进。

1)逆变器输出功率由3kW增至5kW,以适应今后市场推广的需要;

2)为提高逆变器的逆变效率,拟采用无工频变压器的双功率桥路软开关技术方案,同时有效地减小整机的体积和重量;

3)SPWM正弦脉宽调制波形产生电路采用新型可编程DSP高速信号处理器芯片,由于该芯片具有速度快、精度高、稳定性好、数据运算处理能力强等

优点,所以尤其适用于SPWM数字脉冲信号产生和

各种外围采集信号的处理;

4)并网逆变器进一步完善RS232串行数据通信能力,使远端调度控制室通过MODEM调制解调器和电话线可对现场光伏电站进行遥测、遥控、遥调、遥信等远传控制。

[参考文献]

[1]　AndreasHanel.Building2integratedphotovoltaic:reviewofthe

stateoftheart.RenewableEnergyWorld,3(4):88—101.[2]　EDonald,Osborn.Autilityhelpingcreatethesolarcentury.

RenewableEnergyWorld,3(5):53—67.

DEVELOPMENTOF3kWDISPATCHABLEGRIDCONNECTEDINVERTER

WangSicheng,YuShijie,WangDelin,SuJianhui,DongLuying,ShenYuliang

(BeijingJikeEnergyNewTechnologyCompany,ERIofSDPC,Beijing100083,China)

Abstract:3kWDispatchableGridConnectedInverterusing80C196sixteen2bitchipcomputertogetherwithD/Aconvert2erandMOSFETpowermodulestoachievethefunctionsofSPWM(sine2wavepulsewidthmodulation),currentsyn2chronoustracking,grid2connectedandstand2aloneoperationmodewasdeveloped.Thisinverterwasdesignedas“Dis2patchableGridConnectedMode”tomaketheinvertermorerealisticandcapableinpeakshaving.Utilitycouldcontroltheinverterremoteforconnectingthegridordisconnectingthegridaccordingtothelocalutilitypeak/lowsituation.WhenthegridlosesACpower,thegridconnectedinvertercanbeautomaticallychangedtostand2aloneoperationmodewhenneces2sary.Inaddition,thisinverterhasprotectionfunctions,suchasDCovercurrent,ACovercurrent,overheat,lowinputvolt2age,etc.tomakeitmorereliableinoperation.

Keywords:dispatchablemodel;gridconnectedinverter;synchronousphase2locking

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