50KW三相并網光伏逆變器設計

湖北東貝新能源有限公司 黃太祥

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50KW三相并網光伏逆變器設計

湖北東貝新能源有限公司 黃太祥

【摘要】本文介紹了50KW三相并網光伏逆變器的設計方案，分別從硬件電路設計和軟件設計進行介紹。硬件電路設計包括主電路設計和控制電路設計，主電路設計給出了組成主電路的主要元件的選型參數，控制電路介紹了各部分設計過程。軟件設計包括主程序和中斷程序兩部分及每部分的設計內容。

【關鍵詞】光伏；逆變器；并網；主電路

1　引言

太陽能光伏發電是利用天然太陽光資源，無污染，無噪音，無生產原料，用之不竭的新型可再生能源發電技術。光伏并網逆變器是太陽能光伏發電系統的核心設備，其主要作用是將太陽能電池板產生的直流電轉化成符合公共電網要求的交流電并送入電網。本文詳細介紹了5OKW三相并網光伏逆變器的設計過程，包括主電路設計及器件選型，控制電路設計，軟件設計等。

2　主電路設計

采用高效工頻隔離變壓器設計，安全性高，對逆變過程中產生的諧波，直流分量進行隔離，能夠滿足技術標準和規范對并網設備的要求。

主電路由直流斷路器，直流側防雷，直流濾波器，DC-Link電容，IGBT模塊，電抗器，工頻變壓器，交流濾波器，軟啟動器，交流側防雷，交流斷路器組成。

直流斷路器：選用額定電流160A、額定電壓DC500V 4P的斷路器，將其中2P串聯形成額定直流電壓達DC1000V的直流斷路器?？蓪﹄姵匕遢斎牍β蔬M行投入和斷開控制。

直流側防雷：選用額定電壓DC1000V，最大放電電流40KA的浪涌保護器。當雷電浸入到逆變器直流輸入線時，浪涌保護器迅速啟動，將雷擊電流泄放到大地，確保逆變器安全運行。

直流濾波器：選用直流工作電壓DC1100V，額定電流150A的直流濾波器，用于去除直流側共模、差模及高頻干擾信號。

DC-LINK電容：即直流母線支撐電容，是逆變器直流側電路重要組成部分。用以吸收將電池板輸出的直流功率轉換成電網所需的交流波動功率時所產生的高幅值脈動電流。選型時除了計算電容容量，電容耐壓外，還要考慮紋波電流。本設計選用4個420UF/ DC1100V金屬薄膜電容并聯。

IGBT模塊：選用3只英飛凌的300A/1200V的IGBT模塊，組成三相全橋逆變電路，將直流電逆變成符合公共電網要求的三相交流電。IGBT模塊工作頻率高，發熱大，需將其安裝在散熱器上，同時配有冷卻風機進行散熱。在IGBT的集電極和發射極之間并接有2UF/1200V的吸收電容，用以吸收該兩極間的瞬間過電壓。

電抗器：選用額定電流120A，電感量0.4mH，頻率50HZ的鋁電抗器，與3*47UF/450V的濾波電容組成低通濾波器，濾去高頻載波信號，向電網饋入高質量的50HZ正弦電流。

工頻變壓器：選用容量50KVA，頻率50HZ，初級額定電壓270V，次級額定電壓400V，連接方式Dyn11的鋁變壓器。工頻變壓器除了電氣隔離外，還可實現逆變輸出電壓與電網電壓匹配。

交流濾波器：選用的額定電壓AC380V，額定電流100A的交流濾波器，用以濾除逆變器工作時產生的高頻和共模差模干擾信號，保證逆變器不對電網其他設備產生不良影響。

軟啟動器：由主接觸器和輔助接觸器組成，避免逆變器與電網連接時對電網形成沖擊。

交流側防雷：選用額定電壓AC400V，最大放電電流40KA的浪涌保護器，用以對交流側的雷擊進行防護。

交流斷路器：選用額定電壓AC690V，額定電流100A的3P斷路器?？刂颇孀兤髋c公共電網的連接或斷開。

3　控制電路設計

逆變器控制電路由DSP主控制單元，IGBT驅動電路單元，模擬信號采樣單元，電網電壓同步信號采樣單元，開關量輸入單元，開關量輸出單元，觸摸LCD顯示單元，通信接口單元以及各單元供電電源電路組成。

DSP主控制單元：選用TI公司浮點型芯片TMS320F28335，該芯片精度高，運行速度快，外設接口齊全。DSP主控制單元是整個逆變器控制電路的核心單元，其功能是根據實時檢測到的各種信號和控制指令，經過相應計算和分析判斷，輸出對應的控制信號使逆變器正常并網工作。

觸摸顯示單元：采用7寸觸摸彩色LCD顯示屏，實時顯示逆變器各項運行數據，圖形直觀顯示當天發電功率變化，每日發電量等；顯示逆變器工作狀態及故障記錄；設置逆變器工作參數及控制逆變器工作狀態。

模擬信號采集單元：模擬信號采集單元有三相電網電壓、三相電網電流、三相逆變電壓、三相逆變電流、直流輸入電壓、直流輸入電流、裝有IGBT模塊的散熱器溫度等信號的采集。

電網電壓同步信號采樣單元：在控制逆變輸出電流與電網電壓同頻同相過程中，DSP需要采樣電網電壓信號的幅值、頻率和相位。該單元電路將電網電壓正弦波轉成同頻同相的方波，通過DSP的捕獲功能捕獲電網電壓上升沿，產生中斷，從而實現電網電壓同步信號的采樣。

IGBT驅動電路單元：IGBT模塊是一種復合全控型電力電子器件，是逆變器實現DC/AC逆變的關鍵元件。因此IGBT的驅動和保護電路的設計很重要，首先要求強電側與弱電側進行電氣隔離，其次驅動電流足夠大并有完善的保護措施。采用日本三菱的厚膜集成電路M57959L，該集成電路配有短路、過載保護功能。即當IGBT過載或短路時，M57959L自動對IGBT實現“軟關斷”，并向DSP發出報警信號。

開關量輸入/輸出單元：開關量輸入單元用于檢測驅動過流輸入、負載過載輸入、方陣絕緣阻抗檢測輸入、變壓器電抗器溫度開關輸入及緊急停機輸入等，開關量輸出單元用于控制逆變器與電網的連接與斷開以及冷卻風機的啟停等。

通訊接口單元：采用RS485通訊接口，MODBUS通訊協議，可對逆變器進行遠程監控。

4　軟件設計

軟件設計是整個逆變器設計的核心和重點工作，整個軟件分為主程序、中斷程序兩大部分。在主程序中，首先進行系統初始化，設置TMS320F28335的各功能模塊及其工作方式，并對各工作狀態進行初始設置，然后進入主循環。在主循環中，主要完成各運行參數的刷新顯示，判斷各運行參數是否正常，系統是否有故障。掃描觸摸顯示單元傳來的操作指令，如沒有操作指令，則進入循環等待狀態；若要求進行參數設置，則接受觸摸顯示單元傳過來的參量代碼及其數值，進行各項參數的修改并保存；若啟動了自動運行指令，則進入自動并網過程。在系統無故障情況下，首先判斷電網的各參量是否正常，再判斷電池板輸出的直流電壓是否到達啟動電壓，當這些并網條件具備后，便啟動軟啟動器與電網連接，根據電網的相位、頻率、幅值進行跟蹤并網，并網成功后，進行MPPT跟蹤，使發電效率達到最高。為了提高MPPT的動態跟蹤速度和穩態輸出的穩定性，本設計分兩步進行跟蹤，當電池板輸出電壓低于理論最大功率點對應的工作電壓時，采用CVT方法對最大功率點進行快速跟蹤，使電池板輸出電壓快速到達最大功率點電壓附近，然后采用擾動觀察法進行跟蹤，使穩態輸出功率穩定波動小。

中斷程序主要完成AD采樣；電網電壓同步信號捕獲；與上位機傳輸數據；故障保護，包括電網過欠壓、過欠頻、相位錯誤、直流電壓過壓、負載過載、孤島防護等；產生SPWM驅動信號。本設計采用雙環控制策略，內環為并網電流環，控制電流從直流到交流的逆變，并能達到高品質因數；外環為直流電壓環，控制直流側母線電壓穩定，而MPPT確定的電壓值為直流母線電壓給定值。

5　主要技術指標

輸入（直流）

最大直流功率：55KW

最大輸入電壓：850V

啟動電壓：500V

最大輸入電流：118A

MPPT跟蹤范圍：450～820V

MPPT跟蹤效率：＞99%

最大效率：96.5%

輸出（交流）

額定功率：50KW

最大輸出電流：76A

總諧波失真（額定功率時）：＜ 3%

功率因數（額定功率時）：＞ 99.9%

允許電網電壓范圍：310～450V

允許電網頻率范圍：48～50.5HZ

本設計的產品已實現批量生產，在多個分布式光伏電站中得到應用。

參考文獻

［1］張興，曹仁賢.太陽能光伏并網發電及其逆變控制［M］.北京：機械工業出版社，2010.9.

［2］王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術［M］.北京：化學工業出版社，2005.6.

作者簡介：

黃太祥（1968-），男，湖北黃石人，大學本科，工程師，研究方向：電子系統工程。