【導(dǎo)讀】風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、逆變系統(tǒng)等組成，是新型的環(huán)保能源系統(tǒng)。逆變器是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，直接關(guān)系到供電質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。本文提出一種新的IGBT逆變器控制方法，能夠較好的控制逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定，提供高質(zhì)量的供電。
進(jìn)入21世紀(jì)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)電的依賴越來(lái)越多，電力已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈蜕a(chǎn)中必不可少的動(dòng)力來(lái)源。而與此同時(shí)，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，不可再生能源卻正被耗盡，資源缺乏的壓力不斷增加。這樣，如何解決人們賴以生存的環(huán)境問(wèn)題，如何解決人們需求增加與資源不斷減少之間的矛盾，成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究與探討的重大問(wèn)題。利用綠色可再生資源是一條很好的出路，風(fēng)能、太陽(yáng)能就是取之不盡的天然綠色可再生資源。
風(fēng)-光-柴互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是一種將太陽(yáng)能和風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，并把柴油機(jī)作為后備裝置的發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)能與太陽(yáng)能在時(shí)間和地域上有著很強(qiáng)的互補(bǔ)性，可以彌補(bǔ)單一能源發(fā)電造成的不平衡的缺陷，使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)污染，無(wú)噪音，不產(chǎn)生廢棄物，并且可再生。而把柴油機(jī)作為后備輔助發(fā)電裝置，能使系統(tǒng)更加得穩(wěn)定、完善。逆變器是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，直接關(guān)系到供電質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。這樣，采用什么樣的方法能使逆變器發(fā)出穩(wěn)定的交流電給負(fù)載供電，是要解決的首要問(wèn)題。
本文從系統(tǒng)實(shí)際出發(fā)，以dsp為微處理器，提出一種新的逆變器控制方法，能較好的控制逆變系統(tǒng)直流端電壓的穩(wěn)定,提高系統(tǒng)供電質(zhì)量，發(fā)出穩(wěn)定的220v/50hz交流電，對(duì)沿海季風(fēng)型城市用戶和邊遠(yuǎn)山區(qū)用戶有很大幫助。
1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主要功能
圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
整套發(fā)電裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、光能發(fā)電系統(tǒng)、柴油機(jī)后備發(fā)電系統(tǒng)、逆變系統(tǒng)、控制系統(tǒng)五大部分。其中逆變系統(tǒng)又包括buck降壓電路和逆變器。
風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。首先利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成三相交流電，然后經(jīng)過(guò)整流器整成直流電，對(duì)逆變系統(tǒng)直流端充電。風(fēng)機(jī)可采用專門(mén)設(shè)計(jì)的變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)或調(diào)葉面風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可在3～10級(jí)風(fēng)時(shí)達(dá)到穩(wěn)定輸出，對(duì)風(fēng)速不穩(wěn)定產(chǎn)生的尖峰電壓電流可通過(guò)卸載電阻釋放。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)日發(fā)電量大，系統(tǒng)造價(jià)低，運(yùn)行維護(hù)成本低；缺點(diǎn)是可靠性較差。光電系統(tǒng)是利用光電池板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)存在太陽(yáng)能蓄電池中，再通過(guò)控制器對(duì)逆變系統(tǒng)直流端充電的一套系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是可靠性高，運(yùn)行維護(hù)成本低；缺點(diǎn)是系統(tǒng)造價(jià)高。柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)是在風(fēng)-光發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或是供電不足時(shí)的后備系統(tǒng)，目前技術(shù)已趨于完善。因此利用風(fēng)-光互補(bǔ)發(fā)電且以風(fēng)電為主，柴油機(jī)作為后備系統(tǒng)，是最佳的匹配方案。降壓環(huán)節(jié)采用簡(jiǎn)單穩(wěn)定的buck降壓電路，將風(fēng)能系統(tǒng)和光能系統(tǒng)的高壓電降為350v左右，送到逆變器直流端。逆變器設(shè)計(jì)為spwm觸發(fā)，單向igbt逆變器，采用目前成熟的大功率電力電子功率轉(zhuǎn)換器件igbt，確保逆變器系統(tǒng)正常工作。逆變器最終將輸出220v/50hz的交流電供負(fù)載使用。控制系統(tǒng)是整套設(shè)備的大腦，選用目前功能強(qiáng)大的dsp系列作為微處理器。控制單元及其外圍設(shè)備用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控和igbt的觸發(fā)。
2.逆變系統(tǒng)控制方式和工作原理
圖2：逆變系統(tǒng)控制方法圖
逆變系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。對(duì)于整套系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定逆變系統(tǒng)直流端電壓,提高系統(tǒng)供電質(zhì)量是系統(tǒng)控制的首要任務(wù)。這樣，采用什么樣的控制方法控制整套發(fā)電系統(tǒng)就至關(guān)重要。
2.1風(fēng)機(jī)充電控制
被控對(duì)象是三相橋式整流電路，如結(jié)構(gòu)框圖2所示。風(fēng)機(jī)選用變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)或調(diào)葉面風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械式結(jié)構(gòu)限制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可在3～10級(jí)風(fēng)時(shí)達(dá)到較穩(wěn)定輸出。系統(tǒng)再加入cvt(constant voltage tracking)式的mppt(max power point tracking)功率跟蹤器，即把mppt控制簡(jiǎn)化為穩(wěn)壓控制，即可把風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓輸出值限制在一定范圍內(nèi)，減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的沖擊，對(duì)提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)工作的可靠性起到很好的作用。
當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。電壓傳感器1時(shí)刻檢測(cè)三相風(fēng)力發(fā)電機(jī)線電壓u1的大小，把電壓數(shù)據(jù)值傳入dsp處理器。可設(shè)定三相線電壓u1的工作電壓范圍值，當(dāng)風(fēng)速突然增大導(dǎo)致電壓突然增加超出上限值u1max時(shí)，可通過(guò)接通卸載電阻進(jìn)行能量釋放，此時(shí)接通啟動(dòng)光能發(fā)電系統(tǒng)，待風(fēng)速穩(wěn)定后，電壓u1在工作電壓之間時(shí)再接通風(fēng)能發(fā)電裝置。當(dāng)風(fēng)速弱，u1達(dá)不到下限值u1max時(shí)，也啟動(dòng)光能發(fā)電系統(tǒng)。
2.2光伏充電控制
被控對(duì)象是太陽(yáng)能光伏電池充電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。有日照時(shí)，太陽(yáng)能電池板吸收光能，然后轉(zhuǎn)化為電能輸出直流電，儲(chǔ)存在太陽(yáng)能蓄電池之中，再通過(guò)電路中igbt的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器直流母線端的充電。在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的脈沖寬度，可以控制dc/dc變換器給太陽(yáng)能蓄電池充電的電流，保證蓄電池電壓的穩(wěn)定，以確保對(duì)逆變器直流端的恒壓供電。光伏電池的v-i輸出特性與日照及電池板溫度有關(guān)，為了提高太陽(yáng)電池的發(fā)電效率，在系統(tǒng)中加入一個(gè)太陽(yáng)能電池峰值功率跟蹤器，即基于cvt式的mppt跟蹤器，這也簡(jiǎn)化成了cvt式的mppt控制。
電壓傳感器2時(shí)刻檢測(cè)太陽(yáng)能蓄電池電壓u2的大小，把電壓數(shù)據(jù)值傳入dsp處理器。當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)線電壓u1不能滿足逆變器要求時(shí)，啟動(dòng)光伏電池對(duì)逆變器充電，通過(guò)光電系統(tǒng)電路中igbt的通斷控制，保證逆變系統(tǒng)直流端電壓u3的大小。一般設(shè)置蓄電池電壓u2的電壓范圍值比u3的略大，這樣可以減少igbt開(kāi)關(guān)次數(shù)。
2.3逆變系統(tǒng)控制
逆變系統(tǒng)是發(fā)電的核心裝置，直接決定發(fā)電質(zhì)量，也是最容易損壞和出現(xiàn)故障的部分，所以采用的傳感器和保護(hù)器件比較多。電壓傳感器3時(shí)刻檢測(cè)逆變系統(tǒng)直流母線端電壓u3的大小，如前面所述配合u1和u2的值來(lái)決定充電方式是風(fēng)能充電還是光能充電。由于u3的波動(dòng)性，加入buck降壓電路是為了穩(wěn)定逆變器直流端電壓。電壓傳感器4時(shí)刻檢測(cè)逆變器直流端電壓u4的大小，保證逆變的穩(wěn)定。當(dāng)逆變器輸出端電壓因負(fù)載加大而產(chǎn)生電壓降低時(shí)，可適當(dāng)增加輸出端電壓u4的值。
(1)降壓環(huán)節(jié)
圖3：降壓環(huán)節(jié)控制電路圖
降壓環(huán)節(jié)的主要任務(wù)就是將風(fēng)機(jī)整流后和光能轉(zhuǎn)換后的500v左右的高壓降為350v，并能對(duì)輸出進(jìn)行過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)。電路采用buck降壓方式，在開(kāi)關(guān)頻率、直流lc濾波參數(shù)和pwm電路合理設(shè)計(jì)下，電路能很好地滿足要求。如圖3所示，整個(gè)控制電路以sg3525為核心，為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，選擇光耦hcp13120作為igbt的驅(qū)動(dòng)模塊。它的最大輸出電流為2a，最大交換速度為500ns，能滿足器件的開(kāi)關(guān)頻率以及控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的隔離要求。系統(tǒng)故障保護(hù)功能則采用dsp對(duì)sg3535脈沖封鎖端的控制來(lái)協(xié)調(diào)完成。
sg3525是采用電壓模式控制的集成pwm控制器，其輸出脈沖頻率的選擇決定了輸出直流電壓的紋波和濾波器所需電感量的大小，是整個(gè)降壓環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它同時(shí)受器件極限開(kāi)關(guān)頻率的影響。綜合各方面考慮選擇f為40khz，則
f=1/ct(0.7rt+3rd)
式中ct=10nf,rt=3.6kω,rd=0，其中ct為sg3525的5引腳對(duì)地電容，rt為6腳對(duì)地電阻，rd為5腳和7腳之間串人的死區(qū)時(shí)間電阻。誤差放大器按設(shè)計(jì)要求接成比例積分方式對(duì)反饋電壓進(jìn)行無(wú)靜差調(diào)節(jié)，從系統(tǒng)降壓要求可以看出，輸出脈寬占空比應(yīng)在0.4-0.7之間，所以應(yīng)將sg3525設(shè)計(jì)為輸出脈沖占空比為0%-90%的形式。具體連接方法為11腳和14腳并聯(lián)接地，13腳設(shè)為脈沖輸出端。整個(gè)降壓環(huán)節(jié)的控制和驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，1腳反饋電壓是通過(guò)直流輸出電壓分壓獲得，脈沖封鎖端來(lái)自dsp的rd0引腳。為了保證igbt的可靠關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電路還設(shè)計(jì)了反向負(fù)偏置電路，整個(gè)降壓方案簡(jiǎn)單靈活，穩(wěn)定性較好。
(2)逆變環(huán)節(jié)
逆變環(huán)節(jié)的主要任務(wù)就是將降壓電路輸出的直流電壓通過(guò)逆變控制器和lc濾波輸出穩(wěn)定的220v/50hz的正弦波。整個(gè)逆變環(huán)節(jié)的控制電路如圖3所示。利用pic系列速度快，片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專用spwm控制器。采用單極性調(diào)制方式，常用的雙極性調(diào)制技術(shù)由于主逆變電路中同一橋臂的開(kāi)關(guān)器件處于互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài)，所以易發(fā)生直通現(xiàn)象，通常的做法是設(shè)置死區(qū)，而這會(huì)導(dǎo)致諧波成分增加，基波幅值減小，載波頻率的提高受到限制。同雙極調(diào)制技術(shù)相比，單極調(diào)制由于同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管一個(gè)是反復(fù)通斷的，另一個(gè)是始終截止的，處于非互補(bǔ)通斷狀態(tài)，只需在正弦波控制過(guò)零點(diǎn)設(shè)置死區(qū)時(shí)間，直通可能性降低，但它需要幾路相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，輔助電源的設(shè)計(jì)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，所以在提高輸出波形質(zhì)量的前提下采用單極性調(diào)制方式。
整個(gè)spwm控制器以pic16f873為中心，利用內(nèi)部ccp模塊的pwm工作模式直接從引腳rc1、rc2輸出2路spwm信號(hào)，通過(guò)非門(mén)邏輯電路74h000的變換，為驅(qū)動(dòng)電路提供了4路對(duì)應(yīng)的spwm脈沖。由于采用的是全數(shù)字的spwm信號(hào)，電路的抗干擾能力明顯優(yōu)于采用分立元件和集成運(yùn)放構(gòu)成的模擬電路，相對(duì)通常與8位或16位單片機(jī)配套使用的專用spwm信號(hào)發(fā)生器，它的性價(jià)比較高，而且通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部程序的設(shè)計(jì)，可以靈活地滿足系統(tǒng)的要求，對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率低于 40khz的電路是較好的選擇。
輸出電壓通過(guò)電壓互感器和pic內(nèi)部的高精度10位a/d進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，為了防止輸出電流過(guò)高而損害電源，設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路，如圖4所示，利用串在主電路中的0.5ω/5w的電阻檢測(cè)電流信號(hào)，這樣就在電阻上得到一個(gè)對(duì)地電壓值，通過(guò)由lm393設(shè)計(jì)的滯環(huán)電壓比較器封鎖輸出脈沖，既防止了高頻信號(hào)的干擾，又達(dá)到了可靠保護(hù)的目的。為了保證系統(tǒng)的可靠關(guān)斷，與逆變環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電路一樣，同理也設(shè)計(jì)了反向負(fù)偏置電路。
2.4其他裝置控制
柴油機(jī)后備發(fā)電系統(tǒng):當(dāng)風(fēng)電系統(tǒng)和光電系統(tǒng)同時(shí)不能滿足充電要求時(shí)，啟動(dòng)此裝置。例如，風(fēng)機(jī)發(fā)電電壓達(dá)不到指定電壓，存儲(chǔ)的太陽(yáng)能用盡時(shí)，可啟動(dòng)柴油機(jī)發(fā)電，一邊向負(fù)載端發(fā)電一邊向逆變器直流母線端充電，但此情況很少。
有源濾波穩(wěn)壓器:當(dāng)進(jìn)行風(fēng)-光-柴發(fā)電切換時(shí)，會(huì)有一定的沖擊電壓。電壓輸出端引入有源濾波穩(wěn)壓器可很好的抑制電壓諧波，提高電網(wǎng)電壓輸出質(zhì)量。
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第二講：基于IGBT的高能效電源設(shè)計(jì)
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如何根據(jù)IGBT的驅(qū)動(dòng)要求設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)？
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IGBT模塊的作用
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3.控制系統(tǒng)運(yùn)行策略
對(duì)微處理器的要求
從控制方法圖中可以看出整套電路多處用了電壓、電流傳感器，所以整個(gè)控制系統(tǒng)是基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的全自動(dòng)智能控制系統(tǒng)，需要每天時(shí)刻不間斷進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集。而且必要時(shí)的中斷處理和多處igbt的pwm觸發(fā)也對(duì)微處理器有著特殊要求。因此本系統(tǒng)采用運(yùn)算功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，片內(nèi)可產(chǎn)生pwm控制信號(hào)的dsp作為微處理器。
圖4：逆變環(huán)節(jié)控制電路圖
系統(tǒng)控制流程
圖5：系統(tǒng)控制策略流程圖
整套系統(tǒng)的控制流程圖如圖5所示。(注:啟動(dòng)單發(fā)電裝置時(shí)，同時(shí)關(guān)閉其他發(fā)電裝置。例如:啟動(dòng)光電系統(tǒng)時(shí)，先檢測(cè)風(fēng)電系統(tǒng)和柴油機(jī)后備系統(tǒng)是否關(guān)閉，再啟動(dòng)光電系統(tǒng)。)這種控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)、逆變器直流母線端，實(shí)時(shí)進(jìn)行雙峰值電壓檢測(cè)，最大限度的保證了逆變器供電電壓的穩(wěn)定，是一種新的控制方法。
4.系統(tǒng)仿真
此發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)家庭用戶和供電緊張城市用戶，一般輸出端電壓的取值為220v/50hz。利用matlab仿真軟件，對(duì)光電系統(tǒng)在電流閉環(huán)控制基礎(chǔ)上進(jìn)行cvt的mppt仿真，波形如圖6所示。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位:秒；縱坐標(biāo)為電流軸，單位:安。
圖6：mppt光伏電池充電波形
由充電波形圖可以看出:采用此cvt式的mppt控制方式后，光電裝置的充電電流波動(dòng)很小，這樣光電系統(tǒng)輸出電壓即可穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，也不會(huì)造成大的電流沖擊。
同理，采取相同控制方法的風(fēng)電系統(tǒng)也是如此。
整套發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，以風(fēng)電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)和逆變器直流母線端的雙峰值檢測(cè)法為控制策略，把風(fēng)電系統(tǒng)、光電系統(tǒng)、柴油機(jī)發(fā)電系統(tǒng)和逆變器有機(jī)的結(jié)合在了一起，實(shí)現(xiàn)了以風(fēng)能發(fā)電為主，光能發(fā)電為輔，柴油機(jī)發(fā)電作為后備的完善發(fā)電方法，具有過(guò)電流和過(guò)電壓的完善保護(hù)功能，能向家用負(fù)載提供不間斷供電，可解決邊遠(yuǎn)地區(qū)和供電緊張城市用戶用電困難的問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同用戶設(shè)計(jì)最佳使用參數(shù)。
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