風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1.1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題與能源危機(jī)日益突出，可以說(shuō)，環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今世界人類所面臨的最大威脅之一。因此新能源的探求與利用已經(jīng)成為世界的研究熱點(diǎn)。中國(guó)擁有豐富的新能源可供開(kāi)發(fā)使用，但開(kāi)發(fā)使用率普遍較低，但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，新能源也在穩(wěn)步想商品化能源的方向轉(zhuǎn)變。

1.2 項(xiàng)目背景

太陽(yáng)能與風(fēng)能是目前應(yīng)用比較廣泛的兩種可再生能源，他們有著自身的優(yōu)點(diǎn)：取之不盡用之不竭，就地可取無(wú)需運(yùn)輸，分布廣泛可靠性高，綠色能源利于生態(tài)。但也有一些弊端：1.能量密度低;2.能量穩(wěn)定性差。正因如此，一個(gè)平穩(wěn)清潔的電能轉(zhuǎn)化并網(wǎng)系統(tǒng)顯得尤為重要。

太陽(yáng)能與風(fēng)能在時(shí)間上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性(如右圖)，白天陽(yáng)光最強(qiáng)時(shí)，風(fēng)很小，晚間沒(méi)有陽(yáng)光卻有很強(qiáng)的風(fēng)，利用這兩種可再生資源的互補(bǔ)性，會(huì)使發(fā)電系統(tǒng)在資源上具有最佳的匹配性。風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在緩解電網(wǎng)壓力、電力調(diào)峰、節(jié)能減排等方面都能夠起到重要的作用。

本項(xiàng)目旨在使每個(gè)家庭都可以使用新能源，將太陽(yáng)能與風(fēng)能這兩種時(shí)間上互補(bǔ)的能源結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)技術(shù)手段平穩(wěn)轉(zhuǎn)化為50Hz交流電，使每個(gè)家庭用既是電能消費(fèi)者，又是電能制造者。本項(xiàng)目具有綠色環(huán)保，減輕電力系統(tǒng)負(fù)擔(dān)等優(yōu)點(diǎn)。

二、需求分析

2.1 功能要求

風(fēng)能與太陽(yáng)能平穩(wěn)逆變成交流電，并自動(dòng)選擇時(shí)機(jī)并網(wǎng)，使太陽(yáng)能風(fēng)能供電與電網(wǎng)的接入，實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)(雙向電量的計(jì)量);

實(shí)現(xiàn)電源變換時(shí)，負(fù)載啟動(dòng)、停止時(shí)對(duì)電網(wǎng)諧波影響的監(jiān)測(cè)控制;

欠壓和過(guò)流保護(hù);

太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)追蹤;

采集各個(gè)部分的電壓電流數(shù)值，計(jì)算效率，諧波大小和產(chǎn)生的功率，顯示并發(fā)回上位機(jī);

檢測(cè)電網(wǎng)動(dòng)作，防止孤島效應(yīng)的發(fā)生;

檢測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量，記錄用電記錄;

考慮與上位機(jī)通訊，給用戶提供用電指導(dǎo)，如當(dāng)前電價(jià)，用戶用電量等。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 性能要求

1.諧波總失真系數(shù)THD<4%;

2.系統(tǒng)效率>85%;

三、方案設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

1、利用SPWM 調(diào)制原理

SPWM 調(diào)制原理見(jiàn)圖 2-2，可以看出，等效的脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高，SPWM 波形便越接近正弦波。逆變器的輸出電壓為 SPWM 波形時(shí)，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能很容易濾去，從而可得到畸變率極低的正弦波輸出電壓。

SPWM 控制方式就是對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或者其他波形。

調(diào)制原理從理論上講，在給出了正弦半波頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，脈沖波形的寬度和間隔便可以準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)。然后按照計(jì)算的結(jié)果控制電路中各開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的波形。但在實(shí)際應(yīng)用中，人們常采用正弦波與等腰三角波相交的辦法來(lái)確定各矩形脈沖的寬度。等腰三角波上下寬度與高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑曲線相交時(shí)，即得到一組等幅而脈沖寬度正比該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這種方法

稱為調(diào)制方法。希望輸出的信號(hào)為調(diào)制波，把接受調(diào)制的三角波稱為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)是正弦波時(shí)，所得到的便是 SPWM 波形。

2、DC-AC整體結(jié)構(gòu)和工作原理

數(shù)字控制逆變器的系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖3-1所示，包括逆全橋逆變電路、低通濾波器、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字控制部分、采樣調(diào)理電路等五部分。保護(hù)功能是由數(shù)字控制部分采樣并執(zhí)行。

逆變橋式電路主要實(shí)現(xiàn)電能的變換，把直流電壓變換為高頻矩形脈沖形式的交流電壓，低通濾波器把脈沖電壓變?yōu)楣饣墓ゎl交流電。采樣調(diào)理電路用來(lái)采樣輸出的狀態(tài)變量，并把變量調(diào)節(jié)為數(shù)字控制平臺(tái)接受允許范圍內(nèi)的信號(hào)。數(shù)字控制部分是主要的運(yùn)算處理環(huán)節(jié)，運(yùn)用合適的算法和措施，使輸出滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，驅(qū)動(dòng)電路是執(zhí)行環(huán)節(jié)。

3、MPPT的控制方法

圖2 中的電壓檢測(cè)模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能，由控制器的AD采樣輸入電壓Ud，與最大功率點(diǎn)(假設(shè)為30V)進(jìn)行比較，采用PI算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)Ud大于30V時(shí)，減小SPWM調(diào)制信號(hào)的幅度，當(dāng)Ud小于30V時(shí)增大SPWM調(diào)制信號(hào)的幅度，從而使實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤功能。

圖2 PI控制器的原理框圖

PI控制器的原理框圖如2 所示。PI控制算法采用增量式PI控制算法，它的目標(biāo)輸入量是輸入電壓Ud的幅值為30V時(shí)的AD輸入，實(shí)際輸入量是輸入的電壓Ud的AD輸入，它們之間的相減得到偏差信號(hào)e(t)，然后用PI算式得到控制量的偏差，最后將控制量轉(zhuǎn)換為SPWM的控制數(shù)據(jù)，使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SPWM的控制。

4、同頻同相的控制方法

圖3 頻率相位信息圖

鑒相器模塊可實(shí)現(xiàn)同頻同相的控制。同頻同相的控制方法如圖3 所示，鑒相器通過(guò)硬件電路將反饋信號(hào)uf和參考信號(hào)Uref的頻率和相位信息通過(guò)矩形脈沖的形式反映出來(lái)，然后送往控制器的捕捉單元模塊或中端口，對(duì)上升沿和下降沿，以及上升沿到上升沿的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，上升沿和下降沿的時(shí)間差就是uf和Uref的相位差，上升沿到上升沿的時(shí)間就是uf的頻率信息，然后通過(guò)軟件不斷的改變SPWM步長(zhǎng)與累加器的數(shù)值，便可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，通過(guò)對(duì)SPWM輸出起始地址不斷進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)相位跟蹤。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

本系統(tǒng)使用EVK1100開(kāi)發(fā)板進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

EVK1100是一個(gè)基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評(píng)估套件和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。它配備一系列豐富的外設(shè)、內(nèi)存，并且可充分開(kāi)發(fā)AVR32設(shè)備的全部潛能。

支持AT32UC3A

以太網(wǎng)端口

傳感器：光照、溫度、電位器

4x20藍(lán)色LCD(PWM變頻背光)

JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。

1、DC-AC逆變電路

DC-AC逆變電路完成將SPWM信號(hào)功率放大的功能，并且要求很高的放大效率。本系統(tǒng)選用IR2010浮柵驅(qū)動(dòng)器對(duì)H橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)芯片耐壓高達(dá)200V，輸出電流3.0A，輸出電壓10-20V，開(kāi)通關(guān)斷典型時(shí)間分別為95ns和65ns。功率管選用高耐壓，導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)損耗小的高效MOS管IRFB23N15D。高效率的驅(qū)動(dòng)電路和MOS管可以保證系統(tǒng)的整體效率。

如圖7 ，用兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)器IR2010組成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路。IR2010采用3.3V的邏輯電源和12V的低端驅(qū)動(dòng)通道電源，直接將處理器產(chǎn)生的一對(duì)互補(bǔ)對(duì)稱的SPWM信號(hào)加到IR2010的邏輯信號(hào)輸入端，IR2010的驅(qū)動(dòng)通道輸出端的SPWM信號(hào)是和輸入邏輯同相位的，因此可以實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋的開(kāi)關(guān)控制。IR2010的關(guān)斷控制端(SD)可以接收過(guò)流保護(hù)電路的關(guān)斷信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。

圖7 全橋驅(qū)動(dòng)電路

H橋功率變換電路如圖8 所示，它由4個(gè)MOS功率管(IRFB23N15D)Q1~Q4構(gòu)成，每個(gè)MOS管構(gòu)成H橋的一個(gè)橋臂，OUT1、OUT2可以外接負(fù)載。由控制器產(chǎn)生的互補(bǔ)對(duì)稱的SPWM信號(hào)經(jīng)過(guò)全橋驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋的開(kāi)關(guān)控制：當(dāng)Q2、Q3同時(shí)導(dǎo)通，Q1、Q4同時(shí)截止時(shí)，輸出電流方向由OUT1到OUT2;當(dāng)Q1、Q4同時(shí)導(dǎo)通，Q2、Q3同時(shí)截止時(shí)，輸出電流方向由OUT2到OUT1，從而實(shí)現(xiàn)了DC-AC逆變。

圖8 H橋開(kāi)關(guān)電路

2、 過(guò)流檢測(cè)電路

如圖9 ，VOL管腳輸入來(lái)自H橋低端取樣電阻上的電壓，由電阻R16、R18、R20、R21決定預(yù)置的門限電壓，當(dāng)采樣電壓高于門限時(shí)，比較器LM2903輸出上升沿，將觸發(fā)器74HC74的1D端高電平鎖存到1Q端，而1Q端連接至IR2010的SD端，從而關(guān)閉整個(gè)H橋輸出，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。1Q端同時(shí)接到AT32UC3A的GPIO上，通過(guò)軟件檢測(cè)過(guò)流信號(hào)，一旦過(guò)流可以通過(guò)CLR信號(hào)將1Q清零，實(shí)現(xiàn)過(guò)流的自動(dòng)恢復(fù)。

圖9 過(guò)流檢測(cè)電路

3、 輸入電壓檢測(cè)電路

如圖10，輸入電壓Ud通過(guò)電阻分壓，調(diào)理至合理的輸出范圍，以電壓跟隨器的形式接入運(yùn)放，從而減小輸出阻抗，輸出信號(hào)Ud-OUT可以直接接到AT32UC3A上的ADC輸入引腳上。

圖10 輸入電壓檢測(cè)電路

4、反饋電壓檢測(cè)電路

如圖11，通過(guò)有效值測(cè)量芯片AD637，將反饋信號(hào)Uf的有效值整理成直流分量送入AT32UC3A的AD輸入，從而可以在軟件中進(jìn)行相應(yīng)的幅度調(diào)整。

圖11 反饋電壓檢測(cè)電路

5、鑒相電路

鑒相電路如圖12所示，將反饋電壓Uf和正弦參考電壓Uref整形通過(guò)穩(wěn)壓二極管和運(yùn)放整形為矩形波，AT32UC3A根據(jù)矩形波電平進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值反應(yīng)頻率信息，因此根據(jù)計(jì)數(shù)值改變SPWM步長(zhǎng)，便可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。相位信息可以通過(guò)兩路矩形波的時(shí)差得到，兩路矩形波作為邊沿觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，從而將矩形波的時(shí)差通過(guò)觸發(fā)器的輸出phase_out的高電平的脈沖寬度反映出來(lái)，phase_out接到AT32UC3A上的IO上，控制器根據(jù)該脈寬信號(hào)對(duì)SPWM輸出起始地址進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)相位跟蹤。

圖12 鑒相電路

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)方法，將完成特定功能的子程序組合成功能模塊，由主監(jiān)控程序統(tǒng)一調(diào)用。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。系統(tǒng)軟件包含的主要功能模塊有：初始化模塊，中斷模塊，按鍵模塊和LCD模塊。

圖13 軟件總體框圖

3.4 系統(tǒng)軟件流程

圖14 程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

實(shí)物樣機(jī)：基于EVK1100的風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括逆變器，能量采集部分，用戶界面部分。