数字信号控制器在太阳能逆变器中的应用

2010-08-11 18:02:34来源: 电源世界 关键字:数字信号控制器  太阳能光伏  风力发电系统  逆变电源  控制器

1、数字信号控制器(DSC)是数字控制系统的核心  

    数字信号控制器(DSC)平台是能将微控制器(MCU)的控制外设和—流的DSP(数字信号处理)技术的处理能力与经济性相结合,其特点是简便易用。如今TI、Microchip等公司提供了DSP的高性能及微控制器集成与易用性,优异的处理能力、中断处理功能、控制特定外设集成能力与经济性的独特组合为控制系统提供了实质性的益处。通过这些优势,诸如改善的系统效率及增加的创新性能,能够采用更少的外部组件,更低的成本,为空间受限的应用推出极小化封装产品。  

    如今把握当前国内外受关注的绿色环保概念,开发与生产太阳能光伏组件及太阳能光伏系统,并不断开发适合国际、国内市场需求的系列应用产品,是符合“让太阳发电,地球更清洁,造福人类”的宗旨。而作为数字信号控制器(DSC)在其开发应用上可谓是恰到好处并且是多方面的,如绿色能源、数字电源、照明、家用电器、工业控制、车载产品、医疗及计量等。基于数字控制器的技术在工业应用中的优势,本文将对DSC技术在太阳能逆变器中的应用作分析说明。既然是在太阳能逆变器中应用,为此应对与太阳能有关的理念先作介绍。  

2、与太阳能有关理念  

    太阳能光伏组件及太阳能光伏系统,其产品生产从单晶硅棒、硅片、电池片到组件,并在系统工程的设计与集成获得了迅速发展并在新能源发电、电力、通信、消防、航空和车船等领域获得广泛应用。  

2.1太阳能光伏技术  

    太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源,通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术,光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的,因此又称太阳能光伏技术。光伏电池的基本特征为:当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收,光子的能量传递给硅原子,使电子发生跃迁成为自由电子,在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是:光子能量转换成电能的过程。图1(a)为光伏电池框图。  


图1 (a)光伏电池框图;(b)并网发电系统组成框图;(c)独立发电系统组成框图  

2.2光伏发电系统的构成与类型  

    一套基本的太阳能光伏发电系统是由太阳能电池板、控制器、逆变器和蓄电池构成。光伏发电系统有两大类:并网发电和独立发电。并网发电系统为太阳能电池方阵发出的电能经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上,或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电,图1(b)为并网发电系统组成框图;独立发电系统为太阳能电池方阵发出的电能经蓄电池充电并经过逆变器将直流转换成交流电,图1(c )为独立发电系统组成框图。  

    应该说太阳能光伏系统可在太阳能风力发电控制器、逆变电源、并网逆变电源等多种绿色能源得到广泛应用。值此重点对DSC技术在太阳能逆变器中应用作分析。  

3、太阳能逆变器系统应用方案  

3.1问题的提出  

    全球范围内能量的未来获取方式是一个新兴的焦点问题。矿物燃料的多个替代解决方案已经展开研究,并将在全球各地区进入了工业化的生产过程。光伏并网发电是将太阳能电池阵列所发出的直流电转变为交流电馈送电网,是太阳能发电走向可持续发展的必由之路。  

    太阳能是最广泛的替代能源之一,其重点放在光伏(PV)系统的交付上,这包括用于电力公用事业、商用建筑以及个人住宅的高性能太阳能逆变器。逆变器是整个太阳能系统的关键部件,可将PV电池的可变DC电压输出转换成清洁的50Hz或60 Hz正弦电流,适用于商用电网或本地电网供电。  

    作为光伏并网发电系统(如组合型),整个系统由控制系统和功率主电路两部分组成。功率主电路使用大功率智能功率模块IPM,控制系统以DSP为核心,检测直流侧及网侧的电量信号,通过最大功率寻优,电压、电流调节,以及空间矢量PWM波形发生控制,向功率驱动回路发出控制指令,将太阳能直流转换单元输出的直流电变换成交流电,并回馈至电网。  

    太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分,其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电,并送人电网。为此有必要对逆变电源技术特征作说明。  

3.2何谓逆变电源  

    逆变电源是将直流电转变为交流电的装置,是太阳能、风力发电系统的核心部件。根据产品设计情况分为:太阳能、风力发电专用正弦波逆变电源;经济型太阳能、风力发电控制逆变一体机;太阳能并网逆变电源与风力发电并网逆变电源等四类。而其太阳能、风力发电专用正弦波逆变电源是太阳能、风力发电系统的核心部件,该电源针对新能源发电系统的特点来设计制造,主要应用于太阳能电站,风力发电站,风、光、油、蓄互补发电系统和户用太阳能供电系统。其工作原理可由框图2表示。 


  
图2 逆变电源基本工作框图  

    其性能特点为:DSP芯片控制,智能功率模块组装,纯正弦波输出,输出稳压、稳频,具有过压、欠压、过载、短路、输入极性接反等各种保护功能,而逆变效率≥85%,具有交流旁路功能,输入输出优异的EMI/EMC指标,可配备RS232/485接口,具有高可靠性、高效率。  

3.3太阳能并网逆变电源  

    太阳能并网逆变电源基本设计方案可用框图3(a)表示。  


图3 (a) 太阳能并网逆变电源基本设计方案框图; (b) 以TMS320C2000 DSP为控制系统的太阳能并网逆变电源设计方案示意框图  

    该设计方案的性能特点为:DSC芯片控制,智能功率模块组装;MPPT(住宅用运行在最大功率点附近,即MPPT工作方式)控制,适时追踪太阳能电池板的最大输出功率;纯正弦波输出,自动同步并网,电流谐波含量小,对电网无污染、无冲击;具有扰动检出技术,实现运行控制;采用LCD、LED显示功能,其保护和报警功能齐全;RS232/485通讯,实现远程数据采集和监视;具有并网/独立运行功能。  

    技术指标:功率(例如1kW-50kW):输入直流电压(200V-400V),输出谐波失真率≤5%,过载能力150%、10秒,逆变效率>92%,使用环境温度-25℃" +55℃。  

3.2 DSC为控制系统的太阳能并网逆变电源设计方案  

    由于DSP芯片是DSC 核心部件,所以太阳能并网逆变电源设计方案是基于DSP技术的设计方案。值此以TMS320C2000TM DSP为典型应用作分析。因为以TMS320C2000TM DSP的平台能够最佳地响应太阳能逆变器多条实施线路的实时挑战。故以TMS320C2000TM DSP为典型应用作分析。该TMS320028xTM,内核32位CPU以150MHz的最高频率运行,能够高效地执行在最大功率点下操作面板所需的高精度算法,可确保最高的电源转换效率,甚至在最苛刻与不断变化的条件下也是如此。DC/AC转换器主桥的驱动由TMS320C 2000器件高度灵活的PWM模块执行并与片上高速12位ADC配合使用,调节所需的电流与电压,从而获得最常见的正弦波形。图3(b)为用TMS320C2000 DSP为控制系统的太阳能并网逆变电源设计方案示意框图。太阳能并网逆变电源设计方案由控制系统和功率主电路两部分组成。  

    C2000片上高速12位ADC可对电池电压、电池温度、环境温度与计量计数器模拟量迸行A/D转换。DC/DC变换环节调整光伏阵列的工作点,使其跟踪最大功率点。所以在太阳能电池板后接Boost升压斩波器,将电压升到400V,这样设计有利于提高系统的效率,也便于后级全桥逆变器并网控制。而DC/AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位,同时获得单位功率因数。  

    对于控制系统,当控制电路上电后,首先检测电网参数和光伏电池的电压, 当网压正常时,全桥逆变器工作在PWM整流器状态,中间电压为400V左右。逆变器工作过程中,由控制芯片DSP检测中间电压、并网电流,如果中间电压过高或者并网电流超过最大电流时,由控制芯片封锁全桥逆变器和Boost升压斩波器的开关管控制脉冲,同时断开继电器。延时一段后再尝试重新启动,若故障仍然存在,则断开逆变器,DSP能快速响应命令。  

    太阳能电池输出的最大功率随着光照强度和温度的变化而变化,系统的最大功率跟踪由前级Boost升压斩波器控制。为实现与电网电压同频同相的并网电流,其由后级全桥逆变器控制。他们的控制都是由DSP芯片TMS320C2000 协调完成逆变器的设计。  

    除上述DSC为控制系统的太阳能并网逆变电源以外,本文还将对太阳能风力发电系统应用、太阳能及风力发电的控制器及风机并网逆变电源等技术与应用作简介。  

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关键字:数字信号控制器  太阳能光伏  风力发电系统  逆变电源  控制器

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