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

1.1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，環(huán)境問題與能源危機(jī)日益突出，可以說，環(huán)境問題和能源危機(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)。中國擁有豐富的新能源可供開發(fā)使用，但開發(fā)使用率普遍較低，但隨著社會經(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。

太陽能與風(fēng)能在時間上有很強(qiáng)的互補(bǔ)性(如右圖)，白天陽光最強(qiáng)時，風(fēng)很小，晚間沒有陽光卻有很強(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)目旨在使每個家庭都可以使用新能源，將太陽能與風(fēng)能這兩種時間上互補(bǔ)的能源結(jié)合起來，并通過技術(shù)手段平穩(wěn)轉(zhuǎn)化為50Hz交流電，使每個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)能與太陽能平穩(wěn)逆變成交流電，并自動選擇時機(jī)并網(wǎng)，使太陽能風(fēng)能供電與電網(wǎng)的接入，實(shí)現(xiàn)其監(jiān)測(雙向電量的計量);

實(shí)現(xiàn)電源變換時，負(fù)載啟動、停止時對電網(wǎng)諧波影響的監(jiān)測控制;

欠壓和過流保護(hù);

太陽能電池板最大功率點(diǎn)追蹤;

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

檢測電網(wǎng)動作，防止孤島效應(yīng)的發(fā)生;

檢測電網(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，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

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，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 控制方式就是對逆變電路開關(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)確計算出來。然后按照計算的結(jié)果控制電路中各開關(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)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個光滑曲線相交時，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)制信號是正弦波時，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)字控制平臺接受允許范圍內(nèi)的信號。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)計的要求，驅(qū)動電路是執(zhí)行環(huán)節(jié)。

3、MPPT的控制方法

圖2 中的電壓檢測模塊用來實(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，減小SPWM調(diào)制信號的幅度，當(dāng)Ud小于30V時增大SPWM調(diào)制信號的幅度，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)，使整個系統(tǒng)成為一個閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對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，鑒相器通過硬件電路將反饋信號uf和參考信號Uref的頻率和相位信息通過矩形脈沖的形式反映出來，然后送往控制器的捕捉單元模塊或中端口，對上升沿和下降沿，以及上升沿到上升沿的時間進(jìn)行計數(shù)，上升沿和下降沿的時間差就是uf和Uref的相位差，上升沿到上升沿的時間就是uf的頻率信息，然后通過軟件不斷的改變SPWM步長與累加器的數(shù)值，便可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，通過對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 硬件平臺選用及資源配置

本系統(tǒng)使用EVK1100開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)。

EVK1100是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機(jī)控制器的評估套件和開發(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)動器對H橋進(jìn)行驅(qū)動，該驅(qū)動芯片耐壓高達(dá)200V，輸出電流3.0A，輸出電壓10-20V，開通關(guān)斷典型時間分別為95ns和65ns。功率管選用高耐壓，導(dǎo)通電阻小，開關(guān)損耗小的高效MOS管IRFB23N15D。高效率的驅(qū)動電路和MOS管可以保證系統(tǒng)的整體效率。

如圖7 ，用兩個半橋驅(qū)動器IR2010組成一個全橋驅(qū)動電路。IR2010采用3.3V的邏輯電源和12V的低端驅(qū)動通道電源，直接將處理器產(chǎn)生的一對互補(bǔ)對稱的SPWM信號加到IR2010的邏輯信號輸入端，IR2010的驅(qū)動通道輸出端的SPWM信號是和輸入邏輯同相位的，因此可以實(shí)現(xiàn)對H橋的開關(guān)控制。IR2010的關(guān)斷控制端(SD)可以接收過流保護(hù)電路的關(guān)斷信號，來實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能。

圖7 全橋驅(qū)動電路

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

圖8 H橋開關(guān)電路

2、 過流檢測電路

如圖9 ，VOL管腳輸入來自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，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H橋輸出，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。1Q端同時接到AT32UC3A的GPIO上，通過軟件檢測過流信號，一旦過流可以通過CLR信號將1Q清零，實(shí)現(xiàn)過流的自動恢復(fù)。

圖9 過流檢測電路

3、 輸入電壓檢測電路

如圖10，輸入電壓Ud通過電阻分壓，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 輸入電壓檢測電路

4、反饋電壓檢測電路

如圖11，通過有效值測量芯片AD637，將反饋信號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)行計數(shù)，計數(shù)值反應(yīng)頻率信息，因此根據(jù)計數(shù)值改變SPWM步長，便可實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。相位信息可以通過兩路矩形波的時差得到，兩路矩形波作為邊沿觸發(fā)器的時鐘信號，從而將矩形波的時差通過觸發(fā)器的輸出phase_out的高電平的脈沖寬度反映出來，phase_out接到AT32UC3A上的IO上，控制器根據(jù)該脈寬信號對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)計采取模塊化設(shè)計方法，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。