50KW三相并网光伏逆变器设计

湖北东贝新能源有限公司 黄太祥



50KW三相并网光伏逆变器设计

湖北东贝新能源有限公司 黄太祥

【摘要】本文介绍了50KW三相并网光伏逆变器的设计方案，分别从硬件电路设计和软件设计进行介绍。硬件电路设计包括主电路设计和控制电路设计，主电路设计给出了组成主电路的主要元件的选型参数，控制电路介绍了各部分设计过程。软件设计包括主程序和中断程序两部分及每部分的设计内容。

【关键词】光伏；逆变器；并网；主电路

1　引言

太阳能光伏发电是利用天然太阳光资源，无污染，无噪音，无生产原料，用之不竭的新型可再生能源发电技术。光伏并网逆变器是太阳能光伏发电系统的核心设备，其主要作用是将太阳能电池板产生的直流电转化成符合公共电网要求的交流电并送入电网。本文详细介绍了5OKW三相并网光伏逆变器的设计过程，包括主电路设计及器件选型，控制电路设计，软件设计等。

2　主电路设计

采用高效工频隔离变压器设计，安全性高，对逆变过程中产生的谐波，直流分量进行隔离，能够满足技术标准和规范对并网设备的要求。

主电路由直流断路器，直流侧防雷，直流滤波器，DC-Link电容，IGBT模块，电抗器，工频变压器，交流滤波器，软启动器，交流侧防雷，交流断路器组成。

直流断路器：选用额定电流160A、额定电压DC500V 4P的断路器，将其中2P串联形成额定直流电压达DC1000V的直流断路器。可对电池板输入功率进行投入和断开控制。

直流侧防雷：选用额定电压DC1000V，最大放电电流40KA的浪涌保护器。当雷电浸入到逆变器直流输入线时，浪涌保护器迅速启动，将雷击电流泄放到大地，确保逆变器安全运行。

直流滤波器：选用直流工作电压DC1100V，额定电流150A的直流滤波器，用于去除直流侧共模、差模及高频干扰信号。

DC-LINK电容：即直流母线支撑电容，是逆变器直流侧电路重要组成部分。用以吸收将电池板输出的直流功率转换成电网所需的交流波动功率时所产生的高幅值脉动电流。选型时除了计算电容容量，电容耐压外，还要考虑纹波电流。本设计选用4个420UF/ DC1100V金属薄膜电容并联。

IGBT模块：选用3只英飞凌的300A/1200V的IGBT模块，组成三相全桥逆变电路，将直流电逆变成符合公共电网要求的三相交流电。IGBT模块工作频率高，发热大，需将其安装在散热器上，同时配有冷却风机进行散热。在IGBT的集电极和发射极之间并接有2UF/1200V的吸收电容，用以吸收该两极间的瞬间过电压。

电抗器：选用额定电流120A，电感量0.4mH，频率50HZ的铝电抗器，与3*47UF/450V的滤波电容组成低通滤波器，滤去高频载波信号，向电网馈入高质量的50HZ正弦电流。

工频变压器：选用容量50KVA，频率50HZ，初级额定电压270V，次级额定电压400V，连接方式Dyn11的铝变压器。工频变压器除了电气隔离外，还可实现逆变输出电压与电网电压匹配。

交流滤波器：选用的额定电压AC380V，额定电流100A的交流滤波器，用以滤除逆变器工作时产生的高频和共模差模干扰信号，保证逆变器不对电网其他设备产生不良影响。

软启动器：由主接触器和辅助接触器组成，避免逆变器与电网连接时对电网形成冲击。

交流侧防雷：选用额定电压AC400V，最大放电电流40KA的浪涌保护器，用以对交流侧的雷击进行防护。

交流断路器：选用额定电压AC690V，额定电流100A的3P断路器。控制逆变器与公共电网的连接或断开。

3　控制电路设计

逆变器控制电路由DSP主控制单元，IGBT驱动电路单元，模拟信号采样单元，电网电压同步信号采样单元，开关量输入单元，开关量输出单元，触摸LCD显示单元，通信接口单元以及各单元供电电源电路组成。

DSP主控制单元：选用TI公司浮点型芯片TMS320F28335，该芯片精度高，运行速度快，外设接口齐全。DSP主控制单元是整个逆变器控制电路的核心单元，其功能是根据实时检测到的各种信号和控制指令，经过相应计算和分析判断，输出对应的控制信号使逆变器正常并网工作。

触摸显示单元：采用7寸触摸彩色LCD显示屏，实时显示逆变器各项运行数据，图形直观显示当天发电功率变化，每日发电量等；显示逆变器工作状态及故障记录；设置逆变器工作参数及控制逆变器工作状态。

模拟信号采集单元：模拟信号采集单元有三相电网电压、三相电网电流、三相逆变电压、三相逆变电流、直流输入电压、直流输入电流、装有IGBT模块的散热器温度等信号的采集。

电网电压同步信号采样单元：在控制逆变输出电流与电网电压同频同相过程中，DSP需要采样电网电压信号的幅值、频率和相位。该单元电路将电网电压正弦波转成同频同相的方波，通过DSP的捕获功能捕获电网电压上升沿，产生中断，从而实现电网电压同步信号的采样。

IGBT驱动电路单元：IGBT模块是一种复合全控型电力电子器件，是逆变器实现DC/AC逆变的关键元件。因此IGBT的驱动和保护电路的设计很重要，首先要求强电侧与弱电侧进行电气隔离，其次驱动电流足够大并有完善的保护措施。采用日本三菱的厚膜集成电路M57959L，该集成电路配有短路、过载保护功能。即当IGBT过载或短路时，M57959L自动对IGBT实现“软关断”，并向DSP发出报警信号。

开关量输入/输出单元：开关量输入单元用于检测驱动过流输入、负载过载输入、方阵绝缘阻抗检测输入、变压器电抗器温度开关输入及紧急停机输入等，开关量输出单元用于控制逆变器与电网的连接与断开以及冷却风机的启停等。

通讯接口单元：采用RS485通讯接口，MODBUS通讯协议，可对逆变器进行远程监控。

4　软件设计

软件设计是整个逆变器设计的核心和重点工作，整个软件分为主程序、中断程序两大部分。在主程序中，首先进行系统初始化，设置TMS320F28335的各功能模块及其工作方式，并对各工作状态进行初始设置，然后进入主循环。在主循环中，主要完成各运行参数的刷新显示，判断各运行参数是否正常，系统是否有故障。扫描触摸显示单元传来的操作指令，如没有操作指令，则进入循环等待状态；若要求进行参数设置，则接受触摸显示单元传过来的参量代码及其数值，进行各项参数的修改并保存；若启动了自动运行指令，则进入自动并网过程。在系统无故障情况下，首先判断电网的各参量是否正常，再判断电池板输出的直流电压是否到达启动电压，当这些并网条件具备后，便启动软启动器与电网连接，根据电网的相位、频率、幅值进行跟踪并网，并网成功后，进行MPPT跟踪，使发电效率达到最高。为了提高MPPT的动态跟踪速度和稳态输出的稳定性，本设计分两步进行跟踪，当电池板输出电压低于理论最大功率点对应的工作电压时，采用CVT方法对最大功率点进行快速跟踪，使电池板输出电压快速到达最大功率点电压附近，然后采用扰动观察法进行跟踪，使稳态输出功率稳定波动小。

中断程序主要完成AD采样；电网电压同步信号捕获；与上位机传输数据；故障保护，包括电网过欠压、过欠频、相位错误、直流电压过压、负载过载、孤岛防护等；产生SPWM驱动信号。本设计采用双环控制策略，内环为并网电流环，控制电流从直流到交流的逆变，并能达到高品质因数；外环为直流电压环，控制直流侧母线电压稳定，而MPPT确定的电压值为直流母线电压给定值。

5　主要技术指标

输入（直流）

最大直流功率：55KW

最大输入电压：850V

启动电压：500V

最大输入电流：118A

MPPT跟踪范围：450～820V

MPPT跟踪效率：＞99%

最大效率：96.5%

输出（交流）

额定功率：50KW

最大输出电流：76A

总谐波失真（额定功率时）：＜ 3%

功率因数（额定功率时）：＞ 99.9%

允许电网电压范围：310～450V

允许电网频率范围：48～50.5HZ

本设计的产品已实现批量生产，在多个分布式光伏电站中得到应用。

参考文献

［1］张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制［M］.北京：机械工业出版社，2010.9.

［2］王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.6.

作者简介：

黄太祥（1968-），男，湖北黄石人，大学本科，工程师，研究方向：电子系统工程。