【导读】风光互补系统主要由风力发电机、太阳能电池板、风光互补控制器、逆变系统等组成，是新型的环保能源系统。逆变器是风光互补发电系统的关键设备，直接关系到供电质量和系统运行的可靠性。本文提出一种新的IGBT逆变器控制方法，能够较好的控制逆变器系统的稳定，提供高质量的供电。
进入21世纪，随着全球经济的发展和科学技术的进步，人们对电的依赖越来越多，电力已经成为人们日常生活和生产中必不可少的动力来源。而与此同时，环境污染日益严重，不可再生能源却正被耗尽，资源缺乏的压力不断增加。这样，如何解决人们赖以生存的环境问题，如何解决人们需求增加与资源不断减少之间的矛盾，成为当今国内外学者开始研究与探讨的重大问题。利用绿色可再生资源是一条很好的出路，风能、太阳能就是取之不尽的天然绿色可再生资源。
风-光-柴互补发电系统是一种将太阳能和风能转化为电能，并把柴油机作为后备装置的发电系统。风能与太阳能在时间和地域上有着很强的互补性，可以弥补单一能源发电造成的不平衡的缺陷，使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性，其优点是无污染，无噪音，不产生废弃物，并且可再生。而把柴油机作为后备辅助发电装置，能使系统更加得稳定、完善。逆变器是风光互补发电系统的关键设备，直接关系到供电质量和系统运行的可靠性。这样，采用什么样的方法能使逆变器发出稳定的交流电给负载供电，是要解决的首要问题。
本文从系统实际出发，以dsp为微处理器，提出一种新的逆变器控制方法，能较好的控制逆变系统直流端电压的稳定,提高系统供电质量，发出稳定的220v/50hz交流电，对沿海季风型城市用户和边远山区用户有很大帮助。
1.系统结构和主要功能
图1：系统结构框图
整套发电装置的系统结构框图如图1所示，包括风能发电系统、光能发电系统、柴油机后备发电系统、逆变系统、控制系统五大部分。其中逆变系统又包括buck降压电路和逆变器。
风能发电系统是将风能转化为电能的装置。首先利用风力发电机组，将风能转换成三相交流电，然后经过整流器整成直流电，对逆变系统直流端充电。风机可采用专门设计的变桨距风力发电机或调叶面风力发电机，可在3～10级风时达到稳定输出，对风速不稳定产生的尖峰电压电流可通过卸载电阻释放。该系统的优点是系统日发电量大，系统造价低，运行维护成本低；缺点是可靠性较差。光电系统是利用光电池板，将太阳能转换成电能，储存在太阳能蓄电池中，再通过控制器对逆变系统直流端充电的一套系统。该系统的特点是可靠性高，运行维护成本低；缺点是系统造价高。柴油机发电系统是在风-光发电系统出现故障或是供电不足时的后备系统，目前技术已趋于完善。因此利用风-光互补发电且以风电为主，柴油机作为后备系统，是最佳的匹配方案。降压环节采用简单稳定的buck降压电路，将风能系统和光能系统的高压电降为350v左右，送到逆变器直流端。逆变器设计为spwm触发，单向igbt逆变器，采用目前成熟的大功率电力电子功率转换器件igbt，确保逆变器系统正常工作。逆变器最终将输出220v/50hz的交流电供负载使用。控制系统是整套设备的大脑，选用目前功能强大的dsp系列作为微处理器。控制单元及其外围设备用来实现对系统的数据采集、实时监控和igbt的触发。
2.逆变系统控制方式和工作原理
图2：逆变系统控制方法图
逆变系统的控制结构图如图2所示。对于整套系统来说，稳定逆变系统直流端电压,提高系统供电质量是系统控制的首要任务。这样，采用什么样的控制方法控制整套发电系统就至关重要。
2.1风机充电控制
被控对象是三相桥式整流电路，如结构框图2所示。风机选用变桨距风力发电机或调叶面风力发电机，这种风力发电机通过风电机组的机械式结构限制风机的转速，可在3～10级风时达到较稳定输出。系统再加入cvt(constant voltage tracking)式的mppt(max power point tracking)功率跟踪器，即把mppt控制简化为稳压控制，即可把风力发电机的电压输出值限制在一定范围内，减少风力发电机输出的冲击，对提高风力发电机系统工作的可靠性起到很好的作用。
当风速达到启动风速时，风电系统进入发电状态。电压传感器1时刻检测三相风力发电机线电压u1的大小，把电压数据值传入dsp处理器。可设定三相线电压u1的工作电压范围值，当风速突然增大导致电压突然增加超出上限值u1max时，可通过接通卸载电阻进行能量释放，此时接通启动光能发电系统，待风速稳定后，电压u1在工作电压之间时再接通风能发电装置。当风速弱，u1达不到下限值u1max时，也启动光能发电系统。
2.2光伏充电控制
被控对象是太阳能光伏电池充电系统，结构框图如图2所示。有日照时，太阳能电池板吸收光能，然后转化为电能输出直流电，储存在太阳能蓄电池之中，再通过电路中igbt的通断，实现对逆变器直流母线端的充电。在光电转换过程中，通过改变开关管的脉冲宽度，可以控制dc/dc变换器给太阳能蓄电池充电的电流，保证蓄电池电压的稳定，以确保对逆变器直流端的恒压供电。光伏电池的v-i输出特性与日照及电池板温度有关，为了提高太阳电池的发电效率，在系统中加入一个太阳能电池峰值功率跟踪器，即基于cvt式的mppt跟踪器，这也简化成了cvt式的mppt控制。
电压传感器2时刻检测太阳能蓄电池电压u2的大小，把电压数据值传入dsp处理器。当风电系统线电压u1不能满足逆变器要求时，启动光伏电池对逆变器充电，通过光电系统电路中igbt的通断控制，保证逆变系统直流端电压u3的大小。一般设置蓄电池电压u2的电压范围值比u3的略大，这样可以减少igbt开关次数。
2.3逆变系统控制
逆变系统是发电的核心装置，直接决定发电质量，也是最容易损坏和出现故障的部分，所以采用的传感器和保护器件比较多。电压传感器3时刻检测逆变系统直流母线端电压u3的大小，如前面所述配合u1和u2的值来决定充电方式是风能充电还是光能充电。由于u3的波动性，加入buck降压电路是为了稳定逆变器直流端电压。电压传感器4时刻检测逆变器直流端电压u4的大小，保证逆变的稳定。当逆变器输出端电压因负载加大而产生电压降低时，可适当增加输出端电压u4的值。
(1)降压环节
图3：降压环节控制电路图
降压环节的主要任务就是将风机整流后和光能转换后的500v左右的高压降为350v，并能对输出进行过压和过流保护。电路采用buck降压方式，在开关频率、直流lc滤波参数和pwm电路合理设计下，电路能很好地满足要求。如图3所示，整个控制电路以sg3525为核心，为了保证系统的可靠运行，选择光耦hcp13120作为igbt的驱动模块。它的最大输出电流为2a，最大交换速度为500ns，能满足器件的开关频率以及控制电路与驱动电路的隔离要求。系统故障保护功能则采用dsp对sg3535脉冲封锁端的控制来协调完成。
sg3525是采用电压模式控制的集成pwm控制器，其输出脉冲频率的选择决定了输出直流电压的纹波和滤波器所需电感量的大小，是整个降压环节设计的关键，它同时受器件极限开关频率的影响。综合各方面考虑选择f为40khz，则
f=1/ct(0.7rt+3rd)
式中ct=10nf,rt=3.6kω,rd=0，其中ct为sg3525的5引脚对地电容，rt为6脚对地电阻，rd为5脚和7脚之间串人的死区时间电阻。误差放大器按设计要求接成比例积分方式对反馈电压进行无静差调节，从系统降压要求可以看出，输出脉宽占空比应在0.4-0.7之间，所以应将sg3525设计为输出脉冲占空比为0%-90%的形式。具体连接方法为11脚和14脚并联接地，13脚设为脉冲输出端。整个降压环节的控制和驱动电路如图3所示，1脚反馈电压是通过直流输出电压分压获得，脉冲封锁端来自dsp的rd0引脚。为了保证igbt的可靠关断，驱动电路还设计了反向负偏置电路，整个降压方案简单灵活，稳定性较好。
(2)逆变环节
逆变环节的主要任务就是将降压电路输出的直流电压通过逆变控制器和lc滤波输出稳定的220v/50hz的正弦波。整个逆变环节的控制电路如图3所示。利用pic系列速度快，片内资源丰富的特点设计了专用spwm控制器。采用单极性调制方式，常用的双极性调制技术由于主逆变电路中同一桥臂的开关器件处于互补导通状态，所以易发生直通现象，通常的做法是设置死区，而这会导致谐波成分增加，基波幅值减小，载波频率的提高受到限制。同双极调制技术相比，单极调制由于同一桥臂的两个开关管一个是反复通断的，另一个是始终截止的，处于非互补通断状态，只需在正弦波控制过零点设置死区时间，直通可能性降低，但它需要几路相互独立的驱动电源。根据系统特点，辅助电源的设计可以很好地解决这个问题，所以在提高输出波形质量的前提下采用单极性调制方式。
整个spwm控制器以pic16f873为中心，利用内部ccp模块的pwm工作模式直接从引脚rc1、rc2输出2路spwm信号，通过非门逻辑电路74h000的变换，为驱动电路提供了4路对应的spwm脉冲。由于采用的是全数字的spwm信号，电路的抗干扰能力明显优于采用分立元件和集成运放构成的模拟电路，相对通常与8位或16位单片机配套使用的专用spwm信号发生器，它的性价比较高，而且通过单片机内部程序的设计，可以灵活地满足系统的要求，对于开关频率低于 40khz的电路是较好的选择。
输出电压通过电压互感器和pic内部的高精度10位a/d进行测量。同时，为了防止输出电流过高而损害电源，设计了过流保护电路，如图4所示，利用串在主电路中的0.5ω/5w的电阻检测电流信号，这样就在电阻上得到一个对地电压值，通过由lm393设计的滞环电压比较器封锁输出脉冲，既防止了高频信号的干扰，又达到了可靠保护的目的。为了保证系统的可靠关断，与逆变环节的驱动电路一样，同理也设计了反向负偏置电路。
2.4其他装置控制
柴油机后备发电系统:当风电系统和光电系统同时不能满足充电要求时，启动此装置。例如，风机发电电压达不到指定电压，存储的太阳能用尽时，可启动柴油机发电，一边向负载端发电一边向逆变器直流母线端充电，但此情况很少。
有源滤波稳压器:当进行风-光-柴发电切换时，会有一定的冲击电压。电压输出端引入有源滤波稳压器可很好的抑制电压谐波，提高电网电压输出质量。
相关阅读：
第二讲：基于IGBT的高能效电源设计
http://www.cntronics.com/gptech-art/80020858
如何根据IGBT的驱动要求设计过流保护？
http://www.cntronics.com/cp-art/80020301
IGBT模块的作用
http://www.cntronics.com/cp-art/80016216
3.控制系统运行策略
对微处理器的要求
从控制方法图中可以看出整套电路多处用了电压、电流传感器，所以整个控制系统是基于实时数据采集的全自动智能控制系统，需要每天时刻不间断进行 数据采集。而且必要时的中断处理和多处igbt的pwm触发也对微处理器有着特殊要求。因此本系统采用运算功能强大，运算速度快，片内可产生pwm控制信号的dsp作为微处理器。
图4：逆变环节控制电路图
系统控制流程
图5：系统控制策略流程图
整套系统的控制流程图如图5所示。(注:启动单发电装置时，同时关闭其他发电装置。例如:启动光电系统时，先检测风电系统和柴油机后备系统是否关闭，再启动光电系统。)这种控制方法的最大优点就是对风电系统、光电系统、逆变器直流母线端，实时进行双峰值电压检测，最大限度的保证了逆变器供电电压的稳定，是一种新的控制方法。
4.系统仿真
此发电装置的设计主要是针对偏远山区家庭用户和供电紧张城市用户，一般输出端电压的取值为220v/50hz。利用matlab仿真软件，对光电系统在电流闭环控制基础上进行cvt的mppt仿真，波形如图6所示。横坐标为时间轴，单位:秒；纵坐标为电流轴，单位:安。
图6：mppt光伏电池充电波形
由充电波形图可以看出:采用此cvt式的mppt控制方式后，光电装置的充电电流波动很小，这样光电系统输出电压即可稳定在一定范围内，也不会造成大的电流冲击。
同理，采取相同控制方法的风电系统也是如此。
整套发电系统运用计算机控制技术，以风电系统、光电系统和逆变器直流母线端的双峰值检测法为控制策略，把风电系统、光电系统、柴油机发电系统和逆变器有机的结合在了一起，实现了以风能发电为主，光能发电为辅，柴油机发电作为后备的完善发电方法，具有过电流和过电压的完善保护功能，能向家用负载提供不间断供电，可解决边远地区和供电紧张城市用户用电困难的问题。在实际应用中，可根据不同用户设计最佳使用参数。
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