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光伏电机IGBT模块的应用和精简型风电变流器的设计与分析

发布日期:2017-06-08  浏览次数:590
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   风电变流器的设计:

  能源是人类社会存在与发展的物质基础。过去200多年,建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。然而,人们在物质生活和精神生活不断提高的同时,也越来越感悟到大规模使用化石燃料所带来的严重后果,资源日益枯竭,环境不断恶化。能源与环境问题已成为全球可持续发展所面临的主要问题。因此,人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。风力发电以其无污染和可再生性,日益受到世界各国的重视,风能成为保持增长最快的能源。风能资源是清洁的可再生能源,风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。世界上很多国家,已经充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性,对风电的开发给予了高度的重视。

  风电变流器是将风力发电机输出的电压幅值、频率变化的电能转换为恒压、恒频的交流电能的装置,是风力发电系统中的一个重要部件。因此,研制适用于风电转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的风力发电变流系统,是风力发电技术的研究重点,具有重要的意义。风电变流器可以分为两部分:转子侧模块和网侧模块。文中着重研究了网侧风电变流器的控制系统,以达到2个控制目标:1)保证其良好的输入特性,即输入电流的波形接近正弦,谐波含量少,功率因数接近1,这就为整个系统的功率因数的控制提供了一个途径;2)保证直流母线电压的稳定,直流母线电压的稳定是风电变流器正常工作的前提。

  1 控制系统硬件设计

  图1所示是网侧变流器控制板电路结构图,包括DSP控制板(DSP芯片是TI公司的TMS320LF2407A,负责A/D采样、运算控制等功能),信号采集电路,信号放大调节电路(对霍尔传感器采集的电压、电流信号进行放大、偏移处理),IGBT驱动、保护电路(使用光耦隔离将DSP控制板和强电部分隔离起来,降低干扰,并实现IGBT模块的保护功能)。下面介绍这几部分的电路实现。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1 网侧变流器控制板电路结构图

  1.1 控制芯片的选择

  文中采用的是面向数字控制、运动控制的TMS320C2000系列的TMS320LF2407A,它们兼DSP的高运算速度和单片机的强控制能力。TMS320 LF2407A芯片集成了16通道10位500 ns的高性能A/D转换器;CAN2.0模块等模块。TMS320LF2407A具有2个事件管理器模块EVA和EVB事件管理器包括:2个16位通用定时器,8个16位PWM(脉宽调制)通道,可以实现三相反相器控制、PWM的中心或边缘校正,当外部引脚DPINTX出现低电平时快速关闭PWM通道,防止击穿故障的可编程的PWM死区控制,对外部事件进行定时捕捉的3个捕获单元,片内光电编码器接口电路,如此功能强大使得TMS320LF2407A大大简化了外部硬件电路的设计。

  1.2 信号采样电路设计

  根据图1,可以看到系统设计中需要采集模拟信号包括了网侧电流、网侧电压、直流母线电压。本设计选用了霍尔元件作为电压、电流传感器。选用的霍尔电流传感器型号为CHB-50A,其工作原理为霍尔磁补偿,额定电流为50 A,匝数比为1:1 000,工作电压为±5 V,具体电路如图2所示。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图2 电压、电流采样电路

  1.3 信号调节电路设计

  电压、电流采样电路输出的电流信号首先经过一个功率电阻转换为相应的电压信号,电压信号经RC滤波后与一直流电压给定信号相加后经比例放大,送入DSP的A/D口。与直流电压给定信号叠加的目的是使输入的交流信号经过直流偏置后在0~3.3 V之间变化,满足DSP的A/D口对输入信号的要求。滤波以及比例放大是为了减小干扰。如图3所示为电流、电压信号的调节电路。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图3 电压、电流调节电流

  1.4 电源转换电路设计

  图4所示为电源转换电路。本控制板的输入电压为仅为±15 V,由于控制系统中的部分芯片需要5 V电源,而且LF2407A芯片的供电电压只能是3.3 V,因而需要将±15 V电源变换为5 V和3.3 V,作为DSP和外设的电源。因此,使用LM2576S元件作为±15 V/5 V的转换芯片,使用TPS7333QP元件作为5 V/3.3 V的转换芯片。LM2576S输入可为7~40 V,输出为5 V,输出最大电流为3 A.TPS7333QP输入可为3.77~10 V,输出为3.3 V,输出最大电流为500 mA.

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图4 电源转换电路

  1.5 IGBT驱动电路设计

  IGBT驱动电路设计,由DSP输出的6路3.3 V的PWM信号首先经电平转换为5 V的PWM信号。之后输出的信号作为IGBT驱动模块EXB841的输入。IGBT驱动电路设计要求:1)动态驱动能力强,能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲。否则IGBT会在开通及断过程中产生较大的开关损耗。2)能向IGBT提供适当的正向和反向栅压。一般取+15 V左右的正向栅压比较恰当,取-5 V反向栅压让IGBT能可靠截止。3)具有栅压限幅电路,保护栅极不被击穿。IGBT栅极极限电压一般为±20 V,驱动信号超出此范围可能破坏栅极。4)当IGBT处于负载短路或过流状态时,能在IGBT允许时间内通过逐渐降低栅压自动抑制故障电流,实现IGBT的软关断。驱动电路的软关断过程不应随输入信号的消失而受到影响。

  驱动电路中D6起保护作用,避免EXB841的6脚承受过电压,通过D7检测是否过电流,接D8的目的是为了改变EXB模块过流保护起控点,以降低过高的保护阈值从而解决过流保护阈值太高的问题。R19,C10和D11接在+20 V电源上保证稳定的电压。D9和D10避免栅极和射极出现过电压,R21是防止IGBT误导通。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图5 IGBT驱动电路

  2 控制系统软件的设计

  根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图6 程序流程图

  3 结束语

  本文详细介绍了基于DSP的网侧风电变流器控制板的硬件和软件结构。经过多次试验测试表明,该控制板具有很好的稳定度,并且很好的达到了控制目标,由该控制板控制的变流器能够很好的满足双馈风力发电系统的要求。

  光伏IGBT电机设计:

  1.1家用太阳能发电系统的要求

  现以家用太阳能发电系统来说明逆变器及其控制电路的工作原理。对于家用太阳能发电系统的逆变器来说,应满足下述技术要求:

  (1) 输出功率为l—lOkW;

  (2) 效率为90%-95%;

  (3) 直流侧电源电压的变化范围在100~350V时,仍能输出稳定的交流电压;

  (4) 交流输出电压为220V;

  (5) 输出频率为50Hz土0.5Hz;

  (6) 输出波形失真度小于10%。

  满足上述技术要求的拓扑族包括推挽式、半桥式、全桥式等,电路结构包括有工频变压器(低频环节)、有高频变压器(高频环节)和无变压器等多种形式。

  1.2 太阳能发电系统的结构

  太阳能发电系统的结构如图l-l所示。从图中可以看出,系统包括太阳能电池阵列和直流控制器、能量变换(逆变电路)、控制电路、保护电路等部分。本节将对能量变换(逆变电路)和控制电路作重点介绍。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-1 太阳能发电系统的结构

  图1-2为太阳能发电系统的低频环节全桥式逆变器电路。在该电路中,太阳能电池阵列的直流输出电压经工频PWM逆变器转变为交流电压,再经过低频滤波器得到 50Hz的交流输出电压并并人电网。由于季节和天气的变化,太阳能电池阵列接受到的光照强度会有很大的变化。这就要求逆变器能在直流侧电源电压有较大范围的变化时,仍能提供稳定的交流输出。为此,会对控制电路提出较高的技术要求,如采用多种工作模式,即晴天时,系统工作在SPWM逆变模式,太阳能转变成电能后,直接给负载供电或并人电网;在多云天气时,系统工作在后备模式,由蓄电池为负载供电;在深夜、不需要为负载供电时,系统工作在整流模式,由电网为蓄电池充电。另外,工频变压器的重量和体积很大,影响了低频环节逆变器在太阳能发电系统中的推广使用。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-2 太阳能发电系统的低频环节全桥式逆变器电路

  图1-3为太阳能发电系统的高频环节全桥式逆变器电路。图1-3(a)的屯路结构为太阳能电池阵列一高频PWM逆变一高频变压器一一整流滤波一工频PWM逆变一滤波一并入电网或负载。其中高频PWM逆变部分为推挽式逆变器,工频PWM逆变部分为全桥式逆变器。而图1-3 (b)的电路结构为太阳能电池阵列一高频PWM逆变一高频变压器一整流滤波一极性反转逆变桥一并入电网或负载。其中高频PWM逆变部分为全桥式逆变器,极性反转逆变桥也可视为全桥式逆变器。两种电路相比较,图l-3(b)的电路比图1-3 (a)的电路少用了一个低频滤波环节,其工作原理完全相同。该电路采用了高频变压器隔离方式,体积小、重量轻。但有高频逆变和极性反转逆变桥两个逆变电路,所以相对于图1-3 (a),电路比较复杂。与图1-2所示电路一样,系统也可以采取多模式工作方式。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-3 太阳能发电系统的高频环节全桥式逆变器电路

  图1-4为太阳能发电系统的无变压器全桥式逆变器电路。该电路的主要特点是:

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-4 太阳能发电系统的无变压器全桥式逆变器电路

  由于没有变压器,效率高,且体积小、重量轻、成本较低;

  (1) 由于采用了升压和高频SPWM控制方式,可以允许太阳能电池阵列的输出直流电压有较宽的变化范围,其系统的交流输出电压保持稳定;

  (2) 要采取措施解决输入和输出之间的隔离问题。

  解决输入和输出之间的隔离问题,应采取如下措施:

  (1)太阳能电池阵列的正极和负极不能直接接地。系统的接地点应在交流输出的单相三线制中性点。另外,由于太阳能电池阵列的正、负极均没接地,其必然对地存在等效对地电容,该电容的充放电对电路的正常工作造成影响。当其低频部分达到漏电流的保护阂值时,漏电的正常工作。等效对地电容充放电电流的低频部分的影响可通过控制逆变器变换方式来消除;高频部分的影响可由滤波的办法来解决。

  (2)应增设接地保护电路。在系统运行过程中,应通过零序互感器来检测太阳能电池阵列的正、负极的接地电流。正常情况下,正、负极的接地电流应基本平衡,若不平衡电流值超过接地保护电路的阈值,说明太阳能电池阵列的正极或负极有可能接地,此时,接地保护电路动作,切断逆变器的输出,系统停止工作。

  1.3 太阳能发电系统的控制方案

  在1.2节中介绍了三种类型的太阳能发电系统的逆变器电路,它们的控制方案是不同的。由于低频环节逆变器近来已少见应用,这里仅对后两种逆变器电路的控制方案予以简单介绍。太阳能发电系统的逆变器的控制方案(一)如图1-5所示。该控制方案适用于高频环节逆变器电路。控制方案(二)如图1-6所示,该方案适用于无变压器全桥式逆变器电路。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-5 太阳能发电系统的逆变器控制方案(一)

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-6 太阳能发电系统的逆变器控制方案(二)

  1. 高频环节逆变器电路的控制方案

  在图1-5所示的控制方案中,基准正弦波发生器是与市电电网电压同步的,它提供基准电流信号ir,经绝对值电路得到与逆变器输出电流(电感电流)iL同极性的参考电流 jrd,ird与iL的反馈电流 iLf,在电流误差放大器中进行比较放大,得到误差电流 ie,ie与三角形载波ic比较,得到SPWM控制信号,通过驱动电路分别驱动Vl、V4和V2、V3[见图1-3( b)]。为避免同一桥臂上的两只开关管同时导通,两组SPWM控制信号之间应存在死区时间。调节SPWM控制信号的占空比,可以调节逆变器的输出电流iL,使其达到稳定。基准电流信号ir,通过两个过零比较器得到两组驱动信号,分别驱动SCR1、SCR4和SCR2、SCR3,得到工频输出,并并入电网。同样,两组驱动信号之间应存在死区时间。

  2.无变压器逆变器 电路的控制方案

  在图1-6所示的控制方案中,通过面板设置太阳能发电系统的发电量,即逆变器电路的输出功率,直流最佳工作点追踪单元根据发电量计算并提供电流指令ir,ir与电感电流iL的反馈值iLf在电流误差 放大器中进行比较放大,得到误差电流信号ie,ie与三角形载波电流信号交截,得到SPWM控制信号,通过驱动器分别驱动Vl、V4和Vz、V3(见图1-4)。两组SPWM控制信号之间应存在死区时间。调节SPWM控制信号的占空比,可以调节逆变器的输出电流iL,使其达到稳定。

  由于天气的原因,太阳能光伏阵列的直流输出电压不是恒定的,为了使逆变器直流侧的电源电压保持稳定,在图1-4的电路中,增加了升压部分。在图1-6中,太阳能光伏阵列的输出电压UGF,与逆变器直流侧电源电压的反馈值U DCF,在电压误差放大器中进行比较放大,得到的误差信号控制PWM的输出信号占空比,以期升压电路的输出达到逆变器所需要的直流侧电源电压值。

  1.4 光伏并网技术

  1.并网型光伏发电系统的结构

  太阳能发电又称为光伏发电。上面介绍的家用光伏发电系统若作为一个独立系统,则不需要与电网并网运行的。在没有公共电力网的偏远地区,提倡建立独立运行的光伏发电系统。在独立运行的光伏发电系统中,采用蓄电池作为储能单元,在日照较强时将剩余的电能储存在蓄电池中。在日照不足或夜晚时,再将蓄电池中的电能通过逆变器变换为50Hz的交流电,供给照明和家用电器使用。图1-7为独立运行的光伏发电系统的结构图。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-7 独立运行的光伏发电系统的结构图

  若将光伏发电系统与电网并岡,构成并网型光伏发电系统,其结构图如图1-8所示。与独立运行的光伏发电系统的不同之处,并网型光伏发电系统不需要蓄电池作为储能单元,而是以电网作为储能单元。并网光伏发电系统的逆变主电路参见图1-2~图1-4。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-8 并网型光伏发电系统的结构图

  2. 光伏发电系统的最大功率点

  光伏发电系统的输出功率是由太阳能电池的输出功率决定的。图1-9是太阳能电池的输出特性。在输出功率P的曲线上,输出功率达到最大值Pmax的工作点称为最大功率点,Pmax=UPmax; IPmax。UPmax和lPmax分别称为最大功率点电压和最大功率点电流。在实际运行中,通过稳定最大功率点电压UPmax来使太阳能电池的输出功率达到最大功率点Pmax.在图1-2和图1-3所示的电路中,最大功率点电压UPmax就是PWM逆变器的输入电压。

  需要说明的是,图1-9所示的太阳能电池的输出特性是对应于某一特定光照强和温度下得到的。即在不同的光照强度和温度下得到的太阳能电池的输出性是不同的,所以在一天内最大功率点是漂移的,即最大功率点电压UPmax(PWM逆变器的输入电压)是漂移的,可以采用图1-6所示的控制方案,利用升压电路来实现U Pmax的稳定,以取得最大功率点Pmax的稳定。从图1-9的功率曲线上可以看出,在最大功率点Pmax处,对电压或电流的微分为零,根据这一特性,可以判断PWM逆变器的输入电压是否等于UPmax。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-9 太阳能电池的输出特性

  3.基于DSP的并网型光伏发电系统的控制

  图1-10为基于DSP的并网型光伏发电系统的控制框图。从图中可以看出,该控制系统由 电压电流检测单元、DC/DC变换器控制单元和DC/AC逆变器控制单元组成。该控制系统以DSP为核心芯片,它的作用是除了根据 DC/DC变换器的输出电压lJd和系统输出电流iL、电压US,为DC/AC逆变器提供PWM信号外,还要根据太阳能电池阵列输出的功率(Ui·Ii),经过计算为PWM控制芯片提供最大功率点指令电压U*Pmax,实现对太阳能电池阵列最大功率点的跟踪。PWM控制芯片可以是前面介绍的任一种FWM集成控制器(视DC/DC变换器所用开关器件的类型而定)。功率开关管采用mosFET时,PWM集成控制器采用SG3525A、SG3526 等芯片。若功率开关管采用IGBT时,PWM集成控制 器采用TDA4918、UC3825A 等芯片。具体选择哪种芯片请联系南京微叶科技咨询。DC/DC变换器根据需要,在小功率场合可以是采用单相半桥式电路,在中大功率场合可以采用全桥式电路,当然也可以采用三相电路。图1-11给出了单相半桥式DC/DC变换器电路。C/AC逆变器通常采用全桥式逆变器,如图1-12所示。IGBT的驱动集成电路的选用请联系南京微叶科技咨询。DSP通常采用TI 公司的TMS320系列产品,如TMS320F240、TMS320LF2407、TMS320F2812、TMS320LF2407A 等DSP芯片。

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-10 基于DSP的并网型光伏发电系统的控制框图

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-11 单相半桥式DC/DC变换器电路

  

根据整个装置所要完成的不同功能,将控制系统软件划分为主程序和中断服务程序。主程序中包括DSP初始化和定时器设置,如图6(a)所示;中断程序包括A/D采样,过流过压判断,对采样数据处理和计算,产生PWM波形等,如图6(b)所示。编程时采用顺序结构,使调用子程序方便。

 

  图1-12 DC/AC逆变器通常采用 全桥式逆变器

  DSP对DC/AC逆变器控制的结构框图如图1-13所示。设定的直流侧指令电压U*d与DC/DC变换器的输出电压Ud比较后,得到误差电压△Ud,经PI调节器输出电流幅值指令I*L,再与正弦表值sinwt在乘法器中相乘得到输出电流指令ZL,Il与输出电流 iL比较,其误差电流厶吐经比例调节,与电网电压(系统输出电压)US相加得到参考电压Ur,U,与三角形载波Uc送入 PWM发生器,得到四路PWM输出,经驱动电路驱动图1-12中的IGBT功率开关管V1~V4。


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