進(jìn)入21世紀，隨著(zhù)全球經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對電的依賴(lài)越來(lái)越多，電力已經(jīng)成為人們日常生活和生產(chǎn)中必不可少的動(dòng)力來(lái)源。而與此同時(shí)，環(huán)境污染日益嚴重，不可再生能源卻正被耗盡，資源缺乏的壓力不斷增加。這樣，如何解決人們賴(lài)以生存的環(huán)境問(wèn)題，如何解決人們需求增加與資源不斷減少之間的矛盾，成為當今國內外學(xué)者開(kāi)始研究與探討的重大問(wèn)題。利用綠色可再生資源是一條很好的出路，風(fēng)能、太陽(yáng)能就是取之不盡的天然綠色可再生資源。

風(fēng)-光-柴互補發(fā)電系統是一種將太陽(yáng)能和風(fēng)能轉化為電能，并把柴油機作為后備裝置的發(fā)電系統。風(fēng)能與太陽(yáng)能在時(shí)間和地域上有著(zhù)很強的互補性，可以彌補單一能源發(fā)電造成的不平衡的缺陷，使風(fēng)光互補發(fā)電系統在資源上具有最佳的匹配性，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)污染，無(wú)噪音，不產(chǎn)生廢棄物，并且可再生。而把柴油機作為后備輔助發(fā)電裝置，能使系統更加得穩定、完善。逆變器是風(fēng)光互補發(fā)電系統的關(guān)鍵設備，直接關(guān)系到供電質(zhì)量和系統運行的可靠性。這樣，采用什么樣的方法能使逆變器發(fā)出穩定的交流電給負載供電，是要解決的首要問(wèn)題。

本文從系統實(shí)際出發(fā)，以dsp為微處理器，提出一種新的逆變器控制方法，能較好的控制逆變系統直流端電壓的穩定,提高系統供電質(zhì)量，發(fā)出穩定的220v/50hz交流電，對沿海季風(fēng)型城市用戶(hù)和邊遠山區用戶(hù)有很大幫助。

1.系統結構和主要功能


整套發(fā)電裝置的系統結構框圖如圖1所示，包括風(fēng)能發(fā)電系統、光能發(fā)電系統、柴油機后備發(fā)電系統、逆變系統、控制系統五大部分。其中逆變系統又包括buck降壓電路和逆變器。

風(fēng)能發(fā)電系統是將風(fēng)能轉化為電能的裝置。首先利用風(fēng)力發(fā)電機組，將風(fēng)能轉換成三相交流電，然后經(jīng)過(guò)整流器整成直流電，對逆變系統直流端充電。風(fēng)機可采用專(zhuān)門(mén)設計的變槳距風(fēng)力發(fā)電機或調葉面風(fēng)力發(fā)電機，可在3～10級風(fēng)時(shí)達到穩定輸出，對風(fēng)速不穩定產(chǎn)生的尖峰電壓電流可通過(guò)卸載電阻釋放。該系統的優(yōu)點(diǎn)是系統日發(fā)電量大，系統造價(jià)低，運行維護成本低；缺點(diǎn)是可靠性較差。光電系統是利用光電池板，將太陽(yáng)能轉換成電能，儲存在太陽(yáng)能蓄電池中，再通過(guò)控制器對逆變系統直流端充電的一套系統。該系統的特點(diǎn)是可靠性高，運行維護成本低；缺點(diǎn)是系統造價(jià)高。柴油機發(fā)電系統是在風(fēng)-光發(fā)電系統出現故障或是供電不足時(shí)的后備系統，目前技術(shù)已趨于完善。因此利用風(fēng)-光互補發(fā)電且以風(fēng)電為主，柴油機作為后備系統，是最佳的匹配方案。降壓環(huán)節采用簡(jiǎn)單穩定的buck降壓電路，將風(fēng)能系統和光能系統的高壓電降為350v左右，送到逆變器直流端。逆變器設計為spwm觸發(fā)，單向igbt逆變器，采用目前成熟的大功率電力電子功率轉換器件igbt，確保逆變器系統正常工作。逆變器最終將輸出220v/50hz的交流電供負載使用?？刂葡到y是整套設備的大腦，選用目前功能強大的dsp系列作為微處理器?？刂茊卧捌渫鈬O備用來(lái)實(shí)現對系統的數據采集、實(shí)時(shí)監控和igbt的觸發(fā)。

2.逆變系統控制方式和工作原理


逆變系統的控制結構圖如圖2所示。對于整套系統來(lái)說(shuō)，穩定逆變系統直流端電壓,提高系統供電質(zhì)量是系統控制的首要任務(wù)。這樣，采用什么樣的控制方法控制整套發(fā)電系統就至關(guān)重要。

2.1風(fēng)機充電控制

被控對象是三相橋式整流電路，如結構框圖2所示。風(fēng)機選用變槳距風(fēng)力發(fā)電機或調葉面風(fēng)力發(fā)電機，這種風(fēng)力發(fā)電機通過(guò)風(fēng)電機組的機械式結構限制風(fēng)機的轉速，可在3～10級風(fēng)時(shí)達到較穩定輸出。系統再加入cvt(constant voltage tracking)式的mppt(max power point tracking)功率跟蹤器，即把mppt控制簡(jiǎn)化為穩壓控制，即可把風(fēng)力發(fā)電機的電壓輸出值限制在一定范圍內，減少風(fēng)力發(fā)電機輸出的沖擊，對提高風(fēng)力發(fā)電機系統工作的可靠性起到很好的作用。

當風(fēng)速達到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電系統進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。電壓傳感器1時(shí)刻檢測三相風(fēng)力發(fā)電機線(xiàn)電壓u1的大小，把電壓數據值傳入dsp處理器?？稍O定三相線(xiàn)電壓u1的工作電壓范圍值，當風(fēng)速突然增大導致電壓突然增加超出上限值u1max時(shí)，可通過(guò)接通卸載電阻進(jìn)行能量釋放，此時(shí)接通啟動(dòng)光能發(fā)電系統，待風(fēng)速穩定后，電壓u1在工作電壓之間時(shí)再接通風(fēng)能發(fā)電裝置。當風(fēng)速弱，u1達不到下限值u1max時(shí)，也啟動(dòng)光能發(fā)電系統。

2.2光伏充電控制

被控對象是太陽(yáng)能光伏電池充電系統，結構框圖如圖2所示。有日照時(shí)，太陽(yáng)能電池板吸收光能，然后轉化為電能輸出直流電，儲存在太陽(yáng)能蓄電池之中，再通過(guò)電路中igbt的通斷，實(shí)現對逆變器直流母線(xiàn)端的充電。在光電轉換過(guò)程中，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的脈沖寬度，可以控制dc/dc變換器給太陽(yáng)能蓄電池充電的電流，保證蓄電池電壓的穩定，以確保對逆變器直流端的恒壓供電。光伏電池的v-i輸出特性與日照及電池板溫度有關(guān)，為了提高太陽(yáng)電池的發(fā)電效率，在系統中加入一個(gè)太陽(yáng)能電池峰值功率跟蹤器，即基于cvt式的mppt跟蹤器，這也簡(jiǎn)化成了cvt式的mppt控制。

電壓傳感器2時(shí)刻檢測太陽(yáng)能蓄電池電壓u2的大小，把電壓數據值傳入dsp處理器。當風(fēng)電系統線(xiàn)電壓u1不能滿(mǎn)足逆變器要求時(shí)，啟動(dòng)光伏電池對逆變器充電，通過(guò)光電系統電路中igbt的通斷控制，保證逆變系統直流端電壓u3的大小。一般設置蓄電池電壓u2的電壓范圍值比u3的略大，這樣可以減少igbt開(kāi)關(guān)次數。

2.3逆變系統控制

逆變系統是發(fā)電的核心裝置，直接決定發(fā)電質(zhì)量，也是最容易損壞和出現故障的部分，所以采用的傳感器和保護器件比較多。電壓傳感器3時(shí)刻檢測逆變系統直流母線(xiàn)端電壓u3的大小，如前面所述配合u1和u2的值來(lái)決定充電方式是風(fēng)能充電還是光能充電。由于u3的波動(dòng)性，加入buck降壓電路是為了穩定逆變器直流端電壓。電壓傳感器4時(shí)刻檢測逆變器直流端電壓u4的大小，保證逆變的穩定。當逆變器輸出端電壓因負載加大而產(chǎn)生電壓降低時(shí)，可適當增加輸出端電壓u4的值。

(1)降壓環(huán)節


降壓環(huán)節的主要任務(wù)就是將風(fēng)機整流后和光能轉換后的500v左右的高壓降為350v，并能對輸出進(jìn)行過(guò)壓和過(guò)流保護。電路采用buck降壓方式，在開(kāi)關(guān)頻率、直流lc濾波參數和pwm電路合理設計下，電路能很好地滿(mǎn)足要求。如圖3所示，整個(gè)控制電路以sg3525為核心，為了保證系統的可靠運行，選擇光耦hcp13120作為igbt的驅動(dòng)模塊。它的最大輸出電流為2a，最大交換速度為500ns，能滿(mǎn)足器件的開(kāi)關(guān)頻率以及控制電路與驅動(dòng)電路的隔離要求。系統故障保護功能則采用dsp對sg3535脈沖封鎖端的控制來(lái)協(xié)調完成。

sg3525是采用電壓模式控制的集成pwm控制器，其輸出脈沖頻率的選擇決定了輸出直流電壓的紋波和濾波器所需電感量的大小，是整個(gè)降壓環(huán)節設計的關(guān)鍵，它同時(shí)受器件極限開(kāi)關(guān)頻率的影響。綜合各方面考慮選擇f為40khz，則

f=1/ct(0.7rt+3rd)

式中ct=10nf,rt=3.6kω,rd=0，其中ct為sg3525的5引腳對地電容，rt為6腳對地電阻，rd為5腳和7腳之間串人的死區時(shí)間電阻。誤差放大器按設計要求接成比例積分方式對反饋電壓進(jìn)行無(wú)靜差調節，從系統降壓要求可以看出，輸出脈寬占空比應在0.4-0.7之間，所以應將sg3525設計為輸出脈沖占空比為0%-90%的形式。具體連接方法為11腳和14腳并聯(lián)接地，13腳設為脈沖輸出端。整個(gè)降壓環(huán)節的控制和驅動(dòng)電路如圖3所示，1腳反饋電壓是通過(guò)直流輸出電壓分壓獲得，脈沖封鎖端來(lái)自dsp的rd0引腳。為了保證igbt的可靠關(guān)斷，驅動(dòng)電路還設計了反向負偏置電路，整個(gè)降壓方案簡(jiǎn)單靈活，穩定性較好。

(2)逆變環(huán)節

逆變環(huán)節的主要任務(wù)就是將降壓電路輸出的直流電壓通過(guò)逆變控制器和lc濾波輸出穩定的220v/50hz的正弦波。整個(gè)逆變環(huán)節的控制電路如圖3所示。利用pic系列速度快，片內資源豐富的特點(diǎn)設計了專(zhuān)用spwm控制器。采用單極性調制方式，常用的雙極性調制技術(shù)由于主逆變電路中同一橋臂的開(kāi)關(guān)器件處于互補導通狀態(tài)，所以易發(fā)生直通現象，通常的做法是設置死區，而這會(huì )導致諧波成分增加，基波幅值減小，載波頻率的提高受到限制。同雙極調制技術(shù)相比，單極調制由于同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管一個(gè)是反復通斷的，另一個(gè)是始終截止的，處于非互補通斷狀態(tài)，只需在正弦波控制過(guò)零點(diǎn)設置死區時(shí)間，直通可能性降低，但它需要幾路相互獨立的驅動(dòng)電源。根據系統特點(diǎn)，輔助電源的設計可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，所以在提高輸出波形質(zhì)量的前提下采用單極性調制方式。

整個(gè)spwm控制器以pic16f873為中心，利用內部ccp模塊的pwm工作模式直接從引腳rc1、rc2輸出2路spwm信號，通過(guò)非門(mén)邏輯電路74h000的變換，為驅動(dòng)電路提供了4路對應的spwm脈沖。由于采用的是全數字的spwm信號，電路的抗干擾能力明顯優(yōu)于采用分立元件和集成運放構成的模擬電路，相對通常與8位或16位單片機配套使用的專(zhuān)用spwm信號發(fā)生器，它的性?xún)r(jià)比較高，而且通過(guò)單片機內部程序的設計，可以靈活地滿(mǎn)足系統的要求，對于開(kāi)關(guān)頻率低于 40khz的電路是較好的選擇。

輸出電壓通過(guò)電壓互感器和pic內部的高精度10位a/d進(jìn)行測量。同時(shí)，為了防止輸出電流過(guò)高而損害電源，設計了過(guò)流保護電路，如圖4所示，利用串在主電路中的0.5ω/5w的電阻檢測電流信號，這樣就在電阻上得到一個(gè)對地電壓值，通過(guò)由lm393設計的滯環(huán)電壓比較器封鎖輸出脈沖，既防止了高頻信號的干擾，又達到了可靠保護的目的。為了保證系統的可靠關(guān)斷，與逆變環(huán)節的驅動(dòng)電路一樣，同理也設計了反向負偏置電路。

2.4其他裝置控制

柴油機后備發(fā)電系統:當風(fēng)電系統和光電系統同時(shí)不能滿(mǎn)足充電要求時(shí)，啟動(dòng)此裝置。例如，風(fēng)機發(fā)電電壓達不到指定電壓，存儲的太陽(yáng)能用盡時(shí)，可啟動(dòng)柴油機發(fā)電，一邊向負載端發(fā)電一邊向逆變器直流母線(xiàn)端充電，但此情況很少。

有源濾波穩壓器:當進(jìn)行風(fēng)-光-柴發(fā)電切換時(shí)，會(huì )有一定的沖擊電壓。電壓輸出端引入有源濾波穩壓器可很好的抑制電壓諧波，提高電網(wǎng)電壓輸出質(zhì)量。

相關(guān)閱讀：
第二講：基于IGBT的高能效電源設計
http://www.zzmyjiv.cn/gptech-art/80020858
如何根據IGBT的驅動(dòng)要求設計過(guò)流保護？
http://www.zzmyjiv.cn/cp-art/80020301
IGBT模塊的作用
http://www.zzmyjiv.cn/cp-art/80016216

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3.控制系統運行策略

對微處理器的要求

從控制方法圖中可以看出整套電路多處用了電壓、電流傳感器，所以整個(gè)控制系統是基于實(shí)時(shí)數據采集的全自動(dòng)智能控制系統，需要每天時(shí)刻不間斷進(jìn)行 數據采集。而且必要時(shí)的中斷處理和多處igbt的pwm觸發(fā)也對微處理器有著(zhù)特殊要求。因此本系統采用運算功能強大，運算速度快，片內可產(chǎn)生pwm控制信號的dsp作為微處理器。


系統控制流程


整套系統的控制流程圖如圖5所示。(注:啟動(dòng)單發(fā)電裝置時(shí)，同時(shí)關(guān)閉其他發(fā)電裝置。例如:啟動(dòng)光電系統時(shí)，先檢測風(fēng)電系統和柴油機后備系統是否關(guān)閉，再啟動(dòng)光電系統。)這種控制方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是對風(fēng)電系統、光電系統、逆變器直流母線(xiàn)端，實(shí)時(shí)進(jìn)行雙峰值電壓檢測，最大限度的保證了逆變器供電電壓的穩定，是一種新的控制方法。

4.系統仿真

此發(fā)電裝置的設計主要是針對偏遠山區家庭用戶(hù)和供電緊張城市用戶(hù)，一般輸出端電壓的取值為220v/50hz。利用matlab仿真軟件，對光電系統在電流閉環(huán)控制基礎上進(jìn)行cvt的mppt仿真，波形如圖6所示。橫坐標為時(shí)間軸，單位:秒；縱坐標為電流軸，單位:安。


由充電波形圖可以看出:采用此cvt式的mppt控制方式后，光電裝置的充電電流波動(dòng)很小，這樣光電系統輸出電壓即可穩定在一定范圍內，也不會(huì )造成大的電流沖擊。

同理，采取相同控制方法的風(fēng)電系統也是如此。

整套發(fā)電系統運用計算機控制技術(shù)，以風(fēng)電系統、光電系統和逆變器直流母線(xiàn)端的雙峰值檢測法為控制策略，把風(fēng)電系統、光電系統、柴油機發(fā)電系統和逆變器有機的結合在了一起，實(shí)現了以風(fēng)能發(fā)電為主，光能發(fā)電為輔，柴油機發(fā)電作為后備的完善發(fā)電方法，具有過(guò)電流和過(guò)電壓的完善保護功能，能向家用負載提供不間斷供電，可解決邊遠地區和供電緊張城市用戶(hù)用電困難的問(wèn)題。在實(shí)際應用中，可根據不同用戶(hù)設計最佳使用參數。

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