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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的單／三相功率變換器的研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 從節(jié)能減排的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款基于SPWM技術(shù)的基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的單／三相功率變換器系統(tǒng)，該裝置包含主電路（斬波、逆變、濾波）模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、采樣模塊。其中DC/DC升壓斬波可有效地升高直流側(cè)電壓，DC/AC逆變可有效地進(jìn)行直流到交流的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)通過(guò)DSPIC30F6010A-20E/PE單片機(jī)的控制不僅實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)、頻率和相位的跟蹤，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。
- 詳細(xì)介紹：
- 引言 隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，石化能源的日益枯竭和給環(huán)境帶來(lái)的影響也日趨嚴(yán)重，尋找可再生的清潔能源已成為越來(lái)越迫切的全球化課題。目前，太陽(yáng)能這一取之不盡用之不竭的清潔能源備受青睞，通常太陽(yáng)能的利用方式是將太陽(yáng)光的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的方法，即太陽(yáng)光輻射能經(jīng)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)過(guò)能量?jī)?chǔ)存、控制和能量變換，變換成人們所使用的直流或交流電。如果電量足夠大，則系統(tǒng)在能夠滿足用戶的供電需求下，將富余的電能并網(wǎng)，這樣就能實(shí)現(xiàn)“發(fā)電上網(wǎng)”了。所謂并網(wǎng)，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是在電壓、相位、相序、頻率都相同時(shí)，可以并列運(yùn)行的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。打個(gè)比方，就像是一條河流的水，緩慢而不受沖擊的流入大海。如果實(shí)現(xiàn)了將太陽(yáng)能電池輸出的電壓經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行并網(wǎng)，也就是說(shuō)太陽(yáng)能電池“發(fā)電上網(wǎng)”了，就像河水平穩(wěn)的流入大海中。 一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其分析 圖1 系統(tǒng)框圖 上圖為太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖，太陽(yáng)能電池板輸出的直流電壓Us經(jīng)過(guò)DC/DC升壓斬波電路進(jìn)行電壓抬升；由IGBT構(gòu)成的DC/AC逆變電路形成SPWM波，用LC正弦波濾波器對(duì)輸出的波形進(jìn)行濾波，形成較為穩(wěn)定的正弦波帶載運(yùn)行。其中控制電路采用MICROCHIP的16位單片機(jī)， DSPIC30F6010A-20E/PE為本系統(tǒng)的核心部分，主要利用該P(yáng)IC單片機(jī)的如下點(diǎn)： ① 應(yīng)用其波形發(fā)生器功能，配合軟件算法，輸出6路SPWM脈沖波，來(lái)有效驅(qū)動(dòng)逆變電路； MPLAB ICD 2 開(kāi)發(fā)軟件 ② 應(yīng)用其模擬量輸入10位AD轉(zhuǎn)換口，對(duì)直流電壓，IGBT逆變電壓、電流、頻率、相位等變量進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)和運(yùn)行保護(hù)。 應(yīng)用單片機(jī)的上述資源，結(jié)合電路的功能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了如下三方面功能： a. 結(jié)合一個(gè)開(kāi)關(guān)進(jìn)行逆變部分的啟動(dòng)與關(guān)閉 b. 對(duì)外部采樣點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行變換形成實(shí)時(shí)更新 c. 生成多路SPWM波，控制負(fù)載運(yùn)行。 二、DC/DC升壓斬波電路采用ST公司生產(chǎn)的雙路PWM控制器SG3525?？梢赃M(jìn)行死區(qū)，頻率等參數(shù)設(shè)置及過(guò)流，欠壓等檢測(cè)，并可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。利用其進(jìn)行閉環(huán)控制，只要在開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)好后，將跳線改為閉環(huán)模式就可自行保持輸出電壓不變，更加人性化。 三、設(shè)計(jì)的輸入濾波電路，采用電容濾波電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入直流電壓的平滑濾波。電容選680uF電解電容再加0.22uF的高頻吸收電容，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行濾波，消除高頻諧波，較小電壓波紋，利于后面的逆變電路運(yùn)行。對(duì)輸入的電壓值進(jìn)行檢測(cè)，反饋給SG3525進(jìn)行閉環(huán)控制。 四、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)采用International Rectifier公司的驅(qū)動(dòng)芯片IR2133為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，來(lái)驅(qū)動(dòng)電源逆變電中的IGBT（IKA15N120T）,該芯片的驅(qū)動(dòng)隔離電壓高達(dá)1200V，可提供6路電氣隔離的驅(qū)動(dòng)電源，由芯片自身的“自舉”來(lái)產(chǎn)生，自身具有完善的保護(hù)功能，能有效檢測(cè)逆變器中IGBT功率器件的過(guò)流和短路，實(shí)現(xiàn)IGBT功率管的保護(hù)，極大地提高了IGBT逆變器運(yùn)行的可靠性。 IR2133 管腳功能簡(jiǎn)介: VB1～VB3：高壓側(cè)懸浮電源連接端,對(duì)應(yīng)三路高端驅(qū)動(dòng)電源； HIN1～HIN3，LIN1～LIN3：分別為3個(gè)高壓側(cè)、低壓側(cè)功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入端； ITRIP ：過(guò)電流檢測(cè)輸入端，利用電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)來(lái)完成過(guò)電流保護(hù)，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)輸出。 H01～H03:驅(qū)動(dòng)器的3路高端驅(qū)動(dòng)輸出； LO1～LO3:驅(qū)動(dòng)器的3路低端驅(qū)動(dòng)輸出； VS1～VS3:高端浮動(dòng)電源地，分別對(duì)應(yīng)三路高端驅(qū)動(dòng)電源地。 FAULT：過(guò)電流、直通短路及過(guò)電壓、欠電壓保護(hù)輸出端，可用于故障指示或用戶系統(tǒng)封鎖，低電平有效。 FLT—CLR：清除故障輸入端，用于清除故障索存，以達(dá)到復(fù)位IR2133的目的，低電平有效。 IR2133是一款驅(qū)動(dòng)芯片，并非信號(hào)發(fā)生器，因此它不能產(chǎn)生脈沖，工作時(shí)需要有PWM脈沖的輸入它才會(huì)產(chǎn)生脈沖的輸出，IR2133的輸入脈沖由控制核心DSPIC30F6010A-20E/PE提供。IR2133的輸入信號(hào)與5V的CMOS或LS TTL電路輸出信號(hào)兼容，輸出信號(hào)的最高可達(dá)到20V，從而使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力明顯增強(qiáng)，達(dá)到準(zhǔn)確無(wú)誤的驅(qū)動(dòng)IGBT的目的。另外，芯片中的輸入控制邏輯電路還為同一橋臂的高端和低端提供了死區(qū)時(shí)間，以避免同一橋臂上的被驅(qū)動(dòng)功率元件在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)渡期間發(fā)生同時(shí)導(dǎo)通，提高了驅(qū)動(dòng)脈沖的可靠性。 五、IGBT功率器件采用Infineon公司生產(chǎn)的型號(hào)為1KB15N60T，耐壓值達(dá)1200V，電流15A。組成一個(gè)三相橋式電路。 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)如下方面功能： 將控制電路的6路SPWM信號(hào)，通過(guò)IR2133集成IC，驅(qū)動(dòng)IGBT可靠運(yùn)行工作。 ④ 輸出濾波電路設(shè)計(jì)為一低通正弦濾波器，連接成三角型的三相LC電路網(wǎng)絡(luò)，對(duì)逆變器輸出的SPWM波進(jìn)行濾波，濾除其高次諧波，通過(guò)基波，由正弦基波電壓對(duì)外供電。 ③ 外圍硬件的搭建結(jié)合程序的設(shè)計(jì)進(jìn)行各種指標(biāo)的調(diào)試和實(shí)現(xiàn)，其中采樣電路的搭建才是成功的關(guān)鍵，它直接影響到單片機(jī)能否精確的采集到它想要采集的數(shù)據(jù)，如果采樣電路搭建的不夠成功或無(wú)法達(dá)到指標(biāo)，那樣軟硬件的有效結(jié)合幾乎成為不可能完成的任務(wù)。本系統(tǒng)的主要采樣電路有四個(gè)：頻率跟蹤采樣電路；欠壓保護(hù)采樣電路；過(guò)流保護(hù)采樣電路和相位采樣電路。其中頻率采樣電路是將正弦波轉(zhuǎn)化為比較清晰穩(wěn)定的矩形波，發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)波形的過(guò)零點(diǎn)所得到時(shí)間差，這樣便獲得了電壓信號(hào)的頻率，然后進(jìn)行頻率跟蹤。 頻率采樣電路圖 （1）頻率檢測(cè) 如上圖所示，從左到右的工作順序及各個(gè)計(jì)算如下： 在J1口輸入穩(wěn)定的交流電壓波，經(jīng)過(guò)獨(dú)立集成運(yùn)放（TL082）所組成的差分放大電路后，根據(jù)圖中的電阻取值可知：R1=R2=10K,Rf=500K,所以輸出的電壓等于輸入電壓差值信號(hào)放大了50倍。 Rf/R1=Rf/R2=50 ； u0=（u1-u2）Rf/R1=50(u1-u2) 但是由于TL082的供電電壓接的是+15V和-15V，所以運(yùn)放的最大正負(fù)輸出分別為+15V和-15V.因此當(dāng)輸入峰峰值為兩伏的電網(wǎng)參考電壓Uref時(shí)，輸出的電壓信號(hào)被消頂?；境尸F(xiàn)的是一個(gè)近似矩形波。此矩形波經(jīng)過(guò)快恢復(fù)二極管IN4148后，原波形零點(diǎn)位以上的波形輸出，零電位以下的波形被消除。輸出的波形沒(méi)有了負(fù)電位，輸出的方波下底更為平齊。近似矩形波經(jīng)過(guò)5.1V的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，又經(jīng)過(guò)施密特（雙穩(wěn)態(tài)）觸發(fā)器的過(guò)濾后，幾乎沒(méi)有毛刺和震蕩波，現(xiàn)在所輸出的波形才算是比較可靠的波形，能準(zhǔn)確的采集到波形的過(guò)零點(diǎn)，根據(jù)時(shí)間差確定原正弦波的頻率，最后由單片機(jī)經(jīng)過(guò)一系列算法得出的頻率也是比較準(zhǔn)確的，接受到了頻率的信號(hào)之后，DSPIC30F6010A-20E/PE單片機(jī)通過(guò)對(duì)輸出的SPWM波的控制調(diào)節(jié)逆變電路輸出交流信號(hào)的頻率，從而使輸出信號(hào)的頻率等于電網(wǎng)參考信號(hào)的頻率，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。 系統(tǒng)測(cè)試： 圖9 測(cè)試電路框圖及主要測(cè)試點(diǎn) 測(cè)量?jī)x器：示波器，三位半萬(wàn)用表，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，直流穩(wěn)壓電源。 閉環(huán)時(shí)通過(guò)更改輸入直流電壓為36V~150 V，斬波輸出能穩(wěn)在開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)所設(shè)電壓值。說(shuō)明效果還是很好的。 在輸入電壓Ud小于35V（動(dòng)作電壓）時(shí)產(chǎn)生欠壓保護(hù)，誤差小于0.5V。在輸出電流Io(動(dòng)作電流)大于1.5A時(shí)產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)，誤差小于0.3A. 八、結(jié)束語(yǔ) 基于太陽(yáng)能光伏發(fā)電的單／三相功率變換器的研究，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了良好的輸出功能，但存在一些地方仍不夠完善，一些實(shí)際問(wèn)題并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)和解決。我們正在繼續(xù)研究，爭(zhēng)取解決這些實(shí)際問(wèn)題。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- ① 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明目的： 目前環(huán)保問(wèn)題日益嚴(yán)峻，而溫室氣體的排放正是解決環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵?！疤?yáng)能”易于采集，不受地理位置的限制，零污染，一直是新能源中所備受關(guān)注的。 本項(xiàng)目旨在設(shè)計(jì)一種能夠?qū)⑻?yáng)能電池板輸出的直流電轉(zhuǎn)換為我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫娜喙ゎl交流電的系統(tǒng)。 ② 基本思路： 電池板的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，但其輸出的是直流電，而家庭用電是220V的交流電，要想實(shí)現(xiàn)從直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)逆變電路對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但是由于太陽(yáng)能電池板的直流輸出電壓（DC30—100V）較低，這樣的直流信號(hào)直接經(jīng)過(guò)逆變器即使沒(méi)有損耗也不能夠輸出生活用電，因此考慮在這中間增加一個(gè)升壓斬波電路，利用其將電池板輸出的直流電的電壓升到DC300-400V，這樣再經(jīng)過(guò)逆變器就可以輸出三相220V的工頻交流電了。 ③ 創(chuàng)新點(diǎn)： 加入升壓斬波電路模塊，提升從太陽(yáng)能電池板輸出的直流電壓，高直流輸入電壓經(jīng)過(guò)逆變器后，可以輸出三相220V的工頻交流電。 ④ 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤功能，使輸出電壓的頻率與電網(wǎng)電壓參考信號(hào)頻率相同；實(shí)現(xiàn)相位跟蹤功能：當(dāng)電網(wǎng)頻率在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負(fù)載時(shí)，均能保證輸出電壓與電網(wǎng)電壓同相，相位偏差的絕對(duì)值≤5°；諧波含量少；輸入電壓：DC30—100V；輸出電壓：三相220±5%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 近年來(lái)光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視，發(fā)展非常迅速。不論從近期和遠(yuǎn)期來(lái)看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，從環(huán)境保護(hù)及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。我國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成工頻交流電能在一定程度上緩解我國(guó)能源緊張的局面，對(duì)生活和生產(chǎn)都有十分積極的意義。我們的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的單/三相變換電源就是圍繞新能源開(kāi)發(fā)應(yīng)用這一主題來(lái)探究的。 我們研制的太陽(yáng)能光伏發(fā)電的單/三相電源基于飛速發(fā)展的電力電子技術(shù)，充分利用IGBT等電力電子器件，能夠?qū)⒐怆姵禺a(chǎn)生的小至十幾伏大至100V左右的直流電壓（用調(diào)壓器模擬），經(jīng)過(guò)斬波升壓后，逆變轉(zhuǎn)化成220V的工頻交流電，供人們?nèi)粘Ｊ褂谩? 光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)充分體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1. 充分的清潔性。 2. 絕對(duì)的安全性。 3. 應(yīng)用的廣泛性。 4. 確實(shí)的長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性。 5. 實(shí)用性和可靠性。 6. 資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性。 7. 為并網(wǎng)發(fā)電奠定基礎(chǔ)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 獲得華北科技學(xué)院大學(xué)生科技展一等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 聯(lián)合開(kāi)發(fā)，謀求產(chǎn)業(yè)化
作品可展示的形式
- 實(shí)物、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)功能模塊：主電路（斬波、逆變、濾波）模塊 、 驅(qū)動(dòng)模塊 、控制模塊和采樣模塊。在斬波模塊與控制模塊中分別有一個(gè)開(kāi)關(guān)，上電時(shí)先打開(kāi)控制模塊的電源開(kāi)關(guān)即先給控制電，后打開(kāi)主電路的電源開(kāi)關(guān)即實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)?？稍谳敵龆擞檬静ㄆ饔^察到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓波形。斷電時(shí)，遵循先斷開(kāi)主電后斷開(kāi)控制電的原則，并且需要在斷開(kāi)控制電前，先關(guān)閉SG3525的輸出，確保安全，以防止IGBT工作在不確定的狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)短路。 如果本項(xiàng)目的技術(shù)一經(jīng)成熟，那么將解決很多問(wèn)題，如偏遠(yuǎn)地區(qū)的供電，既能減小電廠的負(fù)荷，又能達(dá)到環(huán)保的目的。每個(gè)系統(tǒng)都是一個(gè)小型發(fā)電廠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)一定量用戶進(jìn)行電能的供給，根據(jù)不同要求也可有多路不同輸出。如果電量足夠大，則系統(tǒng)在能夠滿足用戶的供電需求下，將富余的電能并網(wǎng)，這樣就實(shí)現(xiàn)“發(fā)電上網(wǎng)”了。
同類課題研究水平概述
- 作品以利用太陽(yáng)能為設(shè)計(jì)背景，體現(xiàn)了新能源利用、節(jié)能降耗的理念；能很好的實(shí)現(xiàn)電壓、功率變換，輸出電壓穩(wěn)定，可作為工業(yè)應(yīng)用中的開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品推廣應(yīng)用。
