基本信息
- 項目名稱：
- 基于太陽能光伏發(fā)電的單／三相功率變換器的研究
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 從節(jié)能減排的角度出發(fā)，設(shè)計了一款基于SPWM技術(shù)的基于太陽能光伏發(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逆變可有效地進行直流到交流的轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)通過DSPIC30F6010A-20E/PE單片機的控制不僅實現(xiàn)了最大功率點、頻率和相位的跟蹤，同時也實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。
- 詳細介紹：
- 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)境帶來的影響也日趨嚴重，尋找可再生的清潔能源已成為越來越迫切的全球化課題。目前，太陽能這一取之不盡用之不竭的清潔能源備受青睞，通常太陽能的利用方式是將太陽光的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，而太陽能光伏發(fā)電是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的方法，即太陽光輻射能經(jīng)太陽能電池轉(zhuǎn)化為電能，再經(jīng)過能量儲存、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)，這樣就能實現(xiàn)“發(fā)電上網(wǎng)”了。所謂并網(wǎng)，簡單的說，就是在電壓、相位、相序、頻率都相同時，可以并列運行的原理來實現(xiàn)的。打個比方，就像是一條河流的水，緩慢而不受沖擊的流入大海。如果實現(xiàn)了將太陽能電池輸出的電壓經(jīng)過處理后進行并網(wǎng)，也就是說太陽能電池“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 上圖為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖，太陽能電池板輸出的直流電壓Us經(jīng)過DC/DC升壓斬波電路進行電壓抬升；由IGBT構(gòu)成的DC/AC逆變電路形成SPWM波，用LC正弦波濾波器對輸出的波形進行濾波，形成較為穩(wěn)定的正弦波帶載運行。其中控制電路采用MICROCHIP的16位單片機， DSPIC30F6010A-20E/PE為本系統(tǒng)的核心部分，主要利用該PIC單片機的如下點： ① 應用其波形發(fā)生器功能，配合軟件算法，輸出6路SPWM脈沖波，來有效驅(qū)動逆變電路； MPLAB ICD 2 開發(fā)軟件 ② 應用其模擬量輸入10位AD轉(zhuǎn)換口，對直流電壓，IGBT逆變電壓、電流、頻率、相位等變量進行檢測，以實現(xiàn)參數(shù)檢測和運行保護。 應用單片機的上述資源，結(jié)合電路的功能，設(shè)計實現(xiàn)了如下三方面功能： a. 結(jié)合一個開關(guān)進行逆變部分的啟動與關(guān)閉 b. 對外部采樣點參數(shù)進行變換形成實時更新 c. 生成多路SPWM波，控制負載運行。 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行死區(qū)，頻率等參數(shù)設(shè)置及過流，欠壓等檢測，并可以實現(xiàn)軟啟動。利用其進行閉環(huán)控制，只要在開環(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)計的輸入濾波電路，采用電容濾波電路，實現(xiàn)對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，實現(xiàn)對輸入直流電壓進行濾波，消除高頻諧波，較小電壓波紋，利于后面的逆變電路運行。對輸入的電壓值進行檢測，反饋給SG3525進行閉環(huán)控制。 四、驅(qū)動電路設(shè)計采用International Rectifier公司的驅(qū)動芯片IR2133為核心進行設(shè)計，來驅(qū)動電源逆變電中的IGBT（IKA15N120T）,該芯片的驅(qū)動隔離電壓高達1200V，可提供6路電氣隔離的驅(qū)動電源，由芯片自身的“自舉”來產(chǎn)生，自身具有完善的保護功能，能有效檢測逆變器中IGBT功率器件的過流和短路，實現(xiàn)IGBT功率管的保護，極大地提高了IGBT逆變器運行的可靠性。 IR2133 管腳功能簡介: VB1～VB3：高壓側(cè)懸浮電源連接端,對應三路高端驅(qū)動電源； HIN1～HIN3，LIN1～LIN3：分別為3個高壓側(cè)、低壓側(cè)功率開關(guān)器件驅(qū)動信號的輸入端； ITRIP ：過電流檢測輸入端，利用電流檢測環(huán)節(jié)的輸出信號來完成過電流保護，關(guān)閉驅(qū)動輸出。 H01～H03:驅(qū)動器的3路高端驅(qū)動輸出； LO1～LO3:驅(qū)動器的3路低端驅(qū)動輸出； VS1～VS3:高端浮動電源地，分別對應三路高端驅(qū)動電源地。 FAULT：過電流、直通短路及過電壓、欠電壓保護輸出端，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，以達到復位IR2133的目的，低電平有效。 IR2133是一款驅(qū)動芯片，并非信號發(fā)生器，因此它不能產(chǎn)生脈沖，工作時需要有PWM脈沖的輸入它才會產(chǎn)生脈沖的輸出，IR2133的輸入脈沖由控制核心DSPIC30F6010A-20E/PE提供。IR2133的輸入信號與5V的CMOS或LS TTL電路輸出信號兼容，輸出信號的最高可達到20V，從而使驅(qū)動信號的驅(qū)動能力明顯增強，達到準確無誤的驅(qū)動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)時間，以避免同一橋臂上的被驅(qū)動功率元件在開關(guān)轉(zhuǎn)換過渡期間發(fā)生同時導通，提高了驅(qū)動脈沖的可靠性。 五、IGBT功率器件采用Infineon公司生產(chǎn)的型號為1KB15N60T，耐壓值達1200V，電流15A。組成一個三相橋式電路。 設(shè)計的驅(qū)動電路可實現(xiàn)如下方面功能： 將控制電路的6路SPWM信號，通過IR2133集成IC，驅(qū)動IGBT可靠運行工作。 ④ 輸出濾波電路設(shè)計為一低通正弦濾波器，連接成三角型的三相LC電路網(wǎng)絡，對逆變器輸出的SPWM波進行濾波，濾除其高次諧波，通過基波，由正弦基波電壓對外供電。 ③ 外圍硬件的搭建結(jié)合程序的設(shè)計進行各種指標的調(diào)試和實現(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法達到指標，那樣軟硬件的有效結(jié)合幾乎成為不可能完成的任務。本系統(tǒng)的主要采樣電路有四個：頻率跟蹤采樣電路；欠壓保護采樣電路；過流保護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，單片機通過檢測波形的過零點所得到時間差，這樣便獲得了電壓信號的頻率，然后進行頻率跟蹤。 頻率采樣電路圖 （1）頻率檢測 如上圖所示，從左到右的工作順序及各個計算如下： 在J1口輸入穩(wěn)定的交流電壓波，經(jīng)過獨立集成運放（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，所以運放的最大正負輸出分別為+15V和-15V.因此當輸入峰峰值為兩伏的電網(wǎng)參考電壓Uref時，輸出的電壓信號被消頂?；境尸F(xiàn)的是一個近似矩形波。此矩形波經(jīng)過快恢復二極管IN4148后，原波形零點位以上的波形輸出，零電位以下的波形被消除。輸出的波形沒有了負電位，輸出的方波下底更為平齊。近似矩形波經(jīng)過5.1V的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后，又經(jīng)過施密特（雙穩(wěn)態(tài)）觸發(fā)器的過濾后，幾乎沒有毛刺和震蕩波，現(xiàn)在所輸出的波形才算是比較可靠的波形，能準確的采集到波形的過零點，根據(jù)時間差確定原正弦波的頻率，最后由單片機經(jīng)過一系列算法得出的頻率也是比較準確的，接受到了頻率的信號之后，DSPIC30F6010A-20E/PE單片機通過對輸出的SPWM波的控制調(diào)節(jié)逆變電路輸出交流信號的頻率，從而使輸出信號的頻率等于電網(wǎng)參考信號的頻率，實現(xiàn)頻率跟蹤。 系統(tǒng)測試： 圖9 測試電路框圖及主要測試點 測量儀器：示波器，三位半萬用表，函數(shù)信號發(fā)生器，直流穩(wěn)壓電源。 閉環(huán)時通過更改輸入直流電壓為36V~150 V，斬波輸出能穩(wěn)在開環(huán)調(diào)節(jié)時所設(shè)電壓值。說明效果還是很好的。 在輸入電壓Ud小于35V（動作電壓）時產(chǎn)生欠壓保護，誤差小于0.5V。在輸出電流Io(動作電流)大于1.5A時產(chǎn)生過流保護，誤差小于0.3A. 八、結(jié)束語 基于太陽能光伏發(fā)電的單／三相功率變換器的研究，該系統(tǒng)實現(xiàn)了良好的輸出功能，但存在一些地方仍不夠完善，一些實際問題并沒有實現(xiàn)和解決。我們正在繼續(xù)研究，爭取解決這些實際問題。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- ① 作品設(shè)計、發(fā)明目的： 目前環(huán)保問題日益嚴峻，而溫室氣體的排放正是解決環(huán)境問題的關(guān)鍵?！疤柲堋币子诓杉皇艿乩砦恢玫南拗?，零污染，一直是新能源中所備受關(guān)注的。 本項目旨在設(shè)計一種能夠?qū)⑻柲茈姵匕遢敵龅闹绷麟娹D(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，要想實現(xiàn)從直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過一個逆變電路對其進行轉(zhuǎn)換。但是由于太陽能電池板的直流輸出電壓（DC30—100V）較低，這樣的直流信號直接經(jīng)過逆變器即使沒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)過逆變器就可以輸出三相220V的工頻交流電了。 ③ 創(chuàng)新點： 加入升壓斬波電路模塊，提升從太陽能電池板輸出的直流電壓，高直流輸入電壓經(jīng)過逆變器后，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： 實現(xiàn)頻率跟蹤功能，使輸出電壓的頻率與電網(wǎng)電壓參考信號頻率相同；實現(xiàn)相位跟蹤功能：當電網(wǎng)頻率在給定范圍內(nèi)變化以及加非阻性負載時，均能保證輸出電壓與電網(wǎng)電壓同相，相位偏差的絕對值≤5°；諧波含量少；輸入電壓：DC30—100V；輸出電壓：三相220±5%。
科學性、先進性
- 近年來光伏發(fā)電在世界范圍內(nèi)受到高度重視，發(fā)展非常迅速。不論從近期和遠期來看，光伏發(fā)電可以作為常規(guī)能源的補充，從環(huán)境保護及能源戰(zhàn)略上都具有重大的意義。我國擁有豐富的太陽能資源，將太陽能轉(zhuǎn)換成工頻交流電能在一定程度上緩解我國能源緊張的局面，對生活和生產(chǎn)都有十分積極的意義。我們的太陽能光伏發(fā)電的單/三相變換電源就是圍繞新能源開發(fā)應用這一主題來探究的。 我們研制的太陽能光伏發(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)點充分體現(xiàn)在以下幾個方面： 1. 充分的清潔性。 2. 絕對的安全性。 3. 應用的廣泛性。 4. 確實的長壽命和免維護性。 5. 實用性和可靠性。 6. 資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性。 7. 為并網(wǎng)發(fā)電奠定基礎(chǔ)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 獲得華北科技學院大學生科技展一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 聯(lián)合開發(fā)，謀求產(chǎn)業(yè)化
作品可展示的形式
- 實物、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 整個系統(tǒng)分為四個功能模塊：主電路（斬波、逆變、濾波）模塊 、 驅(qū)動模塊 、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開關(guān)，上電時先打開控制模塊的電源開關(guān)即先給控制電，后打開主電路的電源開關(guān)即實現(xiàn)軟啟動?？稍谳敵龆擞檬静ㄆ饔^察到標準的正弦波電壓波形。斷電時，遵循先斷開主電后斷開控制電的原則，并且需要在斷開控制電前，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)時出現(xiàn)短路。 如果本項目的技術(shù)一經(jīng)成熟，那么將解決很多問題，如偏遠地區(qū)的供電，既能減小電廠的負荷，又能達到環(huán)保的目的。每個系統(tǒng)都是一個小型發(fā)電廠，可實現(xiàn)對一定量用戶進行電能的供給，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
- 作品以利用太陽能為設(shè)計背景，體現(xiàn)了新能源利用、節(jié)能降耗的理念；能很好的實現(xiàn)電壓、功率變換，輸出電壓穩(wěn)定，可作為工業(yè)應用中的開發(fā)的新產(chǎn)品推廣應用。
