基本信息
- 项目名称：
- 基于太阳能光伏发电的单／三相功率变换器的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 从节能减排的角度出发，设计了一款基于SPWM技术的基于太阳能光伏发电的单／三相功率变换器系统，该装置包含主电路（斩波、逆变、滤波）模块、驱动模块、控制模块、采样模块。其中DC/DC升压斩波可有效地升高直流侧电压，DC/AC逆变可有效地进行直流到交流的转换。该系统通过DSPIC30F6010A-20E/PE单片机的控制不仅实现了最大功率点、频率和相位的跟踪，同时也实现脉冲宽度调制。
- 详细介绍：
- 引言 随着现代科技的飞速发展，石化能源的日益枯竭和给环境带来的影响也日趋严重，寻找可再生的清洁能源已成为越来越迫切的全球化课题。目前，太阳能这一取之不尽用之不竭的清洁能源备受青睐，通常太阳能的利用方式是将太阳光的辐射能转换成热能，而太阳能光伏发电是将太阳光辐射能直接转化为电能的方法，即太阳光辐射能经太阳能电池转化为电能，再经过能量储存、控制和能量变换，变换成人们所使用的直流或交流电。如果电量足够大，则系统在能够满足用户的供电需求下，将富余的电能并网，这样就能实现“发电上网”了。所谓并网，简单的说，就是在电压、相位、相序、频率都相同时，可以并列运行的原理来实现的。打个比方，就像是一条河流的水，缓慢而不受冲击的流入大海。如果实现了将太阳能电池输出的电压经过处理后进行并网，也就是说太阳能电池“发电上网”了，就像河水平稳的流入大海中。 一、系统结构及其分析 图1 系统框图 上图为太阳能光伏发电系统框图，太阳能电池板输出的直流电压Us经过DC/DC升压斩波电路进行电压抬升；由IGBT构成的DC/AC逆变电路形成SPWM波，用LC正弦波滤波器对输出的波形进行滤波，形成较为稳定的正弦波带载运行。其中控制电路采用MICROCHIP的16位单片机， DSPIC30F6010A-20E/PE为本系统的核心部分，主要利用该PIC单片机的如下点： ① 应用其波形发生器功能，配合软件算法，输出6路SPWM脉冲波，来有效驱动逆变电路； MPLAB ICD 2 开发软件 ② 应用其模拟量输入10位AD转换口，对直流电压，IGBT逆变电压、电流、频率、相位等变量进行检测，以实现参数检测和运行保护。 应用单片机的上述资源，结合电路的功能，设计实现了如下三方面功能： a. 结合一个开关进行逆变部分的启动与关闭 b. 对外部采样点参数进行变换形成实时更新 c. 生成多路SPWM波，控制负载运行。 二、DC/DC升压斩波电路采用ST公司生产的双路PWM控制器SG3525。可以进行死区，频率等参数设置及过流，欠压等检测，并可以实现软启动。利用其进行闭环控制，只要在开环调节好后，将跳线改为闭环模式就可自行保持输出电压不变，更加人性化。 三、设计的输入滤波电路，采用电容滤波电路，实现对输入直流电压的平滑滤波。电容选680uF电解电容再加0.22uF的高频吸收电容，实现对输入直流电压进行滤波，消除高频谐波，较小电压波纹，利于后面的逆变电路运行。对输入的电压值进行检测，反馈给SG3525进行闭环控制。 四、驱动电路设计采用International Rectifier公司的驱动芯片IR2133为核心进行设计，来驱动电源逆变电中的IGBT（IKA15N120T）,该芯片的驱动隔离电压高达1200V，可提供6路电气隔离的驱动电源，由芯片自身的“自举”来产生，自身具有完善的保护功能，能有效检测逆变器中IGBT功率器件的过流和短路，实现IGBT功率管的保护，极大地提高了IGBT逆变器运行的可靠性。 IR2133 管脚功能简介: VB1～VB3：高压侧悬浮电源连接端,对应三路高端驱动电源； HIN1～HIN3，LIN1～LIN3：分别为3个高压侧、低压侧功率开关器件驱动信号的输入端； ITRIP ：过电流检测输入端，利用电流检测环节的输出信号来完成过电流保护，关闭驱动输出。 H01～H03:驱动器的3路高端驱动输出； LO1～LO3:驱动器的3路低端驱动输出； VS1～VS3:高端浮动电源地，分别对应三路高端驱动电源地。 FAULT：过电流、直通短路及过电压、欠电压保护输出端，可用于故障指示或用户系统封锁，低电平有效。 FLT—CLR：清除故障输入端，用于清除故障索存，以达到复位IR2133的目的，低电平有效。 IR2133是一款驱动芯片，并非信号发生器，因此它不能产生脉冲，工作时需要有PWM脉冲的输入它才会产生脉冲的输出，IR2133的输入脉冲由控制核心DSPIC30F6010A-20E/PE提供。IR2133的输入信号与5V的CMOS或LS TTL电路输出信号兼容，输出信号的最高可达到20V，从而使驱动信号的驱动能力明显增强，达到准确无误的驱动IGBT的目的。另外，芯片中的输入控制逻辑电路还为同一桥臂的高端和低端提供了死区时间，以避免同一桥臂上的被驱动功率元件在开关转换过渡期间发生同时导通，提高了驱动脉冲的可靠性。 五、IGBT功率器件采用Infineon公司生产的型号为1KB15N60T，耐压值达1200V，电流15A。组成一个三相桥式电路。 设计的驱动电路可实现如下方面功能： 将控制电路的6路SPWM信号，通过IR2133集成IC，驱动IGBT可靠运行工作。 ④ 输出滤波电路设计为一低通正弦滤波器，连接成三角型的三相LC电路网络，对逆变器输出的SPWM波进行滤波，滤除其高次谐波，通过基波，由正弦基波电压对外供电。 ③ 外围硬件的搭建结合程序的设计进行各种指标的调试和实现，其中采样电路的搭建才是成功的关键，它直接影响到单片机能否精确的采集到它想要采集的数据，如果采样电路搭建的不够成功或无法达到指标，那样软硬件的有效结合几乎成为不可能完成的任务。本系统的主要采样电路有四个：频率跟踪采样电路；欠压保护采样电路；过流保护采样电路和相位采样电路。其中频率采样电路是将正弦波转化为比较清晰稳定的矩形波，发送给单片机，单片机通过检测波形的过零点所得到时间差，这样便获得了电压信号的频率，然后进行频率跟踪。 频率采样电路图 （1）频率检测 如上图所示，从左到右的工作顺序及各个计算如下： 在J1口输入稳定的交流电压波，经过独立集成运放（TL082）所组成的差分放大电路后，根据图中的电阻取值可知：R1=R2=10K,Rf=500K,所以输出的电压等于输入电压差值信号放大了50倍。 Rf/R1=Rf/R2=50 ； u0=（u1-u2）Rf/R1=50(u1-u2) 但是由于TL082的供电电压接的是+15V和-15V，所以运放的最大正负输出分别为+15V和-15V.因此当输入峰峰值为两伏的电网参考电压Uref时，输出的电压信号被消顶。基本呈现的是一个近似矩形波。此矩形波经过快恢复二极管IN4148后，原波形零点位以上的波形输出，零电位以下的波形被消除。输出的波形没有了负电位，输出的方波下底更为平齐。近似矩形波经过5.1V的稳压管稳压后，又经过施密特（双稳态）触发器的过滤后，几乎没有毛刺和震荡波，现在所输出的波形才算是比较可靠的波形，能准确的采集到波形的过零点，根据时间差确定原正弦波的频率，最后由单片机经过一系列算法得出的频率也是比较准确的，接受到了频率的信号之后，DSPIC30F6010A-20E/PE单片机通过对输出的SPWM波的控制调节逆变电路输出交流信号的频率，从而使输出信号的频率等于电网参考信号的频率，实现频率跟踪。 系统测试： 图9 测试电路框图及主要测试点 测量仪器：示波器，三位半万用表，函数信号发生器，直流稳压电源。 闭环时通过更改输入直流电压为36V~150 V，斩波输出能稳在开环调节时所设电压值。说明效果还是很好的。 在输入电压Ud小于35V（动作电压）时产生欠压保护，误差小于0.5V。在输出电流Io(动作电流)大于1.5A时产生过流保护，误差小于0.3A. 八、结束语 基于太阳能光伏发电的单／三相功率变换器的研究，该系统实现了良好的输出功能，但存在一些地方仍不够完善，一些实际问题并没有实现和解决。我们正在继续研究，争取解决这些实际问题。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- ① 作品设计、发明目的： 目前环保问题日益严峻，而温室气体的排放正是解决环境问题的关键。“太阳能”易于采集，不受地理位置的限制，零污染，一直是新能源中所备受关注的。 本项目旨在设计一种能够将太阳能电池板输出的直流电转换为我们日常生活中所使用的三相工频交流电的系统。 ② 基本思路： 电池板的作用是将太阳能转换为电能，但其输出的是直流电，而家庭用电是220V的交流电，要想实现从直流电到交流电的转换，需要经过一个逆变电路对其进行转换。但是由于太阳能电池板的直流输出电压（DC30—100V）较低，这样的直流信号直接经过逆变器即使没有损耗也不能够输出生活用电，因此考虑在这中间增加一个升压斩波电路，利用其将电池板输出的直流电的电压升到DC300-400V，这样再经过逆变器就可以输出三相220V的工频交流电了。 ③ 创新点： 加入升压斩波电路模块，提升从太阳能电池板输出的直流电压，高直流输入电压经过逆变器后，可以输出三相220V的工频交流电。 ④ 技术关键和主要技术指标： 实现频率跟踪功能，使输出电压的频率与电网电压参考信号频率相同；实现相位跟踪功能：当电网频率在给定范围内变化以及加非阻性负载时，均能保证输出电压与电网电压同相，相位偏差的绝对值≤5°；谐波含量少；输入电压：DC30—100V；输出电压：三相220±5%。
科学性、先进性
- 近年来光伏发电在世界范围内受到高度重视，发展非常迅速。不论从近期和远期来看，光伏发电可以作为常规能源的补充，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义。我国拥有丰富的太阳能资源，将太阳能转换成工频交流电能在一定程度上缓解我国能源紧张的局面，对生活和生产都有十分积极的意义。我们的太阳能光伏发电的单/三相变换电源就是围绕新能源开发应用这一主题来探究的。 我们研制的太阳能光伏发电的单/三相电源基于飞速发展的电力电子技术，充分利用IGBT等电力电子器件，能够将光电池产生的小至十几伏大至100V左右的直流电压（用调压器模拟），经过斩波升压后，逆变转化成220V的工频交流电，供人们日常使用。 光伏发电的优点充分体现在以下几个方面： 1. 充分的清洁性。 2. 绝对的安全性。 3. 应用的广泛性。 4. 确实的长寿命和免维护性。 5. 实用性和可靠性。 6. 资源的充足性及潜在的经济性。 7. 为并网发电奠定基础。
获奖情况及鉴定结果
- 获得华北科技学院大学生科技展一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 联合开发，谋求产业化
作品可展示的形式
- 实物、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 整个系统分为四个功能模块：主电路（斩波、逆变、滤波）模块 、 驱动模块 、控制模块和采样模块。在斩波模块与控制模块中分别有一个开关，上电时先打开控制模块的电源开关即先给控制电，后打开主电路的电源开关即实现软启动。可在输出端用示波器观察到标准的正弦波电压波形。断电时，遵循先断开主电后断开控制电的原则，并且需要在断开控制电前，先关闭SG3525的输出，确保安全，以防止IGBT工作在不确定的状态时出现短路。 如果本项目的技术一经成熟，那么将解决很多问题，如偏远地区的供电，既能减小电厂的负荷，又能达到环保的目的。每个系统都是一个小型发电厂，可实现对一定量用户进行电能的供给，根据不同要求也可有多路不同输出。如果电量足够大，则系统在能够满足用户的供电需求下，将富余的电能并网，这样就实现“发电上网”了。
同类课题研究水平概述
- 作品以利用太阳能为设计背景，体现了新能源利用、节能降耗的理念；能很好的实现电压、功率变换，输出电压稳定，可作为工业应用中的开发的新产品推广应用。
