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原创 光伏逆变技术大赛

硬件实现电流模式并网逆变

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boy59
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  • 2017-3-18 11:38:06
   早在2012年的时候就有了做一个并网逆变器的想法,虽然那时对开关电源几乎是一窍不通。后来一个偶然的机会发现了一种非常理想的控制方法,仿真的结果很不错但实验电路并没有成功。原因在于当时只采样了电压信号而电流信号是通过换算得到的,由于电感是非理想器件所以换算的结果不够精确。再后来这个想法就一直搁置到现在。
   这次参加这个活动就是想督促自己去改进电路实现多年前的想法,如果这种控制方法能够成功的话那么整流或逆变控制将变得非常容易,甚至三相并网逆变和三相PFC都可以用纯硬件来进行控制。
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  • 2017-3-18 14:16:11
 
并网逆变分电压模式和电流模式,电流模式因只需控制输出电流与电网电压同频、同相、同波形就能并网控制方法相对简单,并且只要控制方法得当可以实现输出频率可自适应,理论上0谐波及100%的功率因数。实验准备采用下面的电路进行。
功率电路.jpg
                                      图1-1 并网逆变功率电路
采用图1-1这种电路结构,一是容易实现,二是有工频变压器的隔离作用比较安全(实验的主要目的是控制方法非功率和效率)。控制上采用开环控制,输出电流大小将有前级的MPPT控制。对于逆变这一级来说没有PI反馈、没有锁相环、没有算法只有控制方法。
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  • 2017-3-18 14:44:30
 
将图1-1的电路做对偶变换(输入、输出互换,MOS管、二极管互换)如下
PFC电路.jpg
                                           图1-2 功率因数校正电路(PFC电路)
不难看出电流模式的并网逆变跟PFC电路采用的是相同的控制思路既电流跟随电网电压。剩下的工作就是去实现理论上的0谐波及100%的功率因数。

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  • 2017-3-19 22:10:21
 
目前MPPT控制比较常用的是扰动观察法,这种方法的缺点是会在最大功率点处震荡,当光照变化剧烈时调节方向会出现错误判断。
这里有一种用纯硬件实现的方法可以解决上述两个问题。
  基本思路是采用三点法来判断上坡、下坡还是坡顶,见下图:
上坡.jpg
                                1-3-1 光伏电池输出功率曲线之上坡
将光伏电池板分成三组,每组的输出电压分别为U1U2U3,三者之间的压差保持不变,如图1-3-1当输出功率P1< P2< P3时为上坡。
P1> P2> P3时为下坡,当P2最大时为坡顶,见下图
下坡与坡顶.jpg
                             1-3-2 光伏电池输出功率曲线之下坡、坡顶
这种方法没有最大工作点震荡的问题,当环境变化引起最大工作点变化时电路只调整一次,由于U1U2U3之间存在的压差降低了最大工作点处的敏感程度而不宜震荡。这种三点法也基本不会出现方向调反的情况。
boy59
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  • 2017-3-19 22:27:40
 
下面的是根据这个原理做的一个仿真
MPPT曲线.jpg
                               1-4 -1纯硬件三点法MPPT仿真结果
图中将光电流设置为10A-5A-1A,加粗的红色曲线为采用电压扫描法得到的输出功率曲线,仿真结果显示无论光强如何变化输出功率都锁定在最大功率点处。
下图是输出功率曲线在最大功率点处的放大图:
MPPT放大.jpg
                               1-4-2 三点法MPPT输出功率局部放大
图中Po2> Po1> Po3

boy59
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  • 2017-3-19 22:41:40
 
三组光伏电池板受光照强度相近时效果最好,如果有可能的话可将三组电池板交错串并联。
光伏电池板.jpg
   1-4-3 交错组合结构光伏电池板

szstgcon
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本网技工
  • 2017-4-13 11:56:10
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这个想法很不错,虽然不懂技术,但是感觉很实用。
jideming
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本网技师
  • 2017-3-22 21:39:01
 
楼主您好,
请问怎么用示波器测反激变压器的输出电流,
有源钳位主要波形,过零点检测波形?
我也是学光伏发电的,不过小白不太懂,
有知情的其他网友也可教教我,感激不尽!
killaws
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  • 2017-3-28 08:54:55
 
楼主,该图红框圈起来的波形是电流波形?
144448u117ulmyzyk1ztdd.jpg
boy59
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  • 2017-3-28 09:37:37
 
是电流波形,对于并网逆变控电流比控电压更容易更合理吧。
killaws
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副总工程师
  • 2017-3-28 13:14:46
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如果给逆变器输入的电流波形是你上图畸变的电流波形,但负载上的电流波形还是正弦波!
这是为什么?还有这样做是不是会不好?
boy59
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  • 2017-3-28 17:01:53
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右边的四个管子实现的是工频逆变,把左边的馒头波逆变成正弦波。
你说的不好是不是指用了工频变压器?在实用场合应当选用高频变压器,选工频变压器是因为电路采样和控制比较容易只需控制一个PWM管,另外将变压器的初级按几十伏设计通过隔离变压升至220V在做实验时比较安全。
allenzdh
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  • 2017-3-21 18:19:44
 
所有的控制都是纯硬件来搞定?有实物可看看不
boy59
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副总工程师
  • 2017-3-21 20:23:29
 
所有控制纯硬件(有可能会采用一颗单片机替代数字逻辑电路),电路准备这几天画出来。
allenzdh
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LV3
助理工程师
  • 2017-3-22 11:06:23
 
坐等
boy59
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  • 2017-4-10 18:39:32
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初步完成了原理图的设计,框图如下
block.jpg
                              
                         图1-5-1 并网逆变原理框图
图中的虚线方框就是实现并网逆变的控制器,算上供电电源和地一共用了13个引脚。控制器的输出包括:PWM1、PWM2控制DC/DC变换器,Mcu_L、Mcu_R控制逆变桥换向。控制器的输入包括:Uink、Uok输入输出电压采样信号,Ufb反馈信号,I_test电流采样信号,Iref电流、电压参考信号,1/2Vcc用来实现双电源供电效果。
这里用了一块单片机是做纯数字运算,端口都是I/O功能。这部分是可以用纯硬件电路实现的(仿真是用的纯硬件),用单片机为了实现更多的功能,这块控制电路目前可以实现对Boost拓扑、Buck拓扑、Buck-Boost拓扑的电流模式及电压模式控制,能实现Boost和Buck模式的无缝切换,除了能实现逆变外还可以实现PFC功能(兼容断续、临界、连续模式)。实现上述功能的DC/DC电路用的是双MOS双二极管的Buck-Boost电路。
驱动.jpg
                        图1-5-2 DC/DC驱动电路

boy59
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  • 2017-4-14 21:50:53
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PCB.jpg
                     图1-5-2 实验电路PCB板
上图左边为多功能实验电路板不仅支持逆变还支持整流及DC/DC变化,右边可看做是一颗14脚的控制IC。
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  • 2017-4-23 18:54:26
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PCB.jpg
                    图1-5-2 PCB板
PCB板已做好,元件还没有到齐。
孔雀东南飞
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  • 2017-4-24 08:04:58
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最小系统没有敷铜
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  • 2017-4-24 15:50:04
  • 倒数3
 
敷铜不好焊啊,这次先省了
孔雀东南飞
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  • 2017-4-24 16:53:47
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那是因为连接方式不对。敷铜还是不要省,尤其是对于模拟电路
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最新回复
  • 2017-6-10 19:23:37
  • 倒数1
 
先实现PFC功能,实测结果如下:
pfc波形.jpg                      
           图2-1-1 PWM信号及PFC电流波形
pfc波形展开.jpg
           图2-1-2 PWM信号及电流波形展开
之前也做过一块实验电路板,当时的方案是采样输入、输出电压并通过电路来诠释公式,由于电感非理想、PWM信号和MOS开关非同步等因素导致结果不理想。
现在的方案改为直接采样电感电流,实测结果同仿真结果基本上一致,那么之前仿真时所实现的各种功能在这里也就都能实现了。
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