碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

顧章平

（浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著國內(nèi)雙碳進(jìn)程如火如荼開展，分布式光伏電站、國家縣域光伏電站的建設(shè)成為國內(nèi)學(xué)術(shù)界、企事業(yè)投資和研究的熱點(diǎn)，針對(duì)分布式光伏發(fā)電站系統(tǒng)生命周期中發(fā)電效率下降快、運(yùn)維工作和運(yùn)維成本逐年增加、能效測評(píng)缺乏體系、投資回報(bào)得不到保障、光伏電站市場中的逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)等關(guān)鍵能量轉(zhuǎn)換設(shè)備未納入能效計(jì)量體系中，運(yùn)行效率無法被有效監(jiān)測，能效計(jì)量供給不足，國內(nèi)沒有可計(jì)量的光伏電能與碳當(dāng)量的計(jì)量裝置，形成節(jié)能減排和碳交易堵點(diǎn)等問題，國內(nèi)供電從業(yè)人員胡明磊[1]，程禹智[2]，學(xué)者李楊，徐志艷對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)及電能計(jì)量進(jìn)行了研究與探討[3]，提出多塊單向電表計(jì)量光伏發(fā)電并網(wǎng)電能的方案（實(shí)施成本較高），由于目前光伏變流器控制系統(tǒng)供電方案存在以下問題沒有得到實(shí)施應(yīng)用，在國內(nèi)經(jīng)上海正泰電源系統(tǒng)有限公司于2021年7月1日委托上海浦東智產(chǎn)科技服務(wù)中心查新[4]，碳索面向能源互聯(lián)計(jì)量型的分布式逆變系統(tǒng)的研究在國內(nèi)還是空白，未得到相關(guān)研究。

本文作者提出碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)的研究應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)，并給出技術(shù)架構(gòu)拓?fù)溆布O(shè)計(jì)，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，通過分布式光伏逆變器并網(wǎng)電壓、直流母線電壓、電流采樣、驅(qū)動(dòng)電路鎖相電路等系統(tǒng)該硬件設(shè)計(jì)，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，碳索面向能源互聯(lián)計(jì)量型的分布式逆變系統(tǒng)電流畸變率小于2%設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1 模型結(jié)構(gòu)與主要單元

針對(duì)雙碳進(jìn)程需求和研究成果的不足，碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的分布式逆變系統(tǒng)計(jì)量與控制模型相比，進(jìn)行了以下主要?jiǎng)?chuàng)新，模型的總體結(jié)構(gòu)與主要處理流程如圖1所示。

圖1 碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖1為碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出該模型分兩種，隔離型分布式逆變系統(tǒng)和非隔離性分布式逆變系統(tǒng)；每種主要包括17個(gè)模塊：其流程為光伏電壓輸入，經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換直流，輸入到逆變，AC/DC轉(zhuǎn)換，經(jīng)繼電器、繼電器驅(qū)動(dòng)輸出交流到電網(wǎng)的電壓；在DC/DC側(cè)隔離式由LLC轉(zhuǎn)換器，PS全橋電路和接入DSP控制器中的總線電流和電壓檢測電路組成；DC/DC側(cè)非隔離式是由簡單升壓與交錯(cuò)同步提升及接入DSP控制分布式逆變系統(tǒng)和隔離性分布式逆變系統(tǒng)的其余的17個(gè)模塊組成。

以隔離性分布式逆變系統(tǒng)為例說明，17個(gè)模塊是由以下模塊按逆變流程描述。

光伏電壓輸入到由LLC轉(zhuǎn)換器和PS全橋電路的直流轉(zhuǎn)換DC/DC，微型處理器模塊控制邏輯轉(zhuǎn)換和門和緩沖模塊，邏輯轉(zhuǎn)換和門和緩沖模塊驅(qū)動(dòng)IGBT/功率場效應(yīng)及柵極驅(qū)動(dòng)模塊、DC/DC直流電壓和電流輸入2-LH橋逆變器AC/DC逆變模塊；微型處理器模塊控制邏輯轉(zhuǎn)換和門和緩沖模塊，邏輯轉(zhuǎn)換和門和緩沖模塊驅(qū)動(dòng)IGBT/功率場效應(yīng)及柵極驅(qū)動(dòng)模塊、交流電壓和電流由微型處理器模塊控制繼電器驅(qū)動(dòng)級(jí)驅(qū)動(dòng)，輸出到交流電網(wǎng)。

控制直流轉(zhuǎn)換DC/DC和AC/DC逆變模塊的管理輸出模塊由自我診斷/監(jiān)控輸入到模擬前端模塊、模擬前端模塊輸入到MCU，計(jì)量模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、靜態(tài)無功伏安系統(tǒng)、數(shù)字處理模塊組成微處理器模塊，微處理器模塊與數(shù)字與信號(hào)隔離1交互，輸出到設(shè)備控制有線接口、USB、PLC、RS-485等控制接口，另一路輸出到WiFi、zigBee等無線傳輸接口，并與碳當(dāng)量模塊及顯示模塊交互通訊，由底層控PLC、RS-232、RS-485、以太網(wǎng)等控制模塊將雙向計(jì)量的碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)發(fā)電能效與碳當(dāng)量計(jì)量上傳能源互聯(lián)網(wǎng)，以供使用。

電能功率為檢測采樣電壓與電流的乘積，電能雙向按電能權(quán)利為買賣兩個(gè)不同方向脈沖數(shù)；光伏發(fā)電的二氧化碳排放為33～50g/kWh，光伏電站通過碳交易每度電可額外收益2.3分[5]，為了獲得碳當(dāng)量的光伏電能的收益，及為能源互聯(lián)提供光伏電能與碳當(dāng)量交易依據(jù)，為了保證該系統(tǒng)的實(shí)施，作者介紹1200V的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2 碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。

2.1 采樣電路設(shè)計(jì)

碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)的采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路[8]。

2.1.1 電壓采樣電路設(shè)計(jì)

INVerter輸出電壓和Power grid電壓均為AC電壓與DC bus的直流電壓。

（1）電網(wǎng)的交流電壓采集電路

如圖2所示，U01、V01為電網(wǎng)電壓起始端，電容C5和串聯(lián)電阻R13及R53并聯(lián)后作為電網(wǎng)電壓的電壓傳感器LV25的輸入，比較電路LM224A左端與LV25的輸出端相連，比較電路LM224A右端與電壓幅值減少的正弦波輸出VAC1相連，正弦波輸出VAC1由交流信號(hào)A/D采集電路送入微型處理器中（如圖3所示）。

圖2 交流電壓采集電路

圖3 交流信號(hào)A/D采集電路

在圖3中的A/D采用電路中，在電阻R3得一端加到+3，3V的上拉電壓，將采集到的交流電壓轉(zhuǎn)換符合為微型處理器要求的正值信號(hào)。

（2）直流母線電壓采集電路

如圖4 所示，DCH 為直流母線電壓，經(jīng)R22，R78和R79組成的分壓電路輸出幅值較低的直流電壓DCH-1，考慮到直流側(cè)電壓為400V左右，并且加在微處理引腳的電壓最高為+3.3V，因此R22和R78的阻值選定為選定為200kΩ，R79的阻值選定為3kΩ。DCH-1經(jīng)過運(yùn)算放大器LM324A和光耦HCN201后，輸入電壓VDCH。VDCH需要經(jīng)過如圖5所示A/D采用電路輸入到微處理器中。

圖4 直流母線電壓采集電路

圖5 直流信號(hào)A/D采樣電路

因?yàn)橹绷餍盘?hào)均為正值，所以直流信號(hào)A/D采樣電路和交流信號(hào)A/D電路采樣電路的區(qū)別在于，直流信號(hào)A/D采樣電路沒有上拉電壓。

2.1.2 電流采樣電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中需要采集電網(wǎng)電流和負(fù)載電，HKC100BR電流傳感器沿電路到Hall1，Hall1輸入到微處理器中。電流傳感器的輸出為Hall1，IAC1經(jīng)A/D采樣電路到微處理器。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

脈沖放大器和光電耦合隔離起驅(qū)動(dòng)電路的作用。本文采用光耦芯片6N137進(jìn)行隔離，它除具有電氣隔離的功能外，內(nèi)部還帶有圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，DCVcc1為15V，Up是輸出幅值為+15V 的PWM信號(hào)。PWM7、PWM8為微型處理器輸出的PWM波，能夠直接實(shí)現(xiàn)隔離驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖7所示。分布式并網(wǎng)逆變器采用的是智能功率模塊IPM（型號(hào)PM50RLA120）。

圖6 電流采集電路

圖7 驅(qū)動(dòng)電路

2.3 鎖相

如圖8所示，逆變器輸出電壓和相位通過過零比較器實(shí)現(xiàn)檢測，具體是采樣外電網(wǎng)電壓輸入比較電路后輸出方波，正弦波交流電的過零點(diǎn)與方波信號(hào)的上升沿或下降沿對(duì)應(yīng)設(shè)置，微處理器對(duì)應(yīng)確定過零點(diǎn)的上升沿或下降沿來確定電壓相位。

圖8 正弦波過零檢測電路波形示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測試樣機(jī)參數(shù)：直流母線電容1980μF，載波頻率19kHz，濾波電感2.9MH，電容1.9μF。樣機(jī)采用單極性調(diào)制，上橋臂加工頻信號(hào)，下橋臂通高頻PWM信號(hào)。T1和T4的驅(qū)動(dòng)波形如圖9所示。

圖9 T1和T4驅(qū)動(dòng)波形

并網(wǎng)后電流波形和鎖相信號(hào)波形如圖10中的CH1和CH2所示。由圖可知，它實(shí)現(xiàn)了電流畸變率小于2%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。測試發(fā)現(xiàn)加入重復(fù)控制在低功率段電流波形質(zhì)量明顯改善。

圖10 并網(wǎng)電流波形和鎖相信號(hào)

4 結(jié)束語

針對(duì)逆變器的能效與計(jì)量供給不足存在的種種問題，提出了一種碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)模型與技術(shù)架構(gòu)，給出了碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)的研究應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)與雙向計(jì)量能效與碳當(dāng)量，并詳述了硬件電路。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳索能源互聯(lián)計(jì)量型分布式逆變系統(tǒng)并網(wǎng)電流畸變率小于2%的設(shè)計(jì)目標(biāo)。測試發(fā)現(xiàn)加入重復(fù)控制在低功率段電流波形質(zhì)量明顯改善。能夠適應(yīng)能源互聯(lián)分布式逆變系統(tǒng)生產(chǎn)的實(shí)際需要，實(shí)用性和適用性較強(qiáng)。