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基于IGBT并联技术的250kW光伏并网逆变器.doc

基于IGBT并联技术的250kW光伏并网逆变器

wang立平g
2017-09-26 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于IGBT并联技术的250kW光伏并网逆变器doc》,可适用于战略管理领域

基于IGBT并联技术的kW光伏并网逆变器绿色能源与节能基于IGBT并联技术的kW光伏并网逆变器王宝归周飞童亦斌(北京交通大学新能源研究所北京)摘要:在大功率光伏并网逆变器的设计中由于系统具有电压低和电流大的特点IGBT并联技术受到了广泛重视。文章在深入分析IGBT并联技术的基础上提出了kW光伏并网逆变器的系统设计方案并详细介绍了其主电路参数设计和系统控制方法。实验结果表明该逆变器设计合理、运行可靠具有广阔的应用前景。关键词:串并联并网均流逆变器光伏中图分类号:TMTM文献标识码:A文章编号:kWPVGridconnectedInverterBasedonIGBTsParallelWANGBaoguiZHOUFeiTONGYibinNewandRenewableEnergyResearchInstituteBeijingJiaotongUniversityBeijingChinaAbstract:IGBTsparalleltechnologyiswidelyconcernedinthedesignofhighpowerPVgridconnectedinverterduetoitscharacteristicsoflowvoltageandhighcurrentInthispaperbaseonthoroughanalysisofIGBTsparalleltechnologyakWPVgridconnectedinvertersystemispresentedparametersdesignofmaincircuitandsystemcontrolstrategyarealsointroducedindetailsTheexperimentalresultsshowthattheinverterhasproperdesignandhighoperationreliabilitywhichwillgetawiderapplicationprospectKeywords:seriesparallelgridconnectedcurrentsharinginverterPVphotovoltaic或是电力电子器件直接串并联的方法。针对光伏并网引言逆变系统中电压等级较低电流等级较高的特点本文光伏并网发电系统是光伏发电系统的发展趋势。采用IGBT直接并联的方法以提高逆变器的电流等级光伏并网发电系统的最大优点是不用蓄电池储能因进而提升逆变器的功率等级。而成本较低、系统简单且易于维护。在光伏并网发电系本文首先分析了影响并联IGBT均流效果的主要因统中光伏并网逆变器是其核心部分。目前从几kW到素并提出光伏并网逆变器设计需要遵循的原则。在此几十kW的中小功率光伏并网逆变器已经比较成熟并基础上研制出一个额定功率为kW的光伏并网逆变广泛应用于光伏并网发电系统中。随着光伏发电行业器并搭建了实验平台对其进行了实验测试。实验表的飞速发展如何正确、合理地设计更大功率等级的光明该逆变器设计合理、运行可靠、满足各项设计指标伏并网逆变器已被众多科研单位列为重点研究课题。具有很高的应用和推广价值。受电力电子器件生产制造工艺的限制目前大功率并网逆变器的设计大都采用变流单元多重化串并联IGBT并联运行分析多个IGBT并联使用时由于驱动电路特性、器件特收稿日期:性和电路布局等的影响将引起流过各相中并联IGBT作者简介:王宝归)男(硕士研究生研究方向为大功率并网变流技术。的电流不均衡器件可能由于过流、过热而损坏。基于万方数据基于IGBT并联技术的kW光伏并网逆变器此情况本文对影响并联IGBT均流的主要因素进行了光伏并网逆变器系统的设计深入分析并提出光伏并网逆变器设计时需遵循的原则。目前国内并网型逆变器的研究主要集中于DCDC影响并联IGBT均流的主要因素和DCAC两级能量变换的结构。但由于系统具有个独立的能量变换环节使得整个系统的效率低、体积大、IGBT和反并联二极管静态参数的影响质量大、造价高。基于以上原因本文设计的光伏并网IGBT的饱和压降VCEsat、反并联二极管的正向压降逆变器采用单级结构其系统框图如图所示。该装置Vf主要影响静态均流效果IGBT的跨导Gfs和栅极发射极阈值电压VGEth、反并联二极管的反向恢复特性(反向通过一级能量变换实现了最大功率跟踪和并网逆变个恢复时间trr和反向恢复电荷Qrr等)主要影响动态均流功能提高了系统的效率、减小了系统的体积和质量、效果。降低了系统的造价有利于光伏并网发电系统的推广。IGBT驱动电路参数的影响并联IGBT的门极驱动电压VGE的大小主要影响并联IGBT的静态均流而门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻Rg、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有很大的影响。主电路结构的影响图并网逆变器系统框图主电路的结构会造成线路感抗差异并对并联FigBlockdiagramofgridconnectedinvertersystemIGBT的动态均流产生影响而线路的电阻则影响静态均流。硬件电路采用将IGBT模块、直流支撑电容、吸收电光伏并网逆变器设计时需遵循的原则容、均流电感、驱动单元、控制单元、传感器等主要电模块的选择路器件集成在一个模块内的设计方式。该模块具有功通过选择具有正温度系数并且最好是同一批次生能独立、结构紧凑、便于功率扩展等优点。在此基础上产的IGBT单元可以提高器件参数的一致性实现最佳只需外接断路器、接触器、滤波电感电容、变压器、控的静态均流。制电源、预充电单元、触摸屏、冷却风机等外围电路器共用驱动电路件便可设计出完整的硬件电路系统。IGBT驱动电路参数的合理设计和共用同一驱动电控制电路以TI公司的TMSF芯片为核心同路可以提高IGBT开关速度、减小器件参数分布性的影时使用可编程逻辑器件CPLD辅助控制。控制策略采用响从而改善动态均流的效果。双闭环控制及SVPWM调制方式开关频率为,kHz。对称布局控制系统可以实现最大功率点跟踪和单位功率因数并并联回路中所有的功率回路和驱动回路须保持最网具有功能完善的监控系统能够实时显示和修改系小回路漏感及严格的对称布局模块应尽量靠近并优统的一些重要运行参数并对过压、欠压、过流、超温、化均衡散热以提高并联IGBT的均流效果。孤岛等故障进行分级处理。串联均流电感本文设计的光伏并网逆变器的额定功率为kW交流输出端串联电感可以抑制IGBT和二极管在开三相交流输出线电压为V交流输出相电流为关过程中的电流变化率大大减小由于开关过程的差A为满足三相逆变器在V交流电压下PWM整异造成的电流不均衡均流电感的合理设计可以确保流器工作模式的需要直流环节电压设计为V。并联IGBT的动态均流效果满足设计要求。下面详细介绍光伏并网逆变器的主电路设计与控降额使用制电路设计。即使IGBT模块的选择、共用驱动电路和优化布局IGBT并联电路的设计已达到最佳其静态和动态性能仍然不可能达到理想在IGBT并联电路设计中逆变器三相半桥电路中的均衡。更为重要的是IGBT模块内部的反并联续流二每相半桥电路由个IGBT半桥电路并联构成。逆变器额极管是双极性器件其正向通态压降呈负温度系数因定功率P为kW交流输出线电压U为V则交流此最好对IGBT进行,的降额使用。输出相电流峰值IP为:万方数据基于IGBT并联技术的kW光伏并网逆变器式中:Zb系统基准阻抗U逆变器输出电压P系统额定功率。()可得系统基准阻抗为:ZbΩ()额定功率下流过每个IGBT和续流二极管的电流在滤波电容Cf设计中取系统吸收无功功率与有功峰值为AA开关管两端承受的最高电压为功率的比值β(逆变器中间直流电压VVV×考虑由滤波电容计算公式:的裕量)。()基于上述参数计算本文选用EUPEC公司生产的可得CfμF。其内部包含个半桥、个AFSRKEIGBT模块网侧滤波电感LV的IGBT以便于并联和设计直流母排。在网侧滤波电感L设计中取逆变器侧谐波电流在IGBT并联电路设计中每个IGBT半桥电路的中和网侧谐波电流的比例系数α即流入电网的谐波间引出端通过均流电感并联在一起以提高并联IGBT电流为总谐波电流的。半桥电路的动态均流效果每个IGBT半桥电路两端并由网侧滤波电感计算公式:联一个吸收电容以抑制开关管关断瞬间由于杂散电LααCfω()感引起的电压尖峰。式中:ωπfss开关频率。fIGBT模块的正负端通过复合母排连接到直流支撑可得LμH电容的两极上。选用复合母排不但有助于减小IGBT开直流支撑电容的设计关过程产生的过电压而且还可以降低电磁干扰提高对于V的直流电压考虑到电压波动直流支撑逆变器的电磁兼容EMC性能。电容耐压值设计为V。LCL滤波电路的设计采用SVPWM调制时直流支撑电容的纹波电流逆变器网侧滤波电路采用LCL滤波器的设计方法(Iinh)计算如下:与传统的L滤波器和LC滤波器相比该设计可以降低电感量提高系统动态性能降低成本在保证网侧()高功率因数的同时可以较大程度地削弱电流谐波成分。逆变器侧电感L逆变器侧电感计算公式如下:()()式中:M调制比UP逆变器侧交流输出相电式中:h谐波阶次ωbπfb基波角频率bf压峰值UDC中间直流电压Io逆变器侧交流电网基波频率ih逆变器侧各次谐波电流幅值输出相电流。uh逆变器侧各次谐波电压幅值。根据直流电压动态响应性能的要求在额定容量ih由相应的谐波标准确定在采用空间矢量脉运行情况下当逆变器突加,负载时在电压环PI调(下宽调制SVPWM)uh可以通过对逆变器交流侧输节器调用时间间隔μs内直流电压最大波动应小出相电压进行傅立叶分析得到。于,则计算直流支撑电容值如下:由式可知取值在式最大值处L通过分析式将ihA得出在h处取得最大值h(得:uhV代入式)()LμH滤波电容Cf由系统基准阻抗公式:本文直流支撑电容选用个μFV电容并ZbUP()联每个电容耐纹波电流能力为A。万方数据基于IGBT并联技术的kW光伏并网逆变器均流电感的设计可靠性及逆变器在额定功率条件下运行的稳定性分由于交流侧均流电感量比较小(几μH)因此选别进行了满功率无功与有功并网实验。用在交流母排上套磁环的方法设计均流电感。这种结无功并网实验构设计十分灵活通过增加或减少磁环的数目就可以无功并网实验中不需要晶闸管SCR整流电路方便地改变电感值以适应各种不同的工作条件。本文逆变器与电网之间直接进行能量交换通过对逆变器使用个MAGNETICSKoolMu磁环套在交流母交流侧电流的有功分量进行闭环调节来稳定中间直流排上作为一个交流均流电感。电压。无功并网实验中因不存在SCR整流电路对电网产IGBT驱动电路的设计生的干扰因而测得的总谐波失真THD更接近实际工对于并联工作的IGBT半桥模块为保证其良好的况下的THD。实验电路如图所示。均流效果每相并联IGBT半桥模块共用一块驱动板每块驱动板上有一片CPLD、个SCALE驱动模块和一些辅助电路。CPLD将一组带有死区的PWM输入信号经过处理后变成组PWM信号以驱动个并联IGBT半桥模块。它SCALE模块选用双通道驱动模块CONCEPTSDA具有桥臂短路和过流保护功能保证了驱动电路和图无功并网实验电路图IGBT的运行可靠性。控制电路的设计FigCircuitofreactivepowergridconnectedtest光伏并网逆变器控制电路的主控芯片采用TI公司图为逆变器交流侧三相电流ia、b、c及线电压ubcii生产的TMSF芯片该芯片具有处理速度快、外的实验波形从图中可以看出三相电流相位互差设集成度高、程序存储器大等特点。采用该芯片可以更电流峰值A谐波含量少、其变化曲线明显呈正弦好地实时控制逆变器。波形ib相位超前ubc相位由相电压与线电压相位光伏并网控制主要涉及最大功率点跟踪控制和并

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