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电源趋势：并网逆变器应用新方案

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1.1 简介：

新能源不间断供电系统是集太阳能、风能、市电、电池储能、柴油发电为一体的多元化不间断供电系统。

2.1 应用领域： 光电屋顶节能建筑、错峰用电较频繁的地区、酒店、写字楼、别墅、居民小区、医院、通讯基站等。

3.1 系统结构

3.1.1 新能源不间断供电系统结构方框图

图 3.1

3.1.2 系统结构方框图主要部件及功能

太阳能：由太阳能电池串联组成，将太阳能转换为直流电能

风能：由风机把机械能转换成直流电能

并网逆变器：由 DC-DC 稳压和 DC-AC 转换成 230Vac 与多台并网逆变器并机使用

双向逆变器：由电池充电器和逆变器组成

柴油发电机：由永磁发电机与双向逆变器组成

4.1 系统工作原理

太阳能、风能、市电、蓄电池、分别通过各自的并网逆变器产生同频同相的交流电并联组成一个小型不间断电网，在市电停电的情况下不影响小型电网的供电。它们输出的电压分别为：太阳能并网逆变器 230VAC 、风能并网逆变器 230VAC 、市电输入的并网逆变器 225VAC 、蓄电池双向逆变器 220VAC 、柴油发电机 225VAC 。当风能、太阳能电量充足时小型不间断电网首选太阳能、风能并网逆变器供电，并将过剩的能量通过双向逆变器向蓄电池储能。当太阳能、风能电量不足时，小型不间断电网选择市电输入的并网逆变器供电。当市电停电时，小型不间断电网只能选择双向逆变器供电，因为柴油发电机平时不工作。此时蓄电池将以往存储的太阳能、风能的能量通过双向逆变器向小型不间断电网释放，保证供电系统不间断。当蓄电池电量不足时，双向逆变器产生报警触发信号给柴油发电机启动，以保证供电系统长期可靠的运行。

5.1 新能源不间断供电系统的优势

新能源不间断供电系统有以下优势：

1 、为用户提供稳定不间断的供电系统，解决停电带来的不便。

2 、通过太阳能、风能发电，节能环保为用户创造经济效益。

3 、覆盖范围广，可面向写字楼、别墅、居民小区、医院、通讯基站等。

5 、模块化架构，根据不同的用电需求配制，安装维护方便。

6 、冗余输出实现多台并联，稳定可靠，单一模块出故障时不影响系统工作。

7 、节能环保符合国家提昌的节能减排要求

6.1 新能源不间断供电系统设计

6.2.1 并网逆变器设计

并网逆变器不但是新能源不间断供电系统的主要部件，而且还是系统的核心，是系统设计的重中之重。

6.2.2 并网逆变器的参数与技术指标

1、最大输入电压 450VDC

2、最小输入电压 150VDC

3、输入启动电压 170VDC

4、 MPPT 电压范围 150 ～ 380VDC

5、最大输入电流 20A

6 、额定输出功率： 3KW

7 、最大输出电流： 13A

8 、额定电网电压： 230Vac

9 、额定电网频率： 50HZ

10 、允许电网电压： 180 ～ 260Vac

11 、允许电网频率： 47 ～ 51.5HZ

12 、电流 THD: 5%

13 、直流电流份量： 0.5%

14 、功率因数： ≧ 0.99

15 、平均效率： 94

16 、孤岛保护：有

17 、通讯方式： RS485

6.2.4 并网逆变器电路拓扑

6.2.5 并网逆变器工作原理

太阳能、风能等 DC 电压通过防反接电路分两路给主电路供电，一路供给 Boost 升压电路，另一路给辅助电源，辅助电源产生各种电压给各个电路工作。当 DSP 上电后首先检测输入电压是否达到启动电压的要求，其次检测电网电压、频率是否正常，在这两个条件满足的情况下启动 Boost 升压电路使母线电压稳定在 385VDC 。在升压母线电压稳定的情况下 DSP 驱动 DC-AC 逆变桥跟踪电网频率与相位，在 20 秒内电网无异常侧闭合继电器与电网并联。与电网并联后，逆变器开始向电网供电，输出功率由小逐渐变大执行 MPPT 最大功率的跟踪。当电网停电时， DSP 通过孤岛检测得知电网异常后将输出关闭并且断开继电器，以保障电网检修人员的安全。（ MPPT 算法参见 6.2. 6 ；频率与相位控制参见 6.2.7 ；孤岛检测参见 6.2.8 ）

6.2.6 MPPT 控制算法

MPPT 最大功率点跟踪的目的是将光伏电池组件产生的最大直流电能及时的尽可能多的提供给负载，提高太阳能电池的利用率。 MPPT 最大功率点跟踪我们采用的是电导增量法公式如下：

由光伏阵列的 P-U 曲线可知 :

1 、当工作点在最大功率点处有 dI/dU=-I/U;

2 、当工作点在最大功率点左边有 dI/dU-I/U;

3 、当工作点在最大功率点右边有 dI/dU>-I/U;

式中 dI 为输入电流的变化量， dU 为输入电压的变化量， I 为输入电流， U 为输入电压 .

MPPT 的实现：当 dI/dU=-I/U 时说明 MPPT 处于最佳功率点， DSP 控制现有的输出电流不变。当 dI/dU-I/U 时， DSP 加大现有的输出电流以获得最佳功率点。当 dI/dU>-I/U 时， DSP 减小现有的输出电流以获得最佳功率点。

6.2.7 频率与相位

电网电压通过差分放大器和比较器后产生与电网同频同相的方波信号送往 DSP 检测。 DSP 通过调节 SPWM 载波频率以跟踪电网频率，通过零点复位正弦表来保持逆变输出与电网相位一致。

6.2.8 孤岛检测

根据国外目前的研究情况，被动检测法是孤岛检测最简易而有效的方法。被动检测法是指当电网停电时逆变器无法带起电网这个庞大的负载，输出电压与频率会随着电网的中断而发生变化，通过检测输出电压与频率判断孤岛是否发生。

6.3.1 双向逆变器的设计

双向逆变器是新能源不间断供电系统的主要部件之一，是由电池充电器与并网逆变器组成。并网逆变器的设计参见 6.2.1

6.3.2 双向逆变器的参数与技术指标

电池充电器：

1、输入电压 180 ～ 260Vac

2、输入功率因数 >0.98

3、恒流充电 20A

4、恒压充电 58V

5、浮充电压 55V

6、通讯方式 : RS485

并网逆变器参数：

1、输入电压 42 ～ 62VDC

2、最大输入电流 65A

3、低压报警触发电压 44VDC

4、低压保护 44VDC

5、过压保护 62VDC

6、额定输出功率： 3KW

7、最大输出电流： 13A

8、额定电网电压： 230Vac

9、额定电网频率： 50HZ

10、允许电网电压： 180 ～ 260Vac

11、允许电网频率： 47 ～ 51.5HZ

12、电流 THD: 5%

13、直流电流份量： 0.5%

14、功率因数： ≧ 0.99

15、平均效率： 94%

16、通讯方式： RS485

6.3.3 双向逆变器技术指标评估

双向逆变器中的并网逆变器无需孤岛保护与 MPPT 相对来说比较容易实现。

6.3.4 双向逆变器电路拓扑

6.3.5 双向逆变器工作原理

电池充电器工作原理：当充电压收到双向逆变器的开机指令时启动， 230Vac 经过输入整流与 PFC 功率因数校正后形成稳定的 385VDC ，经变压器隔离输出再经过整流滤波得到 58VDC 电压给 48V 200AH 蓄电池充电。充电过程分为三个阶段。第一阶段恒流 20A 充电 , 当电池电压慢慢升到 57.6VDC 时进入 58V 恒压充电阶段。在恒压充电阶段检测充电电流小于 2A 时进入第三阶段浮充，是将 58V 充电电压降到 55V 给电池充电 1 小时后关闭充电。

并网逆变器工作原理：当收到失压脱扣器停电触发信号后启动，输出 230Vac 向用户提供不间断电源，当蓄电池电压低于 44V 时发出欠压报警信号触发柴油发电机工作来补充能量并且保证用户供电的稳定。

6.4.1 柴油发电机设计

柴油发电机由永磁电机、柴油机、电启动装置、 48V 蓄电池、双向逆变器组成。

6.4.2 柴油发电机结构方框图