碳索能源互聯計量型分布式逆變系統硬件設計

顧章平

（浙江正泰儀器儀表有限責任公司）

0 引言

隨著國內雙碳進程如火如荼開展，分布式光伏電站、國家縣域光伏電站的建設成為國內學術界、企事業投資和研究的熱點，針對分布式光伏發電站系統生命周期中發電效率下降快、運維工作和運維成本逐年增加、能效測評缺乏體系、投資回報得不到保障、光伏電站市場中的逆變器、儲能系統等關鍵能量轉換設備未納入能效計量體系中，運行效率無法被有效監測，能效計量供給不足，國內沒有可計量的光伏電能與碳當量的計量裝置，形成節能減排和碳交易堵點等問題，國內供電從業人員胡明磊[1]，程禹智[2]，學者李楊，徐志艷對光伏發電并網及電能計量進行了研究與探討[3]，提出多塊單向電表計量光伏發電并網電能的方案（實施成本較高），由于目前光伏變流器控制系統供電方案存在以下問題沒有得到實施應用，在國內經上海正泰電源系統有限公司于2021年7月1日委托上海浦東智產科技服務中心查新[4]，碳索面向能源互聯計量型的分布式逆變系統的研究在國內還是空白，未得到相關研究。

本文作者提出碳索能源互聯計量型分布式逆變系統的研究應用技術架構，并給出技術架構拓撲硬件設計，與現有技術相比較，通過分布式光伏逆變器并網電壓、直流母線電壓、電流采樣、驅動電路鎖相電路等系統該硬件設計，并經實驗驗證，碳索面向能源互聯計量型的分布式逆變系統電流畸變率小于2%設計目標，滿足標準和要求。

1 模型結構與主要單元

針對雙碳進程需求和研究成果的不足，碳索能源互聯計量型分布式逆變系統模型結構，與傳統的分布式逆變系統計量與控制模型相比，進行了以下主要創新，模型的總體結構與主要處理流程如圖1所示。

圖1 碳索能源互聯計量型分布式逆變系統拓撲圖

圖1為碳索能源互聯計量型分布式逆變系統模型的結構，從圖中可以看出該模型分兩種，隔離型分布式逆變系統和非隔離性分布式逆變系統；每種主要包括17個模塊：其流程為光伏電壓輸入，經DC/DC轉換直流，輸入到逆變，AC/DC轉換，經繼電器、繼電器驅動輸出交流到電網的電壓；在DC/DC側隔離式由LLC轉換器，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側非隔離式是由簡單升壓與交錯同步提升及接入DSP控制分布式逆變系統和隔離性分布式逆變系統的其余的17個模塊組成。

以隔離性分布式逆變系統為例說明，17個模塊是由以下模塊按逆變流程描述。

光伏電壓輸入到由LLC轉換器和PS全橋電路的直流轉換DC/DC，微型處理器模塊控制邏輯轉換和門和緩沖模塊，邏輯轉換和門和緩沖模塊驅動IGBT/功率場效應及柵極驅動模塊、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換和門和緩沖模塊，邏輯轉換和門和緩沖模塊驅動IGBT/功率場效應及柵極驅動模塊、交流電壓和電流由微型處理器模塊控制繼電器驅動級驅動，輸出到交流電網。

控制直流轉換DC/DC和AC/DC逆變模塊的管理輸出模塊由自我診斷/監控輸入到模擬前端模塊、模擬前端模塊輸入到MCU，計量模塊、實時時鐘、靜態無功伏安系統、數字處理模塊組成微處理器模塊，微處理器模塊與數字與信號隔離1交互，輸出到設備控制有線接口、USB、PLC、RS-485等控制接口，另一路輸出到WiFi、zigBee等無線傳輸接口，并與碳當量模塊及顯示模塊交互通訊，由底層控PLC、RS-232、RS-485、以太網等控制模塊將雙向計量的碳索能源互聯計量型分布式逆變系統發電能效與碳當量計量上傳能源互聯網，以供使用。

電能功率為檢測采樣電壓與電流的乘積，電能雙向按電能權利為買賣兩個不同方向脈沖數；光伏發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]，為了獲得碳當量的光伏電能的收益，及為能源互聯提供光伏電能與碳當量交易依據，為了保證該系統的實施，作者介紹1200V的系統硬件設計。

2 碳索能源互聯計量型分布式逆變系統硬件設計實現

碳索能源互聯計量型分布式逆變系統硬件設計基于文獻[6]和文獻[7]進行硬件設計。

2.1 采樣電路設計

碳索能源互聯計量型分布式逆變系統的采樣電路包括電壓采樣電路和電流采樣電路[8]。

2.1.1 電壓采樣電路設計

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

（1）電網的交流電壓采集電路

如圖2所示，U01、V01為電網電壓起始端，電容C5和串聯電阻R13及R53并聯后作為電網電壓的電壓傳感器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換符合為微型處理器要求的正值信號。

（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經過運算放大器LM324A和光耦HCN201后，輸入電壓VDCH。VDCH需要經過如圖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A/D采樣電路

因為直流信號均為正值，所以直流信號A/D采樣電路和交流信號A/D電路采樣電路的區別在于，直流信號A/D采樣電路沒有上拉電壓。

2.1.2 電流采樣電路設計

系統中需要采集電網電流和負載電，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A/D采樣電路到微處理器。

2.2 驅動電路設計

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

圖6 電流采集電路

圖7 驅動電路

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現檢測，具體是采樣外電網電壓輸入比較電路后輸出方波，正弦波交流電的過零點與方波信號的上升沿或下降沿對應設置，微處理器對應確定過零點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 實驗結果分析

測試樣機參數：直流母線電容1980μF，載波頻率19kHz，濾波電感2.9MH，電容1.9μF。樣機采用單極性調制，上橋臂加工頻信號，下橋臂通高頻PWM信號。T1和T4的驅動波形如圖9所示。

圖9 T1和T4驅動波形

并網后電流波形和鎖相信號波形如圖10中的CH1和CH2所示。由圖可知，它實現了電流畸變率小于2%的設計目標。測試發現加入重復控制在低功率段電流波形質量明顯改善。

圖10 并網電流波形和鎖相信號

4 結束語

針對逆變器的能效與計量供給不足存在的種種問題，提出了一種碳索能源互聯計量型分布式逆變系統模型與技術架構，給出了碳索能源互聯計量型分布式逆變系統的研究應用技術架構與雙向計量能效與碳當量，并詳述了硬件電路。最終的實驗結果表明，碳索能源互聯計量型分布式逆變系統并網電流畸變率小于2%的設計目標。測試發現加入重復控制在低功率段電流波形質量明顯改善。能夠適應能源互聯分布式逆變系統生產的實際需要，實用性和適用性較強。