全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器的製作方法

2023-05-01 07:35:11

專利名稱：全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光伏發電與電氣技術領域，具體涉及一種全數字控制三相太陽能 光伏併網逆變器。
背景技術：
世界能源結構正在發生巨大的變革。以資源有限、汙染嚴重的石化能源為主的能 源結構將逐步轉變為以資源無限，清潔乾淨的可再生能源為主的多樣性，複合型的能源結 構。太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無汙染、不受地域資源限制等優點，正 得到迅速的推廣應用，太陽能光伏發電是太陽能利用的主要形式。隨著太陽能光伏發電應 用的發展，太陽能光伏發電已經不再只是作為偏遠無電地區的能源供應，而是向逐漸取代 常規能源的方向發展。在國外，併網發電逐漸成為太陽能光伏發電的主要應用領域，太陽能光伏發電產 業已經逐漸形成，並持續高速發展。國內太陽能光伏發電應用則剛剛起步，作為太陽能並 網發電系統核心設備的光伏併網逆變器主要依靠進口，雖然國內也有自主的併網逆變器產 品，但存在系統運行不穩定，可靠性低，保護措施不全，容易弓丨起事故，技術水平同國際水平 相比有待於進一步提高和完善的缺點。光伏併網逆變器的研製包含許多關鍵技術，例如主逆變電路拓撲選擇，控制方式、 併網方式等，下面分別對其予以說明主逆變電路拓撲結構隨著電力電子技術的發展，大容量低成本 的 IGBTansulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)模 土夬、 IPMdntelligentPower Module，智能功率模塊)的上市，產生了許多逆變器的拓撲結構，但 用於三相併網逆變器的主要拓撲結構為三相電壓型橋式拓撲。控制器及控制方式在逆變器的控制器選擇上早期採用專用的晶片產生 PWM(Pulse Width Modulation，脈衝寬度調製)信號，然後通過模擬電路來實現驅動和信號 的檢測，控制方式也是傳統的模擬電路控制，其方法簡單、單一；後來DSP(Digital Signal Processing，數位訊號處理)被越來越多的採用，但控制上僅是將模擬的功能數位化實現， 控制結果往往不及單純的模擬控制。併網方式傳統的方法是用模擬電路進行過零點捕獲，然後反饋到控制器去跟蹤 電網電壓的相位，從而實現併網。此種方式在電網電壓畸變、振蕩、不平衡情況下很難實現 同步跟蹤。綜上所述，現有技術中的太陽能光伏併網逆變器主要通過模擬電路或模擬電路功 能數位化實現，其一致性和可靠性差，性能低，導致太陽能不能得到高效利用。

實用新型內容本實用新型提供一種全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，用以解決現有技術 中光伏併網逆變器可靠性低，運行不穩定，保護措施不全的問題，進而提高太陽能的利用效
3率。本實用新型所述技術方案包括一種全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，包括三相橋式逆變單元13、控制單 元12、驅動單元11和信號採集單元10，所述三相橋式逆變單元13通過信號採集單元10與 控制單元12、驅動單元11形成閉環控制系統，其中三相橋式逆變單元13的輸入端與太陽能光伏陣列1的輸出端相連，三相橋式逆變 單元13的輸出端通過三相工頻變壓器6及交流接觸器8與三相電網9連接；所述信號採集單元10採集三相電網9電壓、三相橋式逆變單元13輸出電流、太陽 能光伏陣列1輸出電流和輸出電壓，控制單元12對信號採集單元10採集的電流、電壓信號 進行高速採樣和A/D轉換，當控制單元10檢測到太陽能光伏陣列1的輸出電壓達到設定啟 動電壓，並且三相電網9電壓的幅值和頻率均在正常範圍內時，控制單元10確定三相電網 9電壓的相位信息，並通過驅動單元11發送驅動信號調節三相橋式逆變單元13輸出電壓 的幅值和相位使其和三相電網9電壓的幅值和相位一致後，再發出控制指令將交流接觸器 8閉合，開始併網。進一步地，所述三相橋式逆變單元13的輸出端接三相工頻變壓器6的初級線圈， 三相工頻變壓器6的次級線圈接電磁幹擾濾波器7，電磁幹擾濾波器7的輸出經過三相交流 接觸器8併入三相電網9。進一步地，所述三相橋式逆變單元13包括防反二極體2、解耦電容3、三相逆變橋4 和三相濾波電抗器5，所述太陽能光伏陣列1經過防反二極體2、解耦電容3後輸入三相逆 變橋4後經三相濾波電抗器5輸出。進一步地，所述三相逆變橋4包括三個兩單元的IGBT模塊。進一步地，所述控制單元12包括DSP控制模塊21和CPLD保護模塊22，DSP控制 模塊21產生用於驅動三相逆變橋4的驅動信號，經CPLD保護模塊22發送給驅動單元11， 驅動單元11將CPLD保護模塊22發送的信號經過緩衝、隔離、放大後驅動三相逆變橋4。進一步地，所述驅動單元11在檢測到三相逆變橋4故障後，產生故障信號將其發 送給CPLD保護模塊22，CPLD保護模塊22將所述故障信號發送給DSP控制模塊21，DSP控 制模塊21收到所述故障信號後發出控制命令將交流接觸器8斷開。進一步地，當CPLD保護模塊22檢測到DSP控制模塊21發出的驅動信號有誤時， CPLD保護模塊22 —方面封鎖所述驅動信號，另一方面發送故障信號給DSP控制模塊21， DSP控制模塊21收到所述故障信號後發出控制命令將交流接觸器8斷開。進一步地，所述控制單元12在檢測到電壓、電流、溫度異常或檢測到孤島發生時， 發出控制命令將交流接觸器8斷開。進一步地，所述控制單元10採用基於旋轉坐標變換的鎖相環算法得到三相電網9 電壓的相位和頻率信息。本實用新型有益效果如下1、當三相電網電壓存在諧波畸變、不平衡時，本實用新型的併網電流可有效跟蹤 三相電網電壓正序分量的相位變化，使系統可靠併網運行；2、本實用新型採用SVPWM脈衝生成技術，可提高太陽能光伏陣列直流電壓利用 率，從而提高太陽能的轉化效率；[0025]3、本實用新型採用全數字控制系統，其一致性好、效率高、可靠性高，併網電流諧 波含量小，特別適用於電能質量較差地區的光伏併網發電。

圖1為本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器的結構示意圖；圖2為本實用新型中控制單元的原理圖；圖3為本實用新型中信號採集單元的原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。請參閱圖1，該圖為本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器的結 構示意圖，由圖中可見，本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器包括三相 橋式逆變單元13、控制單元12、驅動單元11和信號採集單元10，三相橋式逆變單元13通過 信號採集單元10與控制單元12、驅動單元11形成閉環控制系統。其中，三相橋式逆變單 元13的輸入端與太陽能光伏陣列1的輸出端相連，三相橋式逆變單元13的輸出端通過三 相工頻變壓器6及交流接觸器8與三相電網9連接。所述三相橋式逆變單元13包括防反二極體2、解耦電容3、三相逆變橋4和三相濾 波電抗器5，太陽能光伏陣列1經過防反二極體2、解耦電容3後輸入三相逆變橋4，三相逆 變橋4包括三個兩單元的IGBT模塊，三相逆變橋4的輸出經過三相濾波電抗器5後，接三 相工頻變壓器6的初級線圈，三相工頻變壓器6的次級線圈接電磁幹擾濾波器(EMI)7，電磁 幹擾濾波器7的輸出經過三相交流接觸器8併入三相電網9。請參閱圖2，該圖為本實用新型中控制單元的原理圖，由圖中可見，所述控制單元 12包括DSP控制模塊21和CPLD (Complex Programmable LogicDevice複雜可編程邏輯器 件)保護模塊22。其中，DSP控制模塊21用於實現數據採集處理、控制保護、算法實現、驅 動外部電路和數據通訊。DSP控制模塊21採用SVPWM脈衝生成技術生成SVPWM調製脈衝， 經CPLD保護模塊22為三相逆變橋4提供驅動信號。CPLD保護模塊22通過硬體描述語言 編程對三相逆變橋4的驅動信號進行封鎖、保護。本實施例中DSP控制模塊21採用TI的 32位定點器件TMS320F2808，它能提供100MIPS，高精度PWM輸出功能，PWM的解析度達到16 位，A/D解析度為12位。進一步地，所述DSP控制模塊21又包括A/D轉換模塊26、SVPWM模塊對、保護模 塊23、控制算法模塊25和通信模塊27。其中，A/D轉換模塊沈用於實現採集到的各電壓、 電流模擬量到數字量的轉換；SVPWM模塊M用於產生驅動三相逆變橋4的脈衝序列信號； 保護模塊23用於實現電壓、頻率超限的保護及過溫等的保護；控制算法模塊25包括最大功 率跟蹤MPPT算法模塊、防孤島效應算法模塊、併網控制算法模塊、基於旋轉坐標變換的鎖 相環算法模塊；通信模塊27用於實現和監控系統的通信。所述驅動單元11用於將CPLD保護模塊22送過來的SVPWM信號經過緩衝、隔離、 放大後驅動三相逆變橋4，驅動單元11還具有低電壓保護、IGBT過流、短路保護功能。本實 施例中驅動單元11採用了瑞士 CONCEPT的SCALE-2雙驅動核2SC0108T。請參閱圖3，該圖為本實用新型中信號採集單元的原理圖，信號採集單元10採集太陽能光伏陣列1輸出電壓和輸出電流，三相電網9電壓、三相橋式逆變單元13輸出電流。 信號的採集全部採用高精度和高線性度的電流型電壓、電流霍爾傳感器，採集的信號經過 濾波、調理電路後直接送入控制單元12的DSP控制模塊21的A/D輸入口，由其內部的A/D 轉換模塊26以IOk的固定頻率完成數據的採樣和轉換。採樣到的三相電網9電壓通過基 於旋轉坐標變換的三相軟體鎖相算法得到三相電網電壓的正序分量相位，經過控制算法模 塊25使輸出併網電流跟蹤三相電網電壓的相位和頻率，實現單位功率因數。工作時，信號採集單元10採集三相電網9電壓、三相橋式逆變單元13輸出電流、 太陽能光伏陣列1輸出電流和輸出電壓，採集到的電壓和電流信號經過濾波、調理電路後 直接送入控制單元12的DSP控制模塊21的A/D輸入口，控制單元12的DSP控制模塊21 對信號採集單元10採集的電流、電壓信號進行高速採樣和A/D轉換，當DSP控制模塊21檢 測到太陽能光伏陣列1的輸出電壓達到設定啟動電壓時，DSP控制模塊21將採樣到的三相 電網9電壓進行基於旋轉坐標變換的三相軟體鎖相算法計算，得到三相電網9電壓的相位 和頻率信息，若三相電網9電壓的幅值和頻率均在正常範圍內，DSP控制模塊21通過CPLD 保護模塊22向驅動單元11發送驅動信號調節三相橋式逆變單元13輸出電壓的幅值和相 位使其和三相電網9電壓的幅值和相位一致，這樣當交流接觸器8閉合併網時可降低系統 的併網衝擊電流，在三相橋式逆變單元13輸出電壓的幅值、相位和三相電網9電壓的幅值、 相位一致後，DSP控制模塊21發出控制指令將交流接觸器8閉合，開始併網。本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器具有過載、短路、過熱及 反孤島保護功能，在本實用新型工作過程中，如果控制單元12檢測到電壓、電流、溫度異常 或檢測到孤島發生，就發出控制命令將交流接觸器8斷開。所述驅動單元11在檢測到三相 逆變橋4故障後，產生故障信號並將該故障信號通過CPLD保護模塊22發送給DSP控制模 塊21，DSP控制模塊21收到所述故障信號後發出控制命令將交流接觸器8斷開。當CPLD 保護模塊22檢測到DSP控制模塊21發出的驅動信號有誤時，CPLD保護模塊22 —方面封 鎖所述驅動信號，另一方面發送故障信號給DSP控制模塊21，DSP控制模塊21收到所述故 障信號後發出控制命令將交流接觸器8斷開。本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器的併網控制算法描述如 下本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器的併網控制由內外兩個 控制環路組成外部為MPPT控制環，根據太陽輻照強度、溫度等環境變化來調節光伏陣列 運行點以使陣列輸出最大功率。內部為三相橋式逆變單元13輸出電流控制環，該環由PI 控制器構成。首先，DSP控制模塊21利用採樣到的三相電網電壓ea、eb、e。經過基於同步旋 轉坐標變換的軟體鎖相環算法算出三相電網電壓的相位角和頻率。然後DSP控制模塊21 再將採樣到的三相逆變輸出電流ia、ib、i。經過同步旋轉坐標系d、q變換，得到直流電流反 饋信號id、、(分別對應有功電流反饋量和無功電流反饋量)，id>iq與指令電流比較後經過 PI控制器調節生成三相橋式逆變單元13控制指令。由於併網逆變器需要控制為單位功率 因數運行，因此，讓i,儘量趨近於0，消除電流中的無功分量，而有功電流的指令由MPPT控 制器給出，讓id去跟蹤最大功率跟蹤輸出的指令信號。DSP控制模塊21參照控制指令通過 控制算法生成SVPWM脈衝調製波以驅動三相逆變橋4。考慮到目前應用光伏併網發電的地方多存在電壓畸變嚴重、三相不平衡的情況，本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器利用基於旋轉坐標變換的軟體鎖 相環算法可有效跟蹤三相電網電壓正序分量的相位變化，使系統可靠併網運行；另外本實 用新型採用SVPWM脈衝生成技術，可提高光伏陣列直流電壓利用率，從而提高太陽能的轉 化效率；本實用新型所述全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器採用全數字控制系統，一 致性好，效率高、可靠性高，併網電流諧波含量小，特別適用於電能質量較差地區的光伏並 網發電。 顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變型而不脫離本實用 新型的精神和範圍。這樣，倘若本實用新型的這些修改和變型屬於本實用新型權利要求及 其等同技術的範圍之內，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求1.一種全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，包括三相橋式逆變單元 (13)、控制單元(12)、驅動單元(11)和信號採集單元(10)，所述三相橋式逆變單元(13)通 過信號採集單元(10)與控制單元(12)、驅動單元(11)形成閉環控制系統，其中三相橋式逆變單元(1 的輸入端與太陽能光伏陣列(1)的輸出端相連，三相橋式逆變 單元(13)的輸出端通過三相工頻變壓器(6)及交流接觸器⑶與三相電網(9)連接；所述信號採集單元(10)採集三相電網(9)電壓、三相橋式逆變單元(1 輸出電流、太 陽能光伏陣列(1)輸出電流和輸出電壓，控制單元(12)對信號採集單元(10)採集的電流、 電壓信號進行高速採樣和A/D轉換，當控制單元(10)檢測到太陽能光伏陣列(1)的輸出電 壓達到設定啟動電壓，並且三相電網(9)電壓的幅值和頻率均在正常範圍內時，控制單元 (10)確定三相電網(9)電壓的相位信息，再通過驅動單元(11)發送驅動信號調節三相橋式 逆變單元(1 輸出電壓的幅值和相位使其和三相電網(9)電壓的幅值和相位一致後，發出 控制指令將交流接觸器(8)閉合，開始併網。
2.如權利要求1所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，所述三 相橋式逆變單元(1 的輸出端接三相工頻變壓器(6)的初級線圈，三相工頻變壓器(6)的 次級線圈接電磁幹擾濾波器(7)，電磁幹擾濾波器(7)的輸出經過三相交流接觸器(8)併入 三相電網(9)。
3.如權利要求1所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，所述三 相橋式逆變單元(13)包括防反二極體O)、解耦電容(3)、三相逆變橋(4)和三相濾波電抗 器(5)，所述太陽能光伏陣列⑴經過防反二極體(2)、解耦電容(3)後輸入三相逆變橋⑷ 後經三相濾波電抗器( 輸出。
4.如權利要求3所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，所述三 相逆變橋(4)包括三個兩單元的IGBT模塊。
5.如權利要求3所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，所述控 制單元(12)包括DSP控制模塊(21)和CPLD保護模塊(22)，DSP控制模塊(21)採用SVPWM 脈衝生成技術產生用於驅動三相逆變橋(4)的驅動信號，經CPLD保護模塊0 發送給驅 動單元(11)，驅動單元(11)將CPLD保護模塊0 發送的信號經過緩衝、隔離、放大後驅動 三相逆變橋(4)。
6.如權利要求5所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，所述驅 動單元(11)在檢測到三相逆變橋(4)故障後，產生故障信號將其發送給CPLD保護模塊 (22)，CPLD保護模塊(22)將所述故障信號發送給DSP控制模塊(21)，DSP控制模塊(21) 收到所述故障信號後發出控制命令將交流接觸器(8)斷開。
7.如權利要求5所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，當CPLD 保護模塊0 檢測到DSP控制模塊發出的驅動信號有誤時，CPLD保護模塊02) — 方面封鎖所述驅動信號，另一方面發送故障信號給DSP控制模塊01)，DSP控制模塊 收到所述故障信號後發出控制命令將交流接觸器(8)斷開。
8.如權利要求1所述的全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，其特徵在於，所述控 制單元(10)採用基於旋轉坐標變換的鎖相環算法得到三相電網(9)電壓的相位和頻率信 肩、ο
專利摘要本實用新型公開了一種全數字控制三相太陽能光伏併網逆變器，包括三相橋式逆變單元、控制單元、驅動單元和信號採集單元，三相橋式逆變單元通過信號採集單元與控制單元、驅動單元形成閉環控制系統。其中，三相橋式逆變單元的輸入端與太陽能光伏陣列的輸出端相連，三相橋式逆變單元的輸出端通過三相工頻變壓器及交流接觸器與三相電網連接。本實用新型效率高、可靠性高，併網電流諧波含量小，特別適用於電能質量較差地區的光伏併網發電。
文檔編號H02J3/38GK201846091SQ201020291059
公開日2011年5月25日 申請日期2010年8月13日 優先權日2010年8月13日
發明者王傳豹, 王學禮, 王芳, 趙國柱, 陸成海 申請人:煙臺東方電子玉麟電氣有限公司