一種太陽能光伏逆變發電系統及其運行方法
2023-05-31 09:13:01 2
專利名稱：一種太陽能光伏逆變發電系統及其運行方法
技術領域：
本發明屬於光伏併網發電技術領域，具體涉及一種太陽能光伏逆變發電系統及其運行方法。
背景技術：
隨著人類社會的發展，對能源的消耗也越來越多，當前在世界能源結構中充當主角的是石油。化石能源的使用己經深深滲透到人類社會生活的各個方面，自從20世紀70 年代以來，已經有不少的專家學者和世界能源機構、企業對傳統石能源的儲量和開採年限做出種種估算和預測，得出的結論幾乎是一致的化石能源的耗盡不可避免，例如以目前的技術水平和需要來看，石油、天然氣已經不足百年的開採量。世界上許多國家出於能源戰略考慮，一方面限制化石能源的消費，包括限制本國化石能源的開採而更多的依靠進口，另一方面許多國家已經加強了對新能源尤其是可再生能源技術的支持。太陽能是一種取之不盡，用之不竭的綠色可再生能源，地球所接受到的太陽能，雖只佔太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，但是這些能量相當於全球所需總能量的3-4萬倍，太陽照射到地球上8分鐘的能量就足夠全世界的機器開動一年；加上太陽能是清潔無汙染的能源，沒有汙染物排放，不會對環境和氣候帶來任何的危害，因此被全球能源專家認定為未來21世紀最重要的能源之一。科學家預計到本世紀中葉，太陽能併網發電量將佔全球發電量的15%到20%，那時將超過核電，成為人類普遍的能源之一。關於太陽能併網發電的研究也必將成為21世紀最熱門的科研領域之一，它不僅僅是龐大的市場前景的要求，更是實現人類可持續發展的要求。
發明內容
為克服現有技術的缺點和不足，本發明提出一種太陽能光伏逆變發電系統，可實現對光伏電池板輸出功率的最大功率點追蹤，並且具有完善的併網保護功能，保證系統能夠安全可靠地運行。本發明的另一目的在於提供上述系統的運行方法。本發明通過下述技術方案實現一種太陽能光伏逆變發電系統，包括主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、為系統提供直流電壓的輔助開關電源電路；所述主電路包括依次連接的EMI濾波模塊、開關管驅動保護模塊、BOOST升壓模塊、全橋移相高頻隔離模塊、全橋逆變模塊、輸出濾波模塊、孤島效應保護模塊，所述EMI濾波模塊還連接光伏電池，所述輸出濾波模塊與電網連接；所述開關管驅動保護模塊，包括 MOS管驅動保護模塊和兩組IGBT驅動保護模塊，所述兩組IGBT驅動保護模塊分別與BOOST 升壓模塊和全橋逆變模塊相連接，MOS管驅動保護模塊與全橋移相高頻隔離模塊相連接，孤島效應保護模塊與併網輸出連接；所述DSP控制電路包括DSP數位訊號處理器，以及分別與該數位訊號處理器連接的光伏電池電流採樣模塊、光伏電池電壓採樣模塊、兩組過壓欠壓保護模塊、過流保護模塊、併網電流採樣反饋模塊、併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊；所述光伏電池電流採樣模塊以及光伏電池電壓採樣模塊還與光伏電池連接，兩組過壓欠壓保護模塊還分別與BOOST升壓電路輸出端並聯以及全橋逆變模塊輸入端並聯，過流保護模塊還與全橋逆變模塊輸出端相連，併網電流採樣反饋模塊還與輸出濾波模塊輸出端相連，併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊還與電網連接；
所述ARM控制電路包括ARM數位訊號處理器、IXD顯示模塊、I2C通訊模塊、乙太網通訊模塊、SPI通訊模塊、SCI通訊模塊。 上述DSP數位訊號處理器的A/D接口與光伏電池電流採樣模塊、光伏電池電壓採樣模塊、併網電流採樣反饋模塊以及併網電壓採樣檢測模塊連接，完成採樣的模擬信號轉換為數位訊號；ePWM模塊分別連接IGBT驅動保護模塊、MOS驅動保護模塊；GPIO模塊分別連接過流保護模塊、過壓欠壓保護模塊和孤島效應保護模塊；ECAP模塊分別連接併網頻率採樣檢測模塊；所述ARM數位訊號處理器和DSP數位訊號處理器之間通過SPI通訊模塊連接。上述太陽能光伏逆變發電系統的運行方法，包括下述步驟當光伏電池提供直流電壓輸入時，系統啟動；系統首先進行系統參數初始化 』然後相應檢測模塊對光伏電池輸出電壓和電網電壓及頻率進行檢測，看其是否滿足啟動條件；如果滿足啟動條件則進行Boost升壓模塊軟啟動，否則返回繼續檢測；待Boost升壓至 400V直流電壓時，輸出高頻PWM信號驅動全橋移相模塊，並把電壓穩定在400V;接著根據檢測的信號，啟動併網程序，實現併網電流的軟啟動，後級全橋逆變模塊開始工作；至此，逆變器開始向電網輸送電能，並調用SPI通訊程序向ARM處理器發送數據顯示。在逆變器運行過程中，若DSP數位訊號處理器接收到各保護模塊的中斷信號，則調用相應程序進行判斷是否需要進入中斷，若需要，則調用相應中斷保護程序，啟動相應的保護模塊，停止所有驅動信號的輸出，斷開孤島保護模塊中的併網繼電器，並發送故障信號至ARM 數位訊號處理器顯示，若不是，則繼續向電網供電。本發明專利與現有技術相比，具有如下優點和有益效果本發明專利實現了全數位化的光伏逆變控制，通過DSP數位訊號處理器直接產生 PWM和SPWM信號，並實現最大功率點跟蹤及孤島效應檢測處理，使光伏逆變器具有更好的一致性；本發明專利區別於現有技術的特點是在DC-AC逆變引入波形反饋，不僅極大地降低諧波，改善功率因數，而且可以滿足實時性要求，提高系統動態性能；本發明專利採用數字鎖相環技術同步，較傳統檢測電網電壓過零點同步技術精度高，抗幹擾能力強而且無滯後現象，增強了系統的可靠性；本發明專利的IGBT驅動保護模塊設計中提出了一種新穎的設計方案在實現對控制信號放大和隔離，同時具備對IGBT工作狀態的實時監控和故障處理功能。實驗結果表明，在完成對控制信號隔離放大的同時當IGBT門極驅動信號紊亂或發生IGBT過流時驅動電路能夠有效地切斷控制信號，保護系統穩定運行。
圖1是本發明太陽能光伏逆變發電系統的結構示意框圖；圖2是本發明太陽能光伏逆變發電系統的運行流程示意框圖；圖3是本發明太陽能光伏逆變發電系統的控制策略示意框圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述，但本發明的實施方式不限於此，對於未特別註明的工藝參數，可參照常規技術進行。實施例如圖1所示，本發明太陽能光伏逆變發電系統，包括主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、為系統提供直流電壓的輔助開關電源電路，輔助開關電源電路由高性能固定頻率電流模式控制器UC3843及多繞組的變壓器為核心電路組成，輸入端與光伏電池連接，輸出端由變壓器變壓，經三端穩壓管7815、7915、7805等穩壓後給各種控制晶片和驅動晶片的供電。所述主電路包括依次連接的EMI濾波模塊、開關管驅動保護模塊、BOOST升壓模塊、全橋移相高頻隔離模塊、全橋逆變模塊、輸出濾波模塊、孤島效應保護模塊，所述EMI濾波模塊還連接光伏電池，所述輸出濾波模塊與電網連接；所述開關管驅動保護模塊，包括 MOS管驅動保護模塊和兩組IGBT驅動保護模塊，所述兩組IGBT驅動保護模塊分別與BOOST 升壓模塊和全橋逆變模塊相連接，MOS管驅動保護模塊與全橋移相高頻隔離模塊相連接，孤島效應保護模塊與併網輸出連接； 所述DSP控制電路由DSP控制器(TMS320F2808)與外圍電路構成。主要包括DSP 數位訊號處理器，以及分別與該數位訊號處理器連接的光伏電池電流採樣模塊、光伏電池電壓採樣模塊、兩組過壓欠壓保護模塊、過流保護模塊、併網電流採樣反饋模塊、併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊；所述光伏電池電流採樣模塊以及光伏電池電壓採樣模塊還與光伏電池連接，兩組過壓欠壓保護模塊還分別與BOOST升壓模塊輸出端並聯以及全橋逆變模塊輸入端並聯，過流保護模塊還與全橋逆變模塊輸出端相連，併網電流採樣反饋模塊還與輸出濾波模塊輸出端相連，併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊還與電網連接； 所述ARM控制電路包括ARM數位訊號處理器(LM3S8962處理器)、IXD顯示模塊、 I2C通訊模塊、乙太網通訊模塊、SPI通訊模塊、SCI通訊模塊。IXD顯示模塊實時顯示光伏併網逆變器的相關運行參數，如太陽能板電壓、電網電壓、電網頻率、輸出功率、工作模式、 累計發電量等；I2C通訊模塊包括外部數據存儲和RTC模塊，前者用於保存光伏併網逆變器的發電歷史記錄及運行狀態，後者則為光伏併網逆變器提供時間準；乙太網通訊功能保證用戶能通過乙太網對光伏併網逆變器進行數據讀取和相關操作；SPI通訊模塊負責DSP數位訊號處理器與ARM數位訊號處理器之間的數據通訊，DSP數位訊號處理器向ARM數位訊號處理器發送相關數據和命令標誌位，讓ARM數位訊號處理器進行相應的功能操作，這些運行參數的顯示為全自動循環顯示，無需人工操作；SCI通訊模塊包括RS232通訊，用於近距離數據讀取；RS485通訊，用於遠距離數據讀取；藍牙通訊，方便所研製的光伏併網逆變器與外部PC設備的無線通訊。
所述DSP數位訊號處理器的A/D接口與光伏電池電流採樣模塊、光伏電池電壓採樣模塊、併網電流採樣反饋模塊以及併網電壓採樣檢測模塊連接，完成採樣的模擬信號轉換為數位訊號；ePWM模塊分別連接IGBT驅動保護模塊、MOSFET驅動保護電路；GPIO模塊分別連接過流保護模塊、過壓欠壓保護模塊和孤島效應保護模塊；ECAP模塊分別連接併網頻率採樣檢測電路；所述ARM數位訊號處理器和DSP數位訊號處理器之間通過SPI通訊模塊連接。
PWM模塊輸出1路PWM信號連接控制BOOST升壓電路的IGBT驅動保護模塊，4路 PWM信號連接控制全橋移相高頻隔離電路的MOS驅動保護模塊，以及4路SPWM信號連接控制全橋逆變的IGBT驅動保護模塊；GPIO分別與過流保護模塊、兩組過壓欠壓保護模塊和孤島效應保護模塊連接。DSP數位訊號處理器(TMS320F2808)作為控制的核心，由檢測到的光伏電池的直流電壓和電流用擾動觀察法計算最大功率點，從而得到電流給定值Γ。檢測到的全橋逆變模塊的輸出電流與給定值Γ進行軟體PI運算後，得到調製係數Μ，從而控制 SPWM輸出。檢測到的電網電壓經過過零電壓檢測及施密特觸發電路後，為DSP數位訊號處理器產生PWM波形提供時鐘信號。如圖1。光伏電池電流採樣模塊和光伏電池電壓採樣模塊，它由電流互感器檢測輸出電流，得到採樣信號，通過運放和兩個光藕構成閉合反饋電路實現信號的線性隔離、再經分壓調理成0 3V送到DSP控制器AD轉換通道。光伏電池電壓採樣電路直接與光伏電池相連，其調理電路原理同電流採樣調理電路類似。如圖1。兩個過壓欠壓保護電路(比較器)，該電路在光伏電池輸出電壓的波動時關斷SPWM信號輸出的作用。光伏電池輸出電壓降壓高於設定值或低於設定值時，兩個比較器比較結果做相「與」運算，結果為低電平「0」，光藕導通，輸出端電位被拉低，即DSP數位訊號處理器的I/O 口電平被拉低，DSP數位訊號處理器產生中斷，關斷PffM信號及SPWM信號輸出，並進行故障處理。過壓欠壓檢測保護電路，它主要對全橋逆變模塊的輸入端電壓進行檢測，由分壓電路，比較電路組成，一旦全橋逆變模塊的輸入端電壓過高或過低，比較器輸出端電平產生跳變為低電平，關斷IGBT驅動保護模塊的IRS2113輸出SPWM，從而達到保護 IGBT的作用。如圖1。過流保護電路，它主要對全橋逆變模塊的流過IGBT驅動保護電路的電流進行檢測，由分壓電路、電壓跟隨電路、比較電路組成，一旦流過IGBT驅動保護電路的電流過高，則產生跳變輸出低電平，同樣關斷IGBT驅動保護模塊的IRS2113輸出SPWM，從而達到保護IGBT的作用。如圖1。併網電流採樣反饋模塊，該模塊主要起到電流的採樣反饋作用，以實現閉環控制。該電路中，在電源輸出端採用了電流霍爾傳感器HY 25-Ρ，通過採用適當的電阻元件，使得當交流電流從-6Α-6Α變化時，得到的電壓信號變化範圍是-1. 5V-1. 5V。經過電壓偏移電路調理為0-3V，再經限壓後得到信號⑶RRENT-FBK送給DSP數位訊號處理器，由其進行運算。如圖1。併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊，它採用了霍爾電壓傳感器檢測電壓，通過採用適當的電阻元件，使得當交流電流從-311Α-311Α變化時，得到的電壓信號變化範圍是-1. 5V-1. 5V。經過電壓偏移電路調理為0-3V，再經限壓後得到信號 V0LTAGE-FBK送給DSP數位訊號處理器，由其進行運算，同時將得到的電壓信號通過過零電壓比較器，將正弦波交流信號變為方波交流信號，經過施密特觸發器消除電壓信號在零電位處抖動的影響， 防止了誤觸發，從而為DSP數位訊號處理器提高可靠的時序同步信號。如圖1。所述孤島效應保護模塊採用周期擾動帶正反饋有源頻率漂移法(Active Frequency drift with Positive Feedback，AFDPF)來實現併網的孤島檢測保護。AFDPF 的基本思想是通過給控制信號一個周期性的擾動，來檢測逆變輸出電流頻率的變化。在正常情況下，因電網巨大的平衡作用，擾動對輸出電流頻率的影響不大，但當發生孤島時，系統可以檢測到這個變化，並增加擾動量使電流頻率進一步偏離，直到這個偏離超出併網條件。 控制電路及時關閉連接逆變器輸出端的功率繼電器，從而切斷了電流輸出。如圖1。所述開關管驅動保護模塊主要起到數模隔離以及功率放大作用，分為兩個部分，一部分由兩組四片IR2113與外圍電路構成的高頻驅動單元驅動全橋逆變模塊的 IGBT以及全橋移相模塊的MOSFET ；另一部分由TC426外圍電路構成的高頻驅動單元驅動 BOOST升壓模塊的IGBT。DSP數位訊號處理器輸出PWM信號和SPWM信號經74HC244放大、 光藕TLP250隔離後驅動IRS2113和TC426，從而驅動IGBT和M0SFET。如圖2所示，上述太陽能光伏逆變發電系統的運行方法，可通過下述步驟實現當光伏電池提供直流電壓輸入時，系統啟動；系統首先進行系統參數初始化 』然後相應檢測模塊對光伏電池輸出電壓和電網電壓及頻率進行檢測，看其是否滿足啟動條件；如果滿足啟動條件則進行Boost升壓模塊軟啟動，否則返回繼續檢測；待Boost升壓至 400V直流電壓時，輸出高頻PWM信號驅動全橋移相模塊，並把電壓穩定在400V;接著根據檢測的信號，啟動併網程序，實現併網電流的軟啟動，後級全橋逆變模塊開始工作；至此，逆變器開始向電網輸送電能，並調用SPI通訊程序向ARM處理器發送數據顯示。在逆變器運行過程中，若DSP數位訊號處理器接收到各保護模塊的中斷信號，則調用相應程序進行判斷是否需要進入中斷，若需要，則調用相應中斷保護程序，啟動相應的保護模塊，停止所有驅動信號的輸出，斷開孤島保護模塊中的併網繼電器，並發送故障信號至ARM 數位訊號處理器顯示，若不是，則繼續向電網供電。如圖3。首先，系統採集光伏陣列的輸出電壓和輸出電流，進行MPPT程序運算。此時可得太陽能板輸出功率Ppv。在併網逆變模塊，首先系統檢測電網電壓Ugrid和頻率，用於鎖相環控制。其次，通過Ppv與Ugrid得到併網電流的參考值iref。最後，通過Ugrid、 iref.igrid進行對於逆變器開關管輸出信號的預測算法控制，實現逆變器輸出電流和電網電壓的同頻同相。本發明首次以高速的嵌入式數位訊號處理器DSP TMS320F2808為核心，充分利用 DSP晶片在嵌入式控制方面的優越性能，採用模塊化、可移植的設計方法，通過軟體編程實現最大功率點跟蹤，鎖相環功能，BOOST升壓模塊的PWM信號和全橋逆變模塊的SPWM信號都直接由DSP通過編程方式輸出，最終實現光伏發電系統的全數位化控制，使得光伏系統具有更好的一致性、動態響應性能和可擴展性。本發明專利實現了精確化。充分利用了 DSP嵌入式微處理器的高速運算和數據處理能力，在DC-AC逆變時可以實時計算輸出電壓、電流的有效值，克服了傳統控制器用平均值代替有效值作為輸出反饋造成輸出精度低、動態響應慢的缺點。本發明專利具有高的可靠性。本實施例設計過壓保護電路，光伏電池過壓欠壓保護電路，孤島效應保護電路等一系列保護電路可對系統進行全方位監控保護，有效地保證光伏逆變器的併網運行的安全性和可靠性。本發明專利具有智能化。本實施例通過對光伏當前輸出電壓與電流檢測，系統自動尋優得到當前光伏電池最大輸出功率，實現在時刻變化外界環境下，使光伏電池維持在最大功率點處。在此說明書中，本發明專利已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發明專利的精神和範圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的。 如上所述便可較好地實現本發明。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種太陽能光伏逆變發電系統，其特徵在於包括主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、為系統提供直流電壓的輔助開關電源電路；所述主電路包括依次連接的EMI濾波模塊、開關管驅動保護模塊、BOOST升壓模塊、全橋移相高頻隔離模塊、全橋逆變模塊、輸出濾波模塊、孤島效應保護模塊，所述EMI濾波模塊還連接光伏電池，所述輸出濾波模塊與電網連接；所述開關管驅動保護模塊，包括MOS管驅動保護模塊和兩組IGBT驅動保護模塊，所述兩組IGBT驅動保護模塊分別與BOOST升壓模塊和全橋逆變模塊相連接，MOS管驅動保護模塊與全橋移相高頻隔離模塊相連接，孤島效應保護模塊與併網輸出連接；所述DSP控制電路包括DSP數位訊號處理器，以及分別與該數位訊號處理器連接的光伏電池電流採樣模塊、光伏電池電壓採樣模塊、兩組過壓欠壓保護模塊、過流保護模塊、併網電流採樣反饋模塊、併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊；所述光伏電池電流採樣模塊以及光伏電池電壓採樣模塊還與光伏電池連接，兩組過壓欠壓保護模塊還分別與BOOST升壓模塊輸出端並聯以及全橋逆變模塊輸入端並聯，過流保護模塊還與全橋逆變模塊輸出端相連，併網電流採樣反饋模塊還與輸出濾波模塊輸出端相連，併網電壓採樣檢測模塊以及併網頻率採樣檢測模塊還與電網連接；所述ARM控制電路包括ARM數位訊號處理器、IXD顯示模塊、I2C通訊模塊、乙太網通訊模塊、SPI通訊模塊、SCI通訊模塊。
2.根據權利要求1所述的太陽能光伏逆變發電系統，其特徵在於DSP數位訊號處理器的A/D接口與光伏電池電流採樣模塊、光伏電池電壓採樣模塊、併網電流採樣反饋模塊以及併網電壓採樣檢測模塊連接，完成採樣的模擬信號轉換為數位訊號；ePWM模塊分別連接IGBT驅動保護模塊、MOS驅動保護模塊；GPIO模塊分別連接過流保護模塊、過壓欠壓保護模塊和孤島效應保護模塊；ECAP模塊分別連接併網頻率採樣檢測電路；所述ARM數位訊號處理器和DSP數位訊號處理器之間通過SPI通訊模塊連接。
3.權利要求1所述太陽能光伏逆變發電系統的運行方法，其特徵在於，包括下述步驟(1)當光伏電池提供直流電壓輸入時，系統啟動；系統首先進行系統參數初始化，然後相應檢測模塊對光伏電池輸出電壓和電網電壓及頻率進行檢測，看其是否滿足啟動條件； 如果滿足啟動條件則進行Boost升壓模塊軟啟動，否則返回繼續檢測；待Boost升壓至 400V直流電壓時，輸出高頻PWM信號驅動全橋移相模塊，並把電壓穩定在400V ；接著根據檢測的信號，啟動併網程序，實現併網電流的軟啟動，後級全橋逆變模塊開始工作；至此，逆變器開始向電網輸送電能，並調用SPI通訊程序向ARM數位訊號處理器發送數據顯示；(2)在逆變器運行過程中，若DSP數位訊號處理器接收到各保護模塊的中斷信號，則調用相應程序進行判斷是否需要進入中斷，若需要，則調用相應中斷保護程序，啟動相應的保護模塊，停止所有驅動信號的輸出，斷開孤島保護模塊中的併網繼電器，並發送故障信號至 ARM數位訊號處理器顯示，若不是，則繼續向電網供電。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能光伏逆變發電系統，包括主電路、DSP控制電路、ARM控制電路、輔助開關電源電路。主電路由依次連接的EMI濾波模塊、開關管驅動保護模塊、BOOST升壓模塊、全橋移相高頻隔離模塊、全橋逆變模塊、輸出濾波模塊、孤島效應保護模塊組成；DSP控制電路包括數位訊號處理器、光伏電池輸出直流電流電壓採樣檢測模塊、過壓欠壓保護檢測模塊、過流保護模塊、併網電流採樣反饋模塊、併網電壓及頻率採樣檢測模塊；本發明首次提出以高速的嵌入式數位訊號處理器DSP為核心實現全數位化控制，實現對太陽能電池板輸出功率的最大功率點追蹤(即MPPT)，軟體實現鎖相環控制，具有完善的併網保護功能，保證系統安全可靠地運行。
文檔編號H02J3/38GK102157959SQ20111007883
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者張思章, 張紅衛, 薛家祥, 鍾良文 申請人:華南理工大學