CN100424978C - 一种光伏并网逆变方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏并网逆变方法，是一种以数字信号处理器(DSP)为核心的高效率、高可靠性的光伏并网逆变方法。该方法能最大限度地利用太阳能发电，同时功率因数为1，对电网的谐波污染很小。

Description

一种光伏并网逆变方法
技术领域
本发明涉及新能源与高效节能技术领域，具体的说是一种光伏并网逆变装置。
技术背景
在太阳能的光伏应用中，光伏并网(Grid-tied或Grid-connected)发电是太阳能光伏应用的重要发展趋势，已成为光伏应用的主要形式.由于太阳能光伏发电的诸多优点，其研究开发、产业化制造技术及市场开拓已经成为当今世界各国，特别是发达国家激烈竞争的主要热点.目前，光伏并网发电系统在日本、欧洲和美国的应用已经十分普遍，技术和设备相对成熟。
光伏并网发电系统中的核心部件是光伏并网逆变器，它负责将太阳电池产生的直流电转换成和电网电压同频、同相的交流电流，馈送给电网，实现光伏并网发电。该逆变器的可靠性、效率、安全性、可监测性、环境适应性是评价一个光伏并网发电系统性能的关键指标。国内光伏并网逆变器的关键技术及设备主要来自进口，目前几乎没有专业的拥有完全自主知识产权的光伏并网逆变器制造商。
在国内并网光伏发电市场，国外生产的并网光伏逆变器普遍存在价格偏高、人机界面不够友好、安装使用不方便等缺点。国外产品是根据国外电网的频率、电压及线制和用户需求设计的，某些技术指标如频率、电压、线制不能满足国内用户需要。
随着电力电子技术、控制技术以及新能源应用技术的迅速发展，并网发电技术已向高性能、模块化及标准化方向发展。本专利申请单位经过多年潜心研究，采用多项独创软硬件技术，以数字信号处理器(DSP)为核心，以现代多变量控制理论为基础，并结合自学习、自诊断算法及功率寻优等新型算法，设计生产出具有国际先进水平的光伏并网逆变器。
目前，国内的光伏并网逆变器在技术方面存在以下不足：
1、效率较低：一般在额定功率时的系统效率在90％以下，一方面浪费了宝贵的太阳能资源，另一方面增加了系统的发热，增加的散热的难度和成本。
2、可靠性低：国内目前的技术许多采用高频变压器方式，系统拓朴结构复杂，抗电网冲击能力弱，容易出现故障。
3、不适合室外使用：由于系统效率低，必须采用风冷方式进行散热，所以只能安装在室内。使得应用范围受到很大限制。
主要引进国外的技术和设备，技术相对落后，同时无自主知识产权，生产成本相对较高。
发明内容
本发明提出一种以数字信号处理器(DSP)为核心的高效率、高可靠性的光伏并网逆变装置。该装置能最大限度地利用太阳能发电，同时功率因数为1，对电网的谐波污染很小。
本发明的技术方案：
一种光伏并网逆变方法，太阳电池阵列的电流通过直流滤波器的直流滤波后，通过PWM桥式逆变器的逆变为交流，再经电抗器La进行滤波及储存无功分量，再通过隔离变压器的隔离电压和电压等级变换，最后通过交流滤波器进行交流滤波后送入单相220V电网，其特征在于：对太阳电池阵列的端电压进行电压采样，得到的电压信号UD进行A/D转换，对直流滤波器的直流滤波后的电流进行电流采样，得到的电流信号进行A/D转换，并将转换后的信号送给软件保护单元实现太阳电池阵列和逆变器的过压保护，同时转换后的信号参数供给太阳电池最大功率点跟踪算法使用，以确定放电电流指令I*；对逆变后经隔离变压器的电压通过采样电路进行电压采样得到电压信号UA，将电压信号UA送至同步正弦波单元电路处理后生成同步方波信号，将生成的同步方波信号接入DSP的捕捉引脚，使用软件实现交流同步，同时电压信号UA经A/D转换电路进行A/D转换后变为数字信号接入DSP的A/D引脚；对逆变后经隔离变压器的电流通过采样电路进行电流采样得到电流信号IB，电流信号IB通过电流瞬时值检测电路接入DSP的A/D引脚，使用软件算法实现电流内环的电流反馈，另一路送给保护单元，使用软件实现过流保护；将放电电流指令I*与放电电流反馈值If比较后进入放电电流控制器(PID调节器)运算输出网侧电流幅值指令值Im；将网侧电流幅值指令im*与电网同步正弦波、相位指令θ*(θ＝180°)合成形成网侧正弦波指令i*＝im*sin(ωt+θ)；将网侧正弦波指令电流IB*与网侧电流反馈值IB比较得到电流偏差放大系数Ki，采用具有电压前馈的无差拍电流控制原理，并适当选取网侧电压UA的前馈系数Kv，即可进行较为理想的电流跟踪控制，DSP的PWM调制发生单元输出4路脉宽调制(PWM)信号输入至由光耦组成的隔离驱动电路，直接控制IPM模块中的功率管，实现网侧正弦波电流及太阳电池阵列的放电控制。
所述的光伏并网逆变方法，其特征在于：所述的同步正弦波单元电路、流瞬时值检测电路均集成在信号调理接口板上，并由RS485总线接至监控微机。
所述的光伏并网逆变方法，其特征在于：所述的光伏并网逆变方法中整个电路开关均由串接在隔离变压器后的交流路中的继电器控制，继电器由与信号调理接口板相接的继电器驱动电路驱动。
本发明的效果
本发明综合应用了现代电力电子技术、控制技术、通讯技术。以数字信号处理器(DSP)为控制核心，采用空间矢量控制、最大功率寻优，实现了交流电能和直流电能之间最大效率的相互转换。具有高效、高可靠、无谐波污染、可调节电网功率因数等特点。该装置与现有技术相比有以下特点和有益之处：
1、系统的高效率。在额定功率时的效率可达到94％，欧洲效率不低于93％。(欧洲效率计算公式：
ηeup＝0.03η5+0.06η10+0.13η20+0.10η30+0.48η50+0.20η100)
2、实现了网侧并网电流正弦化及单位功率因数，大大降低了装置对电网的谐波污染。
3、逆变器采用全不锈钢全密封设计，防护等级达到IP65。具有直流侧防雷过压保护，适合室外安装使用。
4、完善的保护功能：一是采用工频变压器隔离方式，使得逆变器的可靠性、安全性和过载能力大大提高。二是系统具有孤岛效应保护功能。对安装调试人员和使用人员的人身安全保护，起到关键作用。
附图说明
图1本发明的电路原理示意图。
图2本发明的控制算法结构示意图。
具体实施方式
参见图1、2.
主电路采用PWM DC/AC桥式逆变器拓朴结构，隔离变压器用于隔离电压和电压等级变换；电抗器La的主要作用是滤波及储存电路的无功分量，以实现PWM电流控制；直流滤波器为直流侧二次谐波电流滤波支路；交流滤波器为电网侧末端LC滤波环节，使正弦波并网电流更为平滑；IA、IB、ID为高精度霍尔电流传感器，为DSP提供电流采样信号。充放电主电路功率模块采用IPM模块，该模块集驱动、保护于一体，具有很高的可靠性。ID获取的放电电流与太阳电池阵列的端电压经A/D转换，送给软件保护单元实现太阳电池阵列和逆变器的过压保护，同时该参数供给太阳电池最大功率点跟踪算法使用，以确定放电电流指令I*.网侧电压信号UA由采样电路提供，送给同步正弦波单元电路处理，生成同步方波信号，接入DSP的捕捉引脚，使用软件实现交流同步，同时网侧电压信号UA经A/D转换电路接入DSP的A/D引脚。网侧电流信号由IB获取，通过电流瞬时值检测电路接入DSP的A/D引脚，使用软件算法实现电流内环的电流反馈，另一路送给保护单元，使用软件实现过流保护。工作时将放电电流指令I*与放电电流反馈值If比较后进入放电电流控制器(PID调节器)运算输出网侧电流幅值指令值Im。将网侧电流幅值指令im*与电网同步正弦波、相位指令θ*(θ＝180°)合成形成网侧正弦波指令i*＝im*sin(ωt+θ).将网侧正弦波指令电流IB*与网侧电流反馈值IB比较得到电流偏差放大系数Ki，采用具有电压前馈的无差拍电流控制原理，并适当选取网侧电压UA的前馈系数Kv，即可进行较为理想的电流跟踪控制，并由DSP的PWM调制发生单元输出4路脉宽调制(PWM)信号。PWM发生单元输出的4路PWM信号输入至由光耦组成的隔离驱动电路，直接控制IPM模块中的功率管，实现网侧正弦波电流及太阳电池阵列的放电控制。由于采用了与电网交流同步的PWM控制技术，所以可以并网运行，而且并网运行时，太阳电池产生的直流电能馈给了电网。
采用经过特殊设计的，使用特殊优质材料制作的高效环行变压器。该变压器在额定功率时的效率高达98％左右，欧洲效率不低于96％。从而克服了工频变压器隔离方式在效率方面的不足。太阳电池输入侧采用无防反二极管设计，提高系统效率0.5％以上。采用了高性能的日本三菱公司第五代IPM功率模块，导通压降仅为1.5V。大大降低系统的导通损耗，提高了系统效率。高效率的太阳电池MPPT实时算法：运用优化模糊控制策略，配合预测控制算法，使得太阳电池的MPPT效率高达99％，从而最大限度地利用宝贵的太阳能资源，进一步提高系统的综合效率。在夜间无太阳光时，逆变器完全处于关闭状态，不消耗电网任何电能，实现了夜间零耗电。采用无散热风扇设计，由于逆变器整体效率高，在采用定制的专用高效散热器后，系统内部不使用散热风扇。消除了风扇功率损耗，降低了逆变器运行噪音，进一步提高系统运行效率。独特的变压器散热方式，采用高效导热硅脂和定制的铝材辅件配合，使得系统散热效率提高10％。控制核心采用16位高速DSP芯片，运行速度高达40MHz。能够可靠完成复杂的控制算法和保护功能
采用主动和被动软件方式监测电网的电压和频率的波动，能够及时准确判断电网断电和电网异常，实现反孤岛效应，可靠保护设备和人身安全.
“孤岛效应”指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现象。“孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患，体现在以下两方面：一方面是当检修人员停止电网的供电，并对电力线路和电力设备进行检修时，若并网光伏电站的逆变器仍继续供电，会造成检修人员伤亡事故；另一方面，当因电网故障造成停电时，若并网逆变器仍继续供电，一旦电网恢复供电，电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异，会在这一瞬间产生很大的冲击电流，导致设备损坏。
本发明采用了两种“孤岛效应”检测方法，包括被动式和主动式两种检测方法。被动式检测方法指实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电；主动式检测方法指对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在并网点所产生的谐波电压值，通过计算电网阻抗来进行判断，当电网失电时，会在电网阻抗参数上发生较大变化，从而判断是否出现了电网失电情况。
此外，在并网逆变器检测到电网失电后，会立即停止工作，当电网恢复供电时，并网逆变器并不会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号在一段时间(90秒钟)内完全正常，才重新投入运行。

Claims (3)

1. 一种光伏并网逆变方法，太阳电池阵列的直流电流通过直流滤波器的滤波后，通过PWM桥式逆变电路逆变为交流，再经电抗器(La)进行滤波及储存无功分量，再通过隔离变压器的隔离和电压等级变换，最后通过交流滤波器进行交流滤波后送入单相220V电网，其特征在于：对太阳电池阵列的端电压进行电压采样，对得到的直流电压信号(UD)进行A/D转换，对直流滤波器的直流滤波后的电流进行电流采样，对得到的直流电流信号进行A/D转换，并将转换后的电压信号和电流信号送给软件保护单元实现太阳电池阵列和逆变器的过压保护，同时转换后的电压信号参数和电流信号参数供给太阳电池最大功率点跟踪算法使用，以确定放电电流指令(I*)；对逆变后经隔离变压器的电压通过采样电路进行电压采样得到交流电压信号(UA)，将交流电压信号(UA)送至同步正弦波电网电压单元电路处理后生成同步方波信号，将生成的同步方波信号接入DSP的捕捉引脚，使用软件实现交流同步，同时交流电压信号(UA)经A/D转换后变为数字信号接入DSP的A/D引脚，对逆变后经隔离变压器的电流通过采样电路进行电流采样得到网侧电流反馈值(IB)，网侧电流反馈值(IB)通过电流瞬时值检测电路接入DSP的A/D引脚，实用软件算法实现电流内环的电流反馈，另一路送给保护单元，使用软件实现过流保护；将放电电流指令(I*)与放电电流反馈值(If)比较的结果放入放电电流控制器即PID调节器运算输出网侧电流幅值指令值(Im)；将网侧电流幅值指令(im*)与电网同步正弦波的相位指令(θ*)合成形成网侧正弦波指令i*＝im*sin(ωt+θ)，θ＝180°；将网侧正弦波指令(IB*)与网侧电流反馈值(IB)比较得到电流偏差放大系数(Ki)，采用具有电压前馈的无差拍电流控制原理，并适当选取交流电压信号(UA)的前馈系数(Kv)，即可进行电流跟踪控制，DSP的PWM调制发生单元输出4路脉宽调制PWM信号输入至由光耦组成的隔离驱动电路，直接控制IPM模块中的功率管，实现网侧正弦波电流及太阳电池阵列的放电控制。
2. 根据权利要求1所述的光伏并网逆变方法，其特征在于：所述的同步正弦波电网电压单元电路、电流瞬时值检测电路均集成在信号调理接口板上，并由RS485总线接至监控微机。
3. 根据权利要求1所述的光伏并网逆变方法，其特征在于：所述的光伏并网逆变方法中整个电路开关均由串接在隔离变压器后的交流回路中的继电器控制，继电器由与信号调理接口板相接的继电器驱动电路驱动。
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Owner name: HEFEI SUNGROW POWER SUPPLY CO., LTD.

Free format text: FORMER NAME: HEFEI SUNLIGHT POWER SUPPLY CO., LTD.

CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Lake high tech Development Zone, Hefei Road, Anhui, No. 2, 230088

Patentee after: SUNGROW POWER SUPPLY Co.,Ltd.

Address before: Lake high tech Development Zone, Hefei Road, Anhui, No. 2, 230088

Patentee before: Hefei sunshine power Limited by Share Ltd.

Address after: Lake high tech Development Zone, Hefei Road, Anhui, No. 2, 230088

Patentee after: Hefei sunshine power Limited by Share Ltd.

Address before: Lake high tech Development Zone, Hefei Road, Anhui, No. 2, 230088

Patentee before: Hefei Sungrow Power Supply Co.,Ltd.