CN100492808C - 风能、太阳能发电控制逆变一体电源 - Google Patents

风能、太阳能发电控制逆变一体电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种风能、太阳能发电控制逆变方法及一体电源。具有纯正弦逆变和限压充电的功能；同时，系统具有过压、欠压、过载、过热、短路、反接等完善的保护功能。其结构由充电主电路、逆变主电路、控制电路、检测电路和辅助电源组成。其中充电主电路由风机整流电路、光伏电池防反电路、卸载电路组成。逆变主电路由全桥结构作为拓扑，驱动部分包括卸载驱动和逆变驱动。检测电路包括蓄电池电压检测、交流输出电压检测、电流检测，温度检测和逆变开关信号检测组成，整个系统具有稳定可靠、性能优越和成本低廉的优点。

Description

风能、太阳能发电控制逆变一体电源
技术领域
本发明涉及一种风能、太阳能发电控制逆变一体电源。
背景技术
目前，我国的太阳能、风能发电系统的充电部分主要是直接卸载，即在蓄电池达到一定的过充电压点后，就断开充电电路。这样，如果过充点设置得高，则高电压会对蓄电池造成损伤。如果过充点设置得底，则风能、太阳能得不到充分利用。另外，目前的低成本逆变器输出波形是方波，有很大的谐波，带负载能力很差。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性价比的风能、太阳能发电控制逆变一体电源。具有纯正弦逆变和限压充电的功能。系统可根据蓄电池限压充电的能量需要对充电卸载电路的功率管进行智能脉宽调制控制，对蓄电池进行限压充电，从而实现风能、太阳能的最大利用和有效保护蓄电池。同时，对于逆变部分，本发明采用单片机作为核心控制器件，采用两片半桥驱动芯片对全桥主电路进行非隔离直接驱动，从而以很低的成本实现高性能的正弦波逆变。
本发明的技术方案如下：
风能、太阳能发电控制逆变方法，其特征在于将风力发电机输出的交流电能通过整流电路变成直流电，然后与光伏电池的直流电共同接到蓄电池上进行充电，蓄电池两端接卸载电路.当太阳能、风能超过蓄电池和负载所需的电能时，采用脉宽调制卸载.以确保蓄电池良好的限压充电特性，而不是把能量全部卸载。在逆变部分，通过单片机产生正弦波调制信号和完成各种控制功能，通过两片半桥驱动芯片非隔离驱动全桥逆变主电路。
风能、太阳能发电控制逆变一体电源，其特征在于由充电主电路、全桥逆变电路、控制电路、检测电路和辅助电源组成；充电主电路包括：风力发电机的输出端接入风力发电整流电路，风力发电机的输出整流后的正极既连接到太阳能电池的防反二极管(D7)阴极，又连接到充电主电路的防反二极管(D9)的阳极，且太阳能电池的防反二极管(D7)的阳极连接到太阳能电池板的正极，充电主电路的防反二极管(D9)的阴极连接到蓄电池的正极，蓄电池的负极与风力发电整流电路的输出的负极及太阳能电池板的负极通过空气开关相连；卸载功率管的源极通过空气开关连接到蓄电池的负极，卸载功率管的漏极与卸载电阻相连，卸载电阻的另一端连接到风力发电整流输出的正极；蓄电池的正极、负极接入全桥逆变电路，全桥逆变电路的交流输出接入变压器升压和LC电路滤波后，接用户负载；控制电路包括：采用PIC18F2331单片机作为核心控制芯片，PIC18F2331单片机接入全桥逆变电路的驱动芯片、卸载功率管的驱动芯片；检测电路包括：在蓄电池直流电压采样点接分压电阻后接入PIC18F2331单片机的第一AD转换口，在交流输出电压采样点接入所述的变压器隔离降压后，再接到PIC18F2331单片机的第二AD转换口，在直流母线上串联电阻，电阻检测到的电流经过两个运算放大器，其中一个运算放大器输出信号到PIC18F2331单片机的第三AD转换口，另一个运算放放大器输出接到PIC18F2331单片机的第12脚。
有热敏电阻接入PIC18F2331单片机的第四AD转换口。
采用PIC18F2331单片机作为核心控制芯片，单片机接入IR2110芯片作为全桥逆变电路驱动芯片，接入TLP250芯片作为卸载功率管的驱动芯片，单片机PIC18F2331两组互补的PWM口，分别接入两块驱动芯片IR2110驱动全桥逆变电路的两个逆变桥背。
本发明的内容是采用新颖的充电主电路结构，同时以PIC18F2331单片机作为控制核心，对于逆变部分，由单片机产生正弦脉宽调制信号，通过两片IR2110驱动芯片对全桥主电路进行正弦脉宽调制，然后经过滤波电路生成纯正的正弦波输出。
风力发电机输出的交流电能通过整流电路变成直流电，然后与光伏电池的直流电共同对蓄电池充电。当太阳能、风能超过蓄电池和负载所需的电能时，由卸载功率开关管和卸载电阻组成的卸载电路则会将多余的能量释放掉，以保证蓄电池的限压充电特性。蓄电池的直流电通过全桥电路逆变后变换成供用户负载使用的220V纯正弦波交流电。主电路中的双联空开可对整个系统进行开关控制，同时，在蓄电池反接时，空气开关会因为大电流而立即动作断开，从而避免了蓄电池和电源系统的损坏。
控制核心单片机PIC18F2331根据检测的直流电压、电流、交流反馈电压、温度和逆变开关信号对系统进行智能控制，以确保稳定良好的限压充电和纯正弦波输出。单片机根据检测到的蓄电池电压实时调节卸载信号的占空比，卸载信号通过光耦隔离驱动芯片TLP250对卸载功率管进行占空比调节，以确保蓄电池良好的限压充电特性。
由于蓄电池电压和交流负载波动会引起输出电压的波动，所以，本系统采用变压器将交流输出电压的信号反馈到单片机的AD转换口，单片机会根据采样到的电压信号实时调节SPWM的脉宽，从而确保输出电压的稳定性。辅助电源对控制系统提供24V，12V，5V和隔离的12V电压。
本发明系统具有过压、欠压、过载、过热、短路、反接等完善的保护功能，整个系统具有稳定可靠、性能优越和成本低廉的优点。
附图说明
图1为本发明系统结构框图。
图2为本发明充电主电路结构图。
图3为本发明全桥逆变电路结构图。
图4为本发明控制电路和检测电路结构图。
具体实施方式
参见附图。
1、充电主电路(图1、图2)
风力发电机的输出连接到U、V、W三个端子(如果是单相发电机，则连接到其中两个端子)，风力发电机的输出整流后的正极与太阳能电池的防反二极管D7阴极相连后，再连接到整个充电电路的防反二极管D9的阳极，D9的阴极连接到蓄电池的正极。风力发电机的输出整流后的负极与太阳能电池板的负极相连后，再连接到2极空开的2脚。卸载功率管的源极连接到空开的3脚。空开的3脚和4脚相连，蓄电池的负极接空开的1脚。充电主电路图如图2所示。正常工作时，空开接通，当蓄电池小于其浮充电压点V1时，风力发电机的输出整流后的电能和太阳能全部给蓄电池充电。卸载场效应管Q1不导通，即卸载电路不工作。当蓄电池达到浮充电压点的时候，控制电路就对卸载场效应管进行脉宽调制，使得蓄电池的充电电压不超过浮充电压点，从而确保良好的充电特性。如果蓄电池反接，通过D8、D9和空开将产生强大的短路电流，空开便会立即断开，以保护蓄电池和系统。
2、逆变主电路
逆变主电路的拓扑采用全桥结构。蓄电池的直流电经全桥逆变后变换成正弦脉宽序列，经过变压器升压和LC电路滤波后，变成220纯正弦波交流电供用户负载使用。其中R1是电流检测电阻。吸收电容C3直接连接在逆变全桥的两根母线上。逆变主电路的原理图如图3所示。
3、控制电路
控制电路主要包括核心控制器件PIC18F2331，两片IR2110构成的逆变驱动电路，卸载驱动电路。
其中，PIC18F2331是一款电机控制专用芯片，特别适合作为逆变器的控制芯片。它具有8路AD转换口，特别适合用来进行各种信号的检测采样口。在本系统中，AD口用来检测直流电压，交流电压，负载电流和温度。同时，它具有三路带死区控制的互补PWM输出口，其中一组产生互补的SPWM信号，另一组产生互补的50Hz低频信号。两组信号通过两块驱动芯片IR2110驱动两个逆变桥背，在两组桥背的中点即可产生50Hz的SPWM波形。该SPWM波形经工频变压器隔离放大和滤波后，即是50Hz纯正弦波。卸载驱动电路则采用光耦隔离驱动电路TLP250，TLP250是专用IGBT或MOSFET的驱动芯片，驱动电流可达2A。
4、检测电路
包括直流电压检测电路，交流输出电压反馈电路，负载电流检测电路，温度检测电路和逆变开关检测电路。
直流电压的检测是将直流电压采用电阻分压后送到单片机的一个AD转换口0；交流输出电压通过变压器隔离降压后送到单片机的一个AD转换口1；本设计采用在直流母线上串联电阻检测电流，电阻检测到的电流经过LM358放大后送到单片机的AD转换口2，单片机根据检测的电流判断是否过载。电阻检测的电流信号通过LM358与基准信号比较，如果发生短路，则比较后LM358相应引脚会输出低电平信号，该低电平信号送到单片机后，单片机将关闭逆变。对于温度检测，则采用热敏电阻取样后再送到单片机的一个AD转换口3，温度的变化会引起热敏电阻的阻值变化，从而引起AD转换口3的电压变化。单片机根据检测到的电压判断是否要进行过热保护或恢复过热保护。系统通过检测从逆变开关来的开关信号，决定控制逆变器一体电源中逆变器开关的开启与关断。

Claims (3)

1、风能、太阳能发电控制逆变一体电源，其特征在于由充电主电路、全桥逆变电路、控制电路、检测电路和辅助电源组成；充电主电路包括：风力发电机的输出端接入风力发电整流电路，风力发电机的输出整流后的正极既连接到太阳能电池的防反二极管(D7)阴极，又连接到充电主电路的防反二极管(D9)的阳极，且太阳能电池的防反二极管(D7)的阳极连接到太阳能电池板的正极，充电主电路的防反二极管(D9)的阴极连接到蓄电池的正极，蓄电池的负极与风力发电整流电路的输出的负极及太阳能电池板的负极通过空气开关相连；卸载功率管的源极通过空气开关连接到蓄电池的负极，卸载功率管的漏极与卸载电阻相连，卸载电阻的另一端连接到风力发电整流输出的正极；蓄电池的正极、负极接入全桥逆变电路，全桥逆变电路的交流输出接入变压器升压和LC电路滤波后，接用户负载；控制电路包括：采用PIC18F2331单片机作为核心控制芯片，PIC18F2331单片机接入全桥逆变电路的驱动芯片、卸载功率管的驱动芯片；检测电路包括：在蓄电池直流电压采样点接分压电阻后接入PIC18F2331单片机的第一AD转换口，在交流输出电压采样点接入所述的变压器隔离降压后，再接到PIC18F2331单片机的第二AD转换口，在直流母线上串联电阻，电阻检测到的电流经过两个运算放大器，其中一个运算放大器输出信号到PIC18F2331单片机的第三AD转换口，另一个运算放大器输出接到PIC18F2331单片机的第12脚。
2、根据权利要求1所述的一体电源，其特征在于有热敏电阻接入PIC18F2331单片机的第四AD转换口。
3、权据权利要求1所述的一体电源，其特片在于PIC18F2331单片机接入IR2110芯片作为全桥逆变电路驱动芯片，接入TLP250芯片作为卸载功率管的驱动芯片，单片机PIC18F2331两组互补的PWM口，分别接入两块驱动芯片IR2110驱动全桥逆变电路的两个逆变桥背。
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