CN101841166A - 一种应用于光伏并网逆变器的双dsp控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法，属太阳能光伏并网发电技术领域，本方案在光伏侧与电网侧各有一片DSP，两个DSP所属控制电路电气隔离，分别实现电网侧与光伏侧的控制，两个DSP采用基于脉冲宽度检测的方式进行通信。本方案将传统的单DSP控制拆分为双DSP控制，实现了被控对象的实时控制与监测，提高了控制精度，同时实现了光伏侧和电网侧的分布式控制，有利于两侧控制程序的模块化设计，简化了控制程序的设计，降低了系统复杂程度、提高了系统可靠性。基于脉冲宽度检测的通信方式具有通信方式简单、易于实现、抗干扰能力强等优点。

Description

一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，特别涉及一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法。
背景技术
太阳能作为取之不尽、用之不竭的新能源，具有非常广阔的应用和发展前景，利用太阳能发电作为解决环境和能源危机的重要途径，正在获得巨大的经济效益和社会效益。
光伏并网逆变器是利用太阳能进行发电的重要工具，随着新能源技术的不断发展，光伏并网逆变器也由传统的两级式集中逆变器向多种拓扑形式和功率等级发展，对于光伏并网逆变器的可靠性、效率和功率密度等具有越来越高的要求。包括美国、欧洲及中国在内的各个国家都出台了关于光伏并网逆变器的强制性安全标准，出于安全性、可靠性等方面考虑，安全标准明确要求光伏并网逆变器的光伏侧与电网侧电气隔离。
由于要求光伏并网逆变器的光伏侧与电网侧电气隔离，而光伏电池侧与电网侧又要同时实现控制、采样以及与故障检测与保护等功能。一般来说，光伏侧要实现光伏电池输出电压及电流的采样、开关管的驱动与控制、开关管电压电流信号检测与过压过流保护等功能，电网侧需要实现电网电压的采样与相位锁定(锁相)、开关管的驱动与控制、开关管电压电流信号检测与过压过流保护、并网电流的检测与控制等功能。传统的控制方案一般采用单片DSP实现所有两侧的功能，且一般将DSP置于光伏电池侧，在这种情况下，电网侧各种信号的隔离采样以及开关管的隔离驱动成为电路设计的难点，尤其是电网电压的采样与锁相，这直接关系到光伏并网逆变器输出电能质量的好坏。工程应用中，一般采用工频采样变压器或者线性光耦实现电网电压的隔离采样，如果采用工频信号变压器，除了体积较大、功耗较大外，还存在相角偏移，精度不高等缺点。而如果采用线性光耦，由于器件单向导通且有死区，故存在成本高、线路复杂、计算困难等缺点。且隔离采样一般会造成采样信号的延时，使得故障信息不能实时传送给控制器，系统不能实时对故障信息做出反应，从而导致系统崩溃。而功率开关管的高频隔离驱动一般采用驱动变压器实现，不仅造成体积过大，而且会引入明显的电磁干扰以及驱动信号的延时与畸变，导致控制效果下降。
中国专利CN1877951A号也提出了一种用于光伏并网装置的双DSP控制电路，该方案具备STATCOM功能。但上述专利只是将两个DSP芯片联合计算，主要解决逆变器工作时无功功率的问题，未能实现电网侧与光伏侧的电气隔离的分布式和实时性控制，也不具备电网侧与光伏侧的通信功能。
发明内容
本发明针对现有技术中单DSP控制方案中存在的不足以及双DSP控制电路无法实现电网侧与光伏侧的电气隔离的分布式和实时性控制、电网侧与光伏侧之间无通信的问题，提出一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法，该方法在光伏侧和电网侧都实现了直接采样和实时控制，保证了控制效果并实现了电网侧与光伏侧的分布式控制，提高了系统可靠性。
为了实现上述发明目的，本发明的应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法，其特征在于：通过分设于电网侧与光伏侧且相互电气隔离两个DSP及其所属控制电路，分别实现对电网侧与光伏侧的控制，两个DSP之间采用基于脉冲宽度检测的方式进行通信。
在本发明的一个实施例中，所述的电网侧控制是指电网侧的DSP及其所属控制电路通过采样电网电压和电流信号以及电网侧各种故障信息信号，通过电网侧的DSP计算，实现电网电压的锁相、电网侧开关管的驱动与控制以及电网侧电路的过压、过流保护控制。
在本发明的一个实施例中，所述的光伏侧的控制是指光伏侧的DSP及其所属控制电路通过采样阳能光伏阵列的电压和电流信号以及光伏侧各种故障信息信号，通过电网侧的DSP计算，实现光伏侧开关管的驱动与控制和太阳能光伏阵列的MPPT及光伏侧电路的过压、过流保护控制。
在本发明的一个实施例中，所述的基于脉冲宽度检测的通信方式是指其中一侧的DSP通过发送脉冲的方式与另一侧的DSP通信，脉冲信号通过光耦实现两侧的隔离，脉冲的宽度信息反映了通信的内容，另一侧的DSP通过计算脉冲的宽度来识别通信内容。
本发明与传统单DSP控制方案以及双DSP控制方案相比，最大不同在于，本发明在光伏侧与电网侧各有一片DSP，光伏侧与电网侧的所有采样与控制由各自的DSP直接实现分布式控制，实现了被控对象的实时控制与监测，保证了控制的精度，降低了系统复杂程度，提高了系统可靠性。本发明通过光伏侧和电网侧的分布式控制，实现了两侧控制程序的模块化设计，简化了控制程序的设计。本发明基于脉冲宽度检测的通信方式具有通信方式简单、易于实现、抗干扰能力强等优点。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明单级式光伏并网逆变器的构成示意图；
图2为本发明并网逆变器的电网电压采样电路图；
图3为本发明并网逆变器的电网侧过电流保护电路图；
图4为本发明并网逆变器的电网侧MOSFET驱动电路图；
图5为本发明并网逆变器的电网侧与光伏侧数据通讯电路图；
图6为本发明单级式光伏并网逆变器的构成框图。
附图标记
10为单级光伏并网发电系统；101为太阳能光伏阵列；102为光伏侧DSP1控制电路；103为漏感能量吸收回馈电路；104为主功率Flyback电路；105为H桥工频逆变电路；105a、105b为光耦驱动电路，105c为电网侧MOSFET驱动电路；106为电网侧滤波电路；107为电网侧DSP2控制电路；uin-太阳能光伏阵列输出电压(光伏并网逆变器输入电压)；iin-太阳能光伏阵列输出电流(光伏并网逆变器输入电流)；uo-电网电压；io-电网电流；C-光伏侧输入电容；T-主电路Flyback电路高频变压器；NP-T的原边绕组；NS-T的副边绕组；S-主电路Flyback电路功率开关管；Do-Flyback电路副边整流二极管；Co-Flyback电路副边滤波电容；D1、D2-逆变电路中晶闸管；S1、S2-逆变电路中功率开关管；PWM_1、PWM_2为光伏侧DSP控制电路输出脉冲，PWM_3、PWM_4、PWM_5、PWM_6为电网侧DSP2控制电路输出脉冲；GS_1、GS_2为逆变电路中功率开关管S1、S2的驱动信号；+3.3V_G-电网侧3.3V辅助电源；+3.3V-光伏侧3.3V辅助电源；+15V_G-电网侧15V辅助电源；SYNC_G-电网侧信号；SYNC-光伏侧信号；IS1、IS2-电网侧采样电流信号；
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例
本发明是一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法，可以应用于两级式光伏并网逆变器也可以应用于单级式光伏并网逆变器，而在单级式光伏并网逆变器中，双DSP控制方案更能体现出其优越性。下面以该控制方案应用于单级式光伏并网发电系统10为例，结合附图，说明该控制方法的具体实施过程。
参见附图1所示的应用本发明双DSP控制方案的光伏并网逆变器的整体示意图，其逆变器采用反激电路为主功率变换电路，H桥电路为逆变电路。整个装置主要由太阳能光伏阵列101，光伏侧DSP控制电路102，漏感能量吸收回馈电路103，主功率Flyback电路104，H桥工频逆变电路105，电网侧滤波电路106，电网侧DSP控制电路107组成。
本发明主要探讨双DSP控制方法的内容，对于光伏并网逆变器中其他电路部分，如太阳能光伏阵列、漏感能量吸收回馈电路、主功率Flyback电路、H桥逆变电路、电网侧滤波电路等电路的拓扑及实施方式，均为现有技术，下面仅参见附图1做简单的描述。
图1中的漏感能量吸收回馈电路103可以有多种拓扑，本发明中所用拓扑为：吸收电路包括二极管和箝位电容，回馈电路为反激电路。
图1中的主功率Flyback电路104包括高频变压器T、主电路Flyback电路功率开关管S、Flyback电路副边整流二极管Do、Flyback电路副边滤波电容Co。
图1中的H桥工频逆变电路105由两个逆变电路中晶闸管D1、D2、两个光耦驱动电路105a、105b、两个逆变电路中功率开关管S1、S2和105c为逆变电路中功率开关管驱动电路构成。
由图1可以看出，漏感能量吸收回馈电路103的输出接高频变压器T的原边绕组NP，高频变压器T的原边绕组NP通过主电路Flyback电路功率开关管S连接于太阳能光伏阵列101的输出端，光伏侧输入电容C并接在太阳能光伏阵列101的输出端。光伏侧DSP1控制电路102输出的一路输出脉冲PWM 1至漏感能量吸收回馈电路103，另一路输出脉冲PWM 2驱动与控制主电路Flyback电路功率开关管S。Flyback电路副边整流二极管Do与Flyback电路副边滤波电容Co串联后并接在高频变压器T的副边绕组NS上。逆变电路中晶闸管D1与逆变电路中功率开关管S1串联后并接在高频变压器T的副边绕组NS上，逆变电路中晶闸管D2与逆变电路中功率开关管S2串联后并接在高频变压器T的副边绕组NS上。逆变电路中晶闸管D1与逆变电路中功率开关管S1之间的公共端和逆变电路中晶闸管D2与逆变电路中功率开关管S2之间的公共端构成H桥工频逆变电路105的输出端。H桥工频逆变电路105的输出端与电网侧滤波电路106的输入端连接。
光伏侧DSP1控制电路102输出四路输出脉冲PWM_3、PWM_4、PWM_5、PWM_6，
输出脉冲PWM_3、PWM_4输入至电网侧MOSFET驱动电路105c，电网侧MOSFET驱动电路105c实施对逆变电路中功率开关管S1、S2的驱动与控制。输出脉冲PWM_5、PWM_6分别通过光耦驱动电路105a、105b实施对逆变电路中晶闸管D1、D2的驱动与控制。
电网侧MOSFET驱动电路105c采用IR4427作为驱动芯片，外围电路比较简单，主要由电阻R1-R8、电容C1、C2构成，参看图4，电阻R1和R3的公共端接驱动芯片IR4427的输入INA脚，电阻R2和R4的公共端接驱动芯片IR4427的输入INB脚，电阻R3和R4另一端接地。电阻R5和R6的一端分别接驱动芯片IR4427的输出OUTA、OUTB脚，电阻R1和R3的公共端输出逆变电路中功率开关管S1的驱动信号GS_1，电阻R2和R4的公共端输出逆变电路中功率开关管S2的驱动信号GS_2，电网侧DSP控制电路给出的脉冲信号PWM_3、PWM_4由电阻R1和R2输入驱动芯片IR4427。驱动芯片IR4427的VDD脚接电网侧15V辅助电源+15V_G，电容C1、C2并联后一端接驱动芯片IR4427的VDD脚，另一端接地。
参看图1，光伏侧DSP控制电路102对太阳能光伏阵列101的输出电压uin和输出电流iin进行采样的，同时光伏侧DSP控制电路102还对光伏侧各种故障信息信号进行采样，结合这些采样信号，经过计算后给出光伏侧主电路Flyback电路功率开关管S的驱动与控制，以及实现太阳能光伏阵列101的漏感能量吸收回馈电路103和光伏侧电路的过压、过流保护功能。
电网侧DSP控制电路107对电网电压uo和电流io进行采样，同时电网侧DSP控制电路107还对电网侧各种故障信息信号进行采样，结合这些采样信号，经过计算后完成电网电压的锁相、给出电网侧逆变电路中功率开关管S1、S2的驱动与控制，以及实现电网侧电路的过压、过流保护功能。
电网侧DSP控制电路107对电网电压uo的采样电路使用的是电阻分压采样电路，具体结构参见图2，电阻分压采样电路由二极管D3、D4、电阻R9-R12、电容C3构成，二极管D3的负极接电网侧3.3V辅助电源+3.3V_G，二极管D3的正极与二极管D4的负极连接，二极管D4的正极接地。电阻R9、R10、R11串联，电阻R9的另一端输入电网电压uo，电阻R11另一端接地。二极管D3、D4的公共端和阻R10和R10的公共端以及电阻R12的一端、电容C3的一端输出采样输出电压，电阻R12的另一端、电容C3的另一端接地。
电网侧DSP控制电路107通过图3所示的电网侧过电流保护电路实现电网侧电路的过流保护。电网侧过电流保护电路包括电阻R13-R18、电容C4、比较器LM393AD/A、比较器LM393AD/B、反相器74HC14/A、反相器74HC14/B，电网侧采样电流信号IS1、IS2分别接比较器LM393AD/A和比较器LM393AD/B一个输入端，电阻R13和R15的公共端接比较器LM393AD/A另一个输入端，电阻R14和R16的公共端接比较器LM393AD/B另一个输入端，电阻R15和R16的另一端接地，电网侧3.3V辅助电源+3.3V_G给比较器LM393AD/A、比较器LM393AD/B供电，比较器LM393AD/A和比较器LM393AD/B的输出端接反相器74HC14/A的输入端，反相器74HC14/A的输出端通过电阻R18接反相器74HC14/B输入端，电容C4一端接反相器74HC14/B输入端，另一端接地。
本发明将传统的单DSP控制方案中的单个DSP拆分为两个DSP，两个DSP所属控制电路电气隔离，分别实现电网侧与光伏侧的控制，两个DSP采用基于脉冲宽度检测的方式进行通信。下面以电网侧向光伏侧发送数据的数据通讯电路为例，来说明DSP采用基于脉冲宽度检测的方式进行通信的实例。
参看图5电网侧与光伏侧数据通讯电路由光耦G、电阻R19-R21、电容C5、反相器74HC14/C、反相器74HC14/D构成，电网侧3.3V辅助电源+3.3V_G通过电阻R19给光偶G供电，反相器74HC14/C的一个输入端与为电网侧DSP2控制电路107的通讯口连接，反相器74HC14/C的输出端接光偶G的一个输入端，光偶G的输出端一端接地，另一端接反相器74HC14/D的输入端，反相器74HC14/D的输出端通过电阻R21与光伏侧DSP1控制电路102的通讯口连接，光伏侧3.3V辅助电源+3.3V通过电阻R20给反相器74HC14/D供电，电容C5一端与电阻R21连接，另一端接地。电网侧DSP2控制电路107给出电网侧通信脉宽信号SYNC_G，该信号通过光耦G、反相器74HC14/D、电阻R21组成的电路转化成光伏侧通信脉宽信号SYNC，输送至光伏侧DSP1控制电路102。该电路实现了两侧信号的隔离通信，脉冲的宽度信息反映了通信的内容，另一侧的DSP通过计算脉冲的宽度来识别通信内容。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法，其特征在于：通过分设于电网侧与光伏侧且相互电气隔离两个DSP及其所属控制电路，分别实现对电网侧与光伏侧的控制，两个DSP之间采用基于脉冲宽度检测的方式进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方法，其特征在于：电网侧的DSP控制是指电网侧的DSP及其所属控制电路通过采样电网电压和电流信号以及电网侧各种故障信息信号，通过电网侧的DSP计算，实现电网电压的锁相、电网侧开关管的驱动与控制以及电网侧电路的过压、过流保护控制。
3.根据权利要求1所述的一种应用于光伏并网逆变器的双多DSP控制方案，其特征在于：光伏侧的DSP控制是指光伏侧的DSP及其所属控制电路通过采样阳能光伏阵列的电压和电流信号以及光伏侧各种故障信息信号，通过电网侧的DSP计算，实现光伏侧开关管的驱动与控制和太阳能光伏阵列的MPPT及光伏侧电路的过压、过流保护控制。
4.根据权利要求1所述的一种应用于光伏并网逆变器的双DSP控制方案，其特征在于：其中一侧的DSP通过发送脉冲的方式与另一侧的DSP通信，脉冲信号通过光耦实现两侧的隔离，脉冲的宽度信息反映了通信的内容，另一侧的DSP通过计算脉冲的宽度来识别通信内容。
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