CN101924376A - 太阳能发电并网控制系统 - Google Patents

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何婧初
赵剑飞
王景霄
张永鑫
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Abstract

一种太阳能利用技术领域的太阳能发电并网控制系统，包括：升压模块和逆变模块，升压模块将低压直流信号转换为高电压直流信号并输出至逆变模块相连并输出直流升压电压信号，逆变模块将直流升压电压信号转换为工频可并网交流信号并输出至三相电网。本发明实现了小功率太阳能发电可靠并网，具有并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响，系统搭载最大功率点跟踪模块，可以根据日照、温度的变化调节输出，使之达到功率最大。

Description

太阳能发电并网控制系统
技术领域
本发明涉及的是一种太阳能发电技术领域的装置，具体是一种输出功率在10KW的太阳能发电并网控制系统。
背景技术
随着世界能源危机不断加重，新能源的开发利用越来越受到重视，太阳能发电作为绿色环保的可再生能源，其并网系统及其并网方法具有很高的研究意义和市场价值。
所述并网系统通过电力电子器件，将不稳定、低电压的太阳能光伏发电输出转化成稳定、恒频、恒压的并网交流电，以实现太阳能光伏发电与现有电网联接、输送的目的。
目前传统的控制器主要的技术问题和缺点是，组件独立设计不具备并网运行；控制器采用有级方式控制太阳电池方针；不具备全数字化DSP技术、数字同步锁相技术、最大功率点跟踪技术(MPPT：Maximum Power Point Trace)、反孤岛运行技术、系统集中管理及远程监控技术、系统组件最优化仿真技术。
经对现有文献进行检索，中国发明专利申请号200610028321.8，名称为：太阳能并网发电能量输出最大化电路结构，该装置由太阳能电池组、基本逆变单元、软连接器和控制器，构成多电平级联式逆变拓扑结构，通过控制器对四个开关器件通断时间的控制，使系统最大限度达到能量输出最大化。该系统通过拓扑结构达到输出最大化，不能实时根据光强变化改变输出，在实际应用中存在限制。
中国发明专利申请号201010112321.2，名称为：太阳能三相并网逆变器，该装置由三电平桥式并网逆变器和LC滤波器连接组成，该装置解决了降低输出电压共模成分的问题，但是依然存在缺少最大输出点控制模块，能源利用率低，综合成本高的缺点，并网损耗大、效率低，不符合工程实际。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种太阳能发电并网控制系统，实现了10KW太阳能发电可靠并网，具有并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响，系统搭载最大功率点跟踪模块，可以根据日照、温度的变化调节输出，使之达到功率最大。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：升压模块和逆变模块，其中：升压模块将低压直流信号转换为高电压直流信号并输出至逆变模块相连并输出直流升压电压信号，逆变模块将直流升压电压信号转换为工频可并网交流信号并输出至三相电网。
所述的升压模块包括：开关直流升压子模块和最大功率点跟踪控制子模块，其中：开关直流升压子模块分别与太阳能光伏电池板、最大功率点跟踪控制子模块以及逆变模块相连并接收低电压直流信号、升压状态信号和直流升压电压信号，最大功率点跟踪控制子模块与太阳能光伏电池板相连接构成负反馈回路并采用脉冲宽度调制控制太阳能光伏电池板的输出电压。
所述的最大功率点跟踪控制子模块内置含数字信号处理器的直流-直流转换器、电压电流检测电路和驱动电路，该最大功率点跟踪控制子模块根据开关直流升压子模块对太阳能电池板输出的低压直流信号后输出的升压状态信号，通过更新最大功率点跟踪控制子模块输出至太阳能光伏电池板的脉冲宽度调制信号的占空比实现对太阳能光伏电池板的输出电压的调整。
所述的逆变模块包括：智能功率子模块和电压空间矢量脉宽调制控制子模块，其中：智能功率子模块与升压模块相连传输高电压直流信号，电压空间矢量脉宽调制控制子模块与智能功率子模块相连传输采样电流电压信息和脉宽控制信号，智能功率子模块输出工频可并网交流信号。
所述的智能功率子模块是由六个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)封装组成的三相全桥逆变器。
所述的电压空间矢量脉宽调制控制子模块根据采样电流电压信息判断当太阳能光伏电池板并未工作于最大功率点时则电压空间矢量脉宽调制控制子模块输出脉宽控制信号确定改变方向，实现始终令太阳能光伏电池板的工作点向最大功率点处移动直至趋于稳定。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：系统与电网并联运行由于采用频率变换装置进行输出控制，因此并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响；通过IGBT直流斩波升压，IPM模块逆变，控制系统可以实现太阳能光伏发电可靠并网。直流斩波采用经典的Boost电路，输入电流连续，驱动简单；逆变装置采用MCU控制的SVPWM逆变，效率高，谐波分量少，控制简单。最大功率点跟踪控制可以使系统根据日照光强的变化，始终工作在最大功率输出点附近，有效利用太阳能，降低系统综合成本。通过实验验证，经过上述变换后，输出信号的相位、谐波、功率因数、动态响应等均满足设计要求，并网效率高、输出电能质量好、最大功率点跟踪稳定，是太阳能光伏发电并网的理想平台。
附图说明
图1是系统结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：升压模块和逆变模块，其中：升压模块将低压直流信号转换为高电压直流信号并输出至逆变模块相连并输出直流升压电压信号，逆变模块将直流升压电压信号转换为工频可并网交流信号。
所述的升压模块包括：开关直流升压子模块和最大功率点跟踪控制子模块，其中：开关直流升压子模块分别与太阳能光伏电池板、最大功率点跟踪控制子模块以及逆变模块相连并接收低电压直流信号、升压状态信号和直流升压电压信号，最大功率点跟踪控制子模块与太阳能光伏电池板相连接构成负反馈回路并采用脉冲宽度调制控制太阳能光伏电池板的输出电压。
所述的最大功率点跟踪控制子模块内置含数字信号处理器的直流-直流转换器、电压电流检测电路和驱动电路，该最大功率点跟踪控制子模块根据开关直流升压子模块对太阳能电池板输出的低压直流信号后输出的升压状态信号，通过更新最大功率点跟踪控制子模块输出至太阳能光伏电池板的脉冲宽度调制信号的占空比实现对太阳能光伏电池板的输出电压的调整。
本实施例中开关直流升压子模块采用的是直流升压斩波电路，其中：直流电感器选择标称值为2.5mH，最大电流为DC28A；直流电容器选择两个直流电容器串联，单个电容标称值为2200μF，耐压DC450V，构成的电容组耐压为DC900V，总容量为1100μF；IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是CM100DY-24A型。
本实施例中最大功率点跟踪控制子模块，采用扰动观察法完成对IGBT的控制。通过测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续使用原扰动。如果减小则改变原扰动方向。
所述的逆变模块包括：智能功率子模块和电压空间矢量脉宽调制控制子模块，其中：智能功率子模块与升压模块相连传输高电压直流信号，电压空间矢量脉宽调制控制子模块与智能功率子模块相连传输采样电流电压信息和脉宽控制信号，智能功率子模块输出工频可并网交流信号。
所述的智能功率子模块是由六个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)封装组成的三相全桥逆变器，本实施例中采用的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是CM100DY-24A型。
本实施例中智能功率子模块采用的是PM75RLA120，电压空间矢量脉宽调制控制子模块采用的是SH7047系列HD64F7047F50型RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)微处理器。
所述的电压空间矢量脉宽调制控制子模块根据采样电流电压信息判断当前太阳能光伏电池板的工作状态，当太阳能光伏电池板未工作于最大功率点时则电压空间矢量脉宽调制控制子模块输出脉宽控制信号确定改变方向，实现始终令太阳能光伏电池板的工作点向最大功率点处移动直至趋于稳定。
本实施例升压模块中输入为DC200～650V，输出电压为DC750V，通过采集输入直流电压值来调整IGBT的关断时间Toff和周期T的比例，可以得到750V直流输出电压。
逆变模块中智能功率子模块的耐压值可以根据交流线电压峰值来确定：
U = K u × 2 × U uv
其中：UUV是额定输出交流线电压有效值，取380V；Ku是IPM耐压的安全裕量，取值为1.5～3，当Ku取2时，U＝1074.8V。
逆变模块中智能功率子模块的耐流值可以根据IPM交流侧电流来确定：
I = K i × 2 × i φ
其中：iφ是额定输出交流相电流有效值，取15.5A；Ki是IPM耐流的安全裕量，取2，即两倍过载情况，I＝43.8A。
本实施例通过电力电子变换变换，使输出功率因数接近于1，电压电流谐波分量少，电压电流同相位，工作效率高。其并网输出不污染电网，电能质量高，是太阳能光伏发电并网的理想平台。

Claims (6)

1.一种太阳能发电并网控制系统，包括：升压模块和逆变模块，其中：升压模块将低压直流信号转换为高电压直流信号并输出至逆变模块相连并输出直流升压电压信号，逆变模块将直流升压电压信号转换为工频可并网交流信号并输出至三相电网，其特征在于：
所述的升压模块包括：开关直流升压子模块和最大功率点跟踪控制子模块，其中：开关直流升压子模块分别与太阳能光伏电池板、最大功率点跟踪控制子模块以及逆变模块相连并接收低电压直流信号、升压状态信号和直流升压电压信号，最大功率点跟踪控制子模块与太阳能光伏电池板相连接构成负反馈回路并采用脉冲宽度调制控制太阳能光伏电池板的输出电压；
所述的逆变模块包括：智能功率子模块和电压空间矢量脉宽调制控制子模块，其中：智能功率子模块与升压模块相连传输高电压直流信号，电压空间矢量脉宽调制控制子模块与智能功率子模块相连传输采样电流电压信息和脉宽控制信号，智能功率子模块输出工频可并网交流信号。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电并网控制系统，其特征是，所述的最大功率点跟踪控制子模块内置含数字信号处理器的直流-直流转换器、电压电流检测电路和驱动电路，该最大功率点跟踪控制子模块根据开关直流升压子模块对太阳能电池板输出的低压直流信号后输出的升压状态信号，通过更新最大功率点跟踪控制子模块输出至太阳能光伏电池板的脉冲宽度调制信号的占空比实现对太阳能光伏电池板的输出电压的调整。
3.根据权利要求1所述的太阳能发电并网控制系统，其特征是，所述的开关直流升压子模块采用的是直流升压斩波电路，其中：直流电感器选择标称值为2.5mH，最大电流为DC28A；直流电容器选择两个直流电容器串联，单个电容标称值为2200μF，耐压DC450V，构成的电容组耐压为DC900V，总容量为1100μF。
4.根据权利要求2所述的太阳能发电并网控制系统，其特征是，所述对太阳能光伏电池板的输出电压的调整是指：最大功率点跟踪控制子模块采用扰动观察法生成脉冲宽度调制信号。
5.根据权利要求1所述的太阳能发电并网控制系统，其特征是，所述的智能功率子模块是由六个绝缘栅双极型晶体管封装组成的三相全桥逆变器。
6.根据权利要求1所述的太阳能发电并网控制系统，其特征是，所述的电压空间矢量脉宽调制控制子模块根据采样电流电压信息判断当前太阳能光伏电池板的工作状态，当太阳能光伏电池板未工作于最大功率点时则电压空间矢量脉宽调制控制子模块输出脉宽控制信号确定改变方向，实现始终令太阳能光伏电池板的工作点向最大功率点处移动直至趋于稳定。
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