CN102157959B - 一种太阳能光伏逆变发电系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光伏逆变发电系统，包括主电路、DSP控制电路、ARM控制电路、辅助开关电源电路。主电路由依次连接的EMI滤波模块、开关管驱动保护模块、BOOST升压模块、全桥移相高频隔离模块、全桥逆变模块、输出滤波模块、孤岛效应保护模块组成；DSP控制电路包括数字信号处理器、光伏电池输出直流电流电压采样检测模块、过压欠压保护检测模块、过流保护模块、并网电流采样反馈模块、并网电压及频率采样检测模块；本发明首次提出以高速的嵌入式数字信号处理器DSP为核心实现全数字化控制，实现对太阳能电池板输出功率的最大功率点追踪(即MPPT)，软件实现锁相环控制，具有完善的并网保护功能，保证系统安全可靠地运行。

Description

一种太阳能光伏逆变发电系统及其运行方法

技术领域

本发明属于光伏并网发电技术领域，具体涉及一种太阳能光伏逆变发电系统及其运行方法。

背景技术

随着人类社会的发展，对能源的消耗也越来越多，当前在世界能源结构中充当主角的是石油。化石能源的使用己经深深渗透到人类社会生活的各个方面，自从20世纪70年代以来，已经有不少的专家学者和世界能源机构、企业对传统石能源的储量和开采年限做出种种估算和预测，得出的结论几乎是一致的：化石能源的耗尽不可避免，例如以目前的技术水平和需要来看，石油、天然气已经不足百年的开采量。世界上许多国家出于能源战略考虑，一方面限制化石能源的消费，包括限制本国化石能源的开采而更多的依靠进口，另一方面许多国家已经加强了对新能源尤其是可再生能源技术的支持。

太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色可再生能源，地球所接受到的太阳能，虽只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右，但是这些能量相当于全球所需总能量的3-4万倍，太阳照射到地球上8分钟的能量就足够全世界的机器开动一年；加上太阳能是清洁无污染的能源，没有污染物排放，不会对环境和气候带来任何的危害，因此被全球能源专家认定为未来21世纪最重要的能源之一。科学家预计到本世纪中叶，太阳能并网发电量将占全球发电量的15％到20％，那时将超过核电，成为人类普遍的能源之一。关于太阳能并网发电的研究也必将成为21世纪最热门的科研领域之一，它不仅仅是庞大的市场前景的要求，更是实现人类可持续发展的要求。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明提出一种太阳能光伏逆变发电系统，可实现对光伏电池板输出功率的最大功率点追踪，并且具有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。

本发明的另一目的在于提供上述系统的运行方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种太阳能光伏逆变发电系统，包括主电路、DSP控制电路、ARM控制电路、为系统提供直流电压的辅助开关电源电路；

所述主电路包括依次连接的EMI滤波模块、开关管驱动保护模块、BOOST升压模块、全桥移相高频隔离模块、全桥逆变模块、输出滤波模块、孤岛效应保护模块，所述EMI滤波模块还连接光伏电池，所述输出滤波模块与电网连接；所述开关管驱动保护模块，包括MOS管驱动保护模块和两组IGBT驱动保护模块，所述两组IGBT驱动保护模块分别与BOOST升压模块和全桥逆变模块相连接，MOS管驱动保护模块与全桥移相高频隔离模块相连接，孤岛效应保护模块与并网输出连接；

所述DSP控制电路包括DSP数字信号处理器，以及分别与该数字信号处理器连接的光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、两组过压欠压保护模块、过流保护模块、并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块；所述光伏电池电流采样模块以及光伏电池电压采样模块还与光伏电池连接，两组过压欠压保护模块还分别与BOOST升压电路输出端并联以及全桥逆变模块输入端并联，过流保护模块还与全桥逆变模块输出端相连，并网电流采样反馈模块还与输出滤波模块输出端相连，并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块还与电网连接；

所述ARM控制电路包括ARM数字信号处理器、LCD显示模块、I²C通讯模块、以太网通讯模块、SPI通讯模块、SCI通讯模块。

上述DSP数字信号处理器的A/D接口与光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、并网电流采样反馈模块以及并网电压采样检测模块连接，完成采样的模拟信号转换为数字信号；

ePWM模块分别连接IGBT驱动保护模块、MOS驱动保护模块；

GPIO模块分别连接过流保护模块、过压欠压保护模块和孤岛效应保护模块；

ECAP模块分别连接并网频率采样检测模块；

所述ARM数字信号处理器和DSP数字信号处理器之间通过SPI通讯模块连接。

上述太阳能光伏逆变发电系统的运行方法，包括下述步骤：

当光伏电池提供直流电压输入时，系统启动；系统首先进行系统参数初始化；然后相应检测模块对光伏电池输出电压和电网电压及频率进行检测，看其是否满足启动条件；如果满足启动条件则进行Boost升压模块软启动，否则返回继续检测；待Boost升压至400V直流电压时，输出高频PWM信号驱动全桥移相模块，并把电压稳定在400V；接着根据检测的信号，启动并网程序，实现并网电流的软启动，后级全桥逆变模块开始工作；

至此，逆变器开始向电网输送电能，并调用SPI通讯程序向ARM处理器发送数据显示。在逆变器运行过程中，若DSP数字信号处理器接收到各保护模块的中断信号，则调用相应程序进行判断是否需要进入中断，若需要，则调用相应中断保护程序，启动相应的保护模块，停止所有驱动信号的输出，断开孤岛保护模块中的并网继电器，并发送故障信号至ARM数字信号处理器显示，若不是，则继续向电网供电。

本发明专利与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明专利实现了全数字化的光伏逆变控制，通过DSP数字信号处理器直接产生PWM和SPWM信号，并实现最大功率点跟踪及孤岛效应检测处理，使光伏逆变器具有更好的一致性；

本发明专利区别于现有技术的特点是在DC-AC逆变引入波形反馈，不仅极大地降低谐波，改善功率因数，而且可以满足实时性要求，提高系统动态性能；

本发明专利采用数字锁相环技术同步，较传统检测电网电压过零点同步技术精度高，抗干扰能力强而且无滞后现象，增强了系统的可靠性；

本发明专利的IGBT驱动保护模块设计中提出了一种新颖的设计方案：在实现对控制信号放大和隔离，同时具备对IGBT工作状态的实时监控和故障处理功能。实验结果表明，在完成对控制信号隔离放大的同时当IGBT门极驱动信号紊乱或发生IGBT过流时驱动电路能够有效地切断控制信号，保护系统稳定运行。

附图说明

图1是本发明太阳能光伏逆变发电系统的结构示意框图；

图2是本发明太阳能光伏逆变发电系统的运行流程示意框图；

图3是本发明太阳能光伏逆变发电系统的控制策略示意框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。

实施例

如图1所示，本发明太阳能光伏逆变发电系统，包括主电路、DSP控制电路、ARM控制电路、为系统提供直流电压的辅助开关电源电路，辅助开关电源电路由高性能固定频率电流模式控制器UC3843及多绕组的变压器为核心电路组成，输入端与光伏电池连接，输出端由变压器变压，经三端稳压管7815、7915、7805等稳压后给各种控制芯片和驱动芯片的供电。

所述主电路包括依次连接的EMI滤波模块、开关管驱动保护模块、BOOST升压模块、全桥移相高频隔离模块、全桥逆变模块、输出滤波模块、孤岛效应保护模块，所述EMI滤波模块还连接光伏电池，所述输出滤波模块与电网连接；所述开关管驱动保护模块，包括MOS管驱动保护模块和两组IGBT驱动保护模块，所述两组IGBT驱动保护模块分别与BOOST升压模块和全桥逆变模块相连接，MOS管驱动保护模块与全桥移相高频隔离模块相连接，孤岛效应保护模块与并网输出连接；

所述DSP控制电路由DSP控制器(TMS320F2808)与外围电路构成。主要包括DSP数字信号处理器，以及分别与该数字信号处理器连接的光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、两组过压欠压保护模块、过流保护模块、并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块；所述光伏电池电流采样模块以及光伏电池电压采样模块还与光伏电池连接，两组过压欠压保护模块还分别与BOOST升压模块输出端并联以及全桥逆变模块输入端并联，过流保护模块还与全桥逆变模块输出端相连，并网电流采样反馈模块还与输出滤波模块输出端相连，并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块还与电网连接；

所述ARM控制电路包括ARM数字信号处理器(LM3S8962处理器)、LCD显示模块、I²C通讯模块、以太网通讯模块、SPI通讯模块、SCI通讯模块。LCD显示模块实时显示光伏并网逆变器的相关运行参数，如太阳能板电压、电网电压、电网频率、输出功率、工作模式、累计发电量等；I²C通讯模块包括外部数据存储和RTC模块，前者用于保存光伏并网逆变器的发电历史记录及运行状态，后者则为光伏并网逆变器提供时间准；以太网通讯功能保证用户能通过以太网对光伏并网逆变器进行数据读取和相关操作；SPI通讯模块负责DSP数字信号处理器与ARM数字信号处理器之间的数据通讯，DSP数字信号处理器向ARM数字信号处理器发送相关数据和命令标志位，让ARM数字信号处理器进行相应的功能操作，这些运行参数的显示为全自动循环显示，无需人工操作；SCI通讯模块包括RS232通讯，用于近距离数据读取；RS485通讯，用于远距离数据读取；蓝牙通讯，方便所研制的光伏并网逆变器与外部PC设备的无线通讯。

所述DSP数字信号处理器的A/D接口与光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、并网电流采样反馈模块以及并网电压采样检测模块连接，完成采样的模拟信号转换为数字信号；ePWM模块分别连接IGBT驱动保护模块、MOSFET驱动保护电路；GPIO模块分别连接过流保护模块、过压欠压保护模块和孤岛效应保护模块；ECAP模块分别连接并网频率采样检测电路；所述ARM数字信号处理器和DSP数字信号处理器之间通过SPI通讯模块连接。

PWM模块输出1路PWM信号连接控制BOOST升压电路的IGBT驱动保护模块，4路PWM信号连接控制全桥移相高频隔离电路的MOS驱动保护模块，以及4路SPWM信号连接控制全桥逆变的IGBT驱动保护模块；GPIO分别与过流保护模块、两组过压欠压保护模块和孤岛效应保护模块连接。DSP数字信号处理器(TMS320F2808)作为控制的核心，由检测到的光伏电池的直流电压和电流用扰动观察法计算最大功率点，从而得到电流给定值I^*。检测到的全桥逆变模块的输出电流与给定值I^*进行软件PI运算后，得到调制系数M，从而控制SPWM输出。检测到的电网电压经过过零电压检测及施密特触发电路后，为DSP数字信号处理器产生PWM波形提供时钟信号。

如图1。光伏电池电流采样模块和光伏电池电压采样模块，它由电流互感器检测输出电流，得到采样信号，通过运放和两个光藕构成闭合反馈电路实现信号的线性隔离、再经分压调理成0～3V送到DSP控制器AD转换通道。光伏电池电压采样电路直接与光伏电池相连，其调理电路原理同电流采样调理电路类似。

如图1。两个过压欠压保护电路(比较器)，该电路在光伏电池输出电压的波动时关断SPWM信号输出的作用。光伏电池输出电压降压高于设定值或低于设定值时，两个比较器比较结果做相“与”运算，结果为低电平“0”，光藕导通，输出端电位被拉低，即DSP数字信号处理器的I/O口电平被拉低，DSP数字信号处理器产生中断，关断PWM信号及SPWM信号输出，并进行故障处理。过压欠压检测保护电路，它主要对全桥逆变模块的输入端电压进行检测，由分压电路，比较电路组成，一旦全桥逆变模块的输入端电压过高或过低，比较器输出端电平产生跳变为低电平，关断IGBT驱动保护模块的IRS2113输出SPWM，从而达到保护IGBT的作用。

如图1。过流保护电路，它主要对全桥逆变模块的流过IGBT驱动保护电路的电流进行检测，由分压电路、电压跟随电路、比较电路组成，一旦流过IGBT驱动保护电路的电流过高，则产生跳变输出低电平，同样关断IGBT驱动保护模块的IRS2113输出SPWM，从而达到保护IGBT的作用。

如图1。并网电流采样反馈模块，该模块主要起到电流的采样反馈作用，以实现闭环控制。该电路中，在电源输出端采用了电流霍尔传感器HY 25-P，通过采用适当的电阻元件，使得当交流电流从-6A-6A变化时，得到的电压信号变化范围是-1.5V-1.5V。经过电压偏移电路调理为0-3V，再经限压后得到信号CURRENT-FBK送给DSP数字信号处理器，由其进行运算。

如图1。并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块，它采用了霍尔电压传感器检测电压，通过采用适当的电阻元件，使得当交流电流从-311A-311A变化时，得到的电压信号变化范围是-1.5V-1.5V。经过电压偏移电路调理为0-3V，再经限压后得到信号VOLTAGE-FBK送给DSP数字信号处理器，由其进行运算，同时将得到的电压信号通过过零电压比较器，将正弦波交流信号变为方波交流信号，经过施密特触发器消除电压信号在零电位处抖动的影响，防止了误触发，从而为DSP数字信号处理器提高可靠的时序同步信号。

如图1。所述孤岛效应保护模块采用周期扰动带正反馈有源频率漂移法(Active Frequency drift with Positive Feedback，AFDPF)来实现并网的孤岛检测保护。AFDPF的基本思想是通过给控制信号一个周期性的扰动，来检测逆变输出电流频率的变化。在正常情况下，因电网巨大的平衡作用，扰动对输出电流频率的影响不大，但当发生孤岛时，系统可以检测到这个变化，并增加扰动量使电流频率进一步偏离，直到这个偏离超出并网条件。控制电路及时关闭连接逆变器输出端的功率继电器，从而切断了电流输出。

如图1。所述开关管驱动保护模块主要起到数模隔离以及功率放大作用，分为两个部分，一部分由两组四片IR2113与外围电路构成的高频驱动单元驱动全桥逆变模块的IGBT以及全桥移相模块的MOSFET；另一部分由TC426外围电路构成的高频驱动单元驱动BOOST升压模块的IGBT。DSP数字信号处理器输出PWM信号和SPWM信号经74HC244放大、光藕TLP250隔离后驱动IRS2113和TC426，从而驱动IGBT和MOSFET。

如图2所示，上述太阳能光伏逆变发电系统的运行方法，可通过下述步骤实现：

当光伏电池提供直流电压输入时，系统启动；系统首先进行系统参数初始化；然后相应检测模块对光伏电池输出电压和电网电压及频率进行检测，看其是否满足启动条件；如果满足启动条件则进行Boost升压模块软启动，否则返回继续检测；待Boost升压至400V直流电压时，输出高频PWM信号驱动全桥移相模块，并把电压稳定在400V；接着根据检测的信号，启动并网程序，实现并网电流的软启动，后级全桥逆变模块开始工作；

至此，逆变器开始向电网输送电能，并调用SPI通讯程序向ARM处理器发送数据显示。在逆变器运行过程中，若DSP数字信号处理器接收到各保护模块的中断信号，则调用相应程序进行判断是否需要进入中断，若需要，则调用相应中断保护程序，启动相应的保护模块，停止所有驱动信号的输出，断开孤岛保护模块中的并网继电器，并发送故障信号至ARM数字信号处理器显示，若不是，则继续向电网供电。

如图3。首先，系统采集光伏阵列的输出电压和输出电流，进行MPPT程序运算。此时可得太阳能板输出功率Ppv。在并网逆变模块，首先系统检测电网电压Ugrid和频率，用于锁相环控制。其次，通过Ppv与Ugrid得到并网电流的参考值iref。最后，通过Ugrid、iref、igrid进行对于逆变器开关管输出信号的预测算法控制，实现逆变器输出电流和电网电压的同频同相。

本发明首次以高速的嵌入式数字信号处理器DSP TMS320F2808为核心，充分利用DSP芯片在嵌入式控制方面的优越性能，采用模块化、可移植的设计方法，通过软件编程实现最大功率点跟踪，锁相环功能，BOOST升压模块的PWM信号和全桥逆变模块的SPWM信号都直接由DSP通过编程方式输出，最终实现光伏发电系统的全数字化控制，使得光伏系统具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性。

本发明专利实现了精确化。充分利用了DSP嵌入式微处理器的高速运算和数据处理能力，在DC-AC逆变时可以实时计算输出电压、电流的有效值，克服了传统控制器用平均值代替有效值作为输出反馈造成输出精度低、动态响应慢的缺点。

本发明专利具有高的可靠性。本实施例设计过压保护电路，光伏电池过压欠压保护电路，孤岛效应保护电路等一系列保护电路可对系统进行全方位监控保护，有效地保证光伏逆变器的并网运行的安全性和可靠性。

本发明专利具有智能化。本实施例通过对光伏当前输出电压与电流检测，系统自动寻优得到当前光伏电池最大输出功率，实现在时刻变化外界环境下，使光伏电池维持在最大功率点处。

在此说明书中，本发明专利已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明专利的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

如上所述便可较好地实现本发明。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳能光伏逆变发电系统的运行方法， 

所述太阳能光伏逆变发电系统包括主电路、DSP控制电路、ARM控制电路、为系统提供直流电压的辅助开关电源电路； 

所述主电路包括依次连接的EMI滤波模块、BOOST升压模块、全桥移相高频隔离模块、全桥逆变模块、输出滤波模块、孤岛效应保护模块，所述EMI滤波模块还连接光伏电池，所述输出滤波模块与电网连接；主电路还包括开关管驱动保护模块，该开关管驱动保护模块包括MOS管驱动保护模块和两组IGBT驱动保护模块，所述两组IGBT驱动保护模块分别与BOOST升压模块和全桥逆变模块相连接，MOS管驱动保护模块与全桥移相高频隔离模块相连接，孤岛效应保护模块与并网输出连接；

所述DSP控制电路包括DSP数字信号处理器，以及分别与该数字信号处理器连接的光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、两组过压欠压保护模块、过流保护模块、并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块；所述光伏电池电流采样模块以及光伏电池电压采样模块还与光伏电池连接，两组过压欠压保护模块还分别与BOOST升压模块输出端并联以及全桥逆变模块输入端并联，过流保护模块还与全桥逆变模块输出端相连，并网电流采样反馈模块还与输出滤波模块输出端相连，并网电压采样检测模块以及并网频率采样检测模块还与电网连接；

所述ARM控制电路包括ARM数字信号处理器、LCD显示模块、I²C通讯模块、以太网通讯模块、SPI通讯模块、SCI通讯模块；  

其特征在于：所述太阳能光伏逆变发电系统的运行方法包括下述步骤：

当光伏电池提供直流电压输入时，系统启动；系统首先进行系统参数初始化；然后相应检测模块对光伏电池输出电压和电网电压及频率进行检测，看其是否满足启动条件；如果满足启动条件则进行Boost升压模块软启动，否则返回继续检测；待Boost升压至400V直流电压时，输出高频PWM信号驱动全桥移相高频隔离模块，并把电压稳定在400V；接着根据检测的信号，启动并网程序，实现并网电流的软启动，后级全桥逆变模块开始工作；至此，逆变器开始向电网输送电能，并调用SPI通讯程序向ARM处理器发送数据显示；

在逆变器运行过程中，若DSP数字信号处理器接收到各保护模块的中断信号，则调用相应程序进行判断是否需要进入中断，若需要，则调用相应中断保护程序，启动相应的保护模块，停止所有驱动信号的输出，断开孤岛保护模块中的并网继电器，并发送故障信号至ARM数字信号处理器显示，若不是，则继续向电网供电。

2.根据权利要求1所述的太阳能光伏逆变发电系统的运行方法，其特征在于：DSP数字信号处理器的A/D接口与光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、并网电流采样反馈模块以及并网电压采样检测模块连接，完成采样的模拟信号转换为数字信号；

ePWM模块分别连接IGBT驱动保护模块、MOS管驱动保护模块；

GPIO模块分别连接过流保护模块、过压欠压保护模块和孤岛效应保护模块；

ECAP模块连接并网频率采样检测电路；

所述ARM数字信号处理器和DSP数字信号处理器之间通过SPI通讯模块连接。

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