CN102158109A - 一种光伏并网逆变器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光伏并网逆变器系统，包括DC/DC变换器，DC/AC变换器及控制芯片，其特征在于，该芯片是纯正弦单相逆变芯片，该芯片发生4路脉冲宽度调制驱动信号用于控制该DC/AC变换器中的功率器件。与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案不需要SPWM脉冲发生器、同步锁相等诸多环节，控制简单，可靠性高，硬件成本低。

Description

一种光伏并网逆变器系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电技术领域，尤其涉及一种光伏并网逆变器系统。
背景技术
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光，将太阳的光能直接变成电能输出。光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统。太阳能电池发电是直流电压，必须通过逆变装置变换成交流，再同电网的交流电合起来使用，这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。光伏并网是太阳能利用的发展趋势，光伏发电系统将主要用于调峰电站和屋顶光伏系统。
在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分，是把直流电能逆变为交流电能的电力电子设备，并且该逆变器输出侧接入电网。目前并网型系统的研究主要集中于DC-DC和DC-AC两级能量变换的结构。DC-DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点；DC-AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。其中DC-AC是系统的关键设计。
现有技术中采用的光伏系统的逆变器大多工作在SPWM(即脉冲宽度调制驱动信号)状态的全桥式逆变方案，因此需要SPWM脉冲发生器、同步锁相等诸多环节，所以控制比较复杂，可靠性不高，硬件成本高。
发明内容
本发明的目的在于提高一种光伏逆变器系统，该光伏逆变器能够发生4路脉冲宽度调制驱动信号，从而实现光伏发电系统的高功率因数并网运行，并能够大大简化整体系统的结构。
为实现上述发明目的，本发明公开一种光伏并网逆变器系统，包括DC/DC变换器，DC/AC变换器及控制芯片，其特征在于，该芯片是纯正弦单相逆变芯片，该芯片发生4路脉冲宽度调制驱动信号用于控制该DC/AC变换器中的功率器件。
更进一步地，该DC/DC变换器是boost升压斩波电路。
更进一步地，该boost升压斩波电路的输出电压Uo与输入电压Ui的关系式为，其中D为斩波电路的占空比，D＝ton/T，ton为开关导通时间，T为开关导通周期。
更进一步地，该boost升压斩波电路通过调节占空比D来动态控制电路负载匹配，以实现最大功率跟踪。
更进一步地，该DC/AC变换器是单相全桥逆变电路。
更进一步地，该DC/AC变换器中的功率器件交替导通。
更进一步地，该DC/AC变换器中的功率器件包括四个开关管，组成逆变桥。
更进一步地，该芯片将参考电流经过同步信号控制后得到与电网电压同频同相的正弦波，与实际的逆变输出电流相比较后得到误差信号，该误差信号经控制器调节产生参考正弦波，该参考正弦波与三角波比较后，产生相应的SPWM驱动信号，控制该DC/AC变换器中的功率器件，使逆变输出电流为正弦波。
更进一步地，该芯片是MCUATmega16芯片。
与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案不需要SPWM脉冲发生器、同步锁相等诸多环节，所以控制比较简单，可靠性高，硬件成本低。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是本发明所涉及的并网逆变器系统的结构框图；
图2是本发明所涉及的并网逆变器系统的前级结构电路图；
图3是本发明所涉及的并网逆变器系统的后级结构电路图；
图4是本发明所涉及的并网逆变器系统的逆变电流跟踪示意图；
图5是电网电压和同步信号的波形图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
图1是本发明所提供的单相太阳能光伏并网逆变器的系统组成。其中该系统的主电路采用前后两级变换式结构。如图1中所示，前级DC/DC结构202为升压斩波电路，将太阳能电池201输出的直流电变换为400V直流电；后级DC/AC结构203为单相全桥逆变电路，逆变后得到220V/50Hz的交流电，该交流电并入电网204实现光伏发电的并网输出。
该系统的控制环境以单片机(或称为芯片)208为核心，该单片机208分别与前级DC/DC结构202及后级DC/AC结构203相连接，，一方面控制DC/DC环节，以实现光伏电池的最大功率点跟踪；另一方面控制DC/AC环节，保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同频同相。该单片机208的信号输入端包括三路信号，即并网电压电流检测207、电网电压同步检测206、光伏阵列电压电流检测206，其中并网电压电流检测207用来采样并网逆变器输出的正弦交流电压和电流，电网电压同步检测206是指获得实际电网上的电压信号，光伏阵列电压电流检测205指检测DC/DC环节中光伏电池的电压电流信号。
本发明提供的光伏并网逆变器的系统在在DC/AC变换环节采用纯正弦单相逆变芯片，发生4路脉冲宽度调制驱动信号，从而实现了光伏发电系统的高功率因数并网运行。
图2是是本发明所涉及的并网逆变器系统的前级结构电路图。本发明中所采用的DC/DC结构为升压斩波电路，其中，输出电压Uo与输入电压Ui的关系式为
Figure BSA00000453720700031
其中D为斩波电路的占空比，D＝ton/T，ton为开关导通时间，T为开关导通周期。通过调整占空比D来动态控制电路负载匹配，以实现MPPT(即最大功率点跟踪)。
如图2中所示，Boost电流的输入电压即为太阳能电池的输出电压。从太阳能电池端口看进去，Boost电路和负载可视为一个等效输入电阻Req，且它在数值上等于Ui与Ii的比值。所以，改变占空比D，就可以改变电路输入端的等效电阻值，相当于改变了负载特性曲线的斜率，从而改变太阳能电池的工作点。因此，通过调节D，就可在限定范围内调节太阳能电池的输出电压，使其有最大功率输出。
图3是本发明所涉及的并网逆变器系统的后级结构电路图。后级DC/AC结构为单相全桥逆变电路，逆变后得到220V/50Hz的交流电，该交流电并入电网实现光伏发电的并网输出。具体而言，本发明中的DC/AC逆变环节采用电压型单相全桥逆变电路。Ui为直流侧电压，DC/DC升压后得到由太阳能电池产生的直流电，大约为400V。V1-V4是功率器件，组成逆变桥，VD1-VD4是对应的反并联二极管。V1和V4、V2和V3功率管交替导通，向电网输出并网电流。
如图1中所示，DC/AC变换环节中的功率器件的控制，采用了正弦波脉冲宽度调制波形SPWM，这种控制是在逆变器输出交流电能的一个周期内，将直流电能斩成幅值相等、宽度根据正弦规律变化的脉冲序列，该脉冲序列的宽度是随正弦波幅值变化的离散脉冲序列。通过单相稳压纯正弦波逆变芯片208发生4路PWM信号，驱动单相全桥的V1-V4管交替导通。SPWM波形频率为50Hz，以实现单相工频逆变。逆变器输出采用电流控制方式，无需控制其幅值，只需要控制其频率和相位。光伏发电系统对电网进行供电的基本条件是其输出电流与电网电压同频同相，而光伏发电系统的输出电流波形和频率取决于控制功率器件通断的SPWM，其频率和相位由SPWM参考正弦波的频率和相位决定，因此对电流进行实时跟踪控制。
如图4中所示，图4是本发明所涉及的并网逆变器系统的逆变电流跟踪示意图。参考电流Iref经过同步信号控制得到与电网电压同频同相的正弦波，与实际的逆变输出电流相比较后得到误差信号e，经控制器调节产生参考正弦波，与三角波比较后，产生相应的SPWM驱动信号控制功率器件工作，使逆变输出电流为正弦波。具体而言，在电网电压同步检测模块206中实时获得当前的电网电压同步信号405，该电网电压同步信号405具有一定的正弦波值。在光伏并网过程就要求逆变器输出的正弦波电流与电网电压同步。同步是实现有源逆变的基础和关键，对于能量回馈系统，同步就是要使回馈电网的电流与电网电压同频同相，以实现单位因数效率回馈。电网交流信号经同步变压器降压，通过过零比较电路产生与其同步的方波信号。参考电流Iref经过同步信号控制得到与电网电压同频同相的正弦波，与实际的逆变输出电流相比较后得到误差信号e，经控制器401调节产生参考正弦波。参考正弦波与三角波404进行比较后产生4路脉冲宽度调制驱动信号，从而实现了光伏发电系统的高功率因数并网运行。该芯片208优选地采用MCUATmega16芯片。
图5是电网电压和同步信号的波形图。如图5中所示，方波信号的下降沿准确表示了电网电压过0信息，其周期与电网电压相同。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种光伏并网逆变器系统，包括DC/DC变换器，DC/AC变换器及控制芯片，其特征在于，所述芯片是纯正弦单相逆变芯片，所述芯片发生4路脉冲宽度调制驱动信号用于控制所述DC/AC变换器中的功率器件。
2.如权利要求1所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述DC/DC变换器是boost升压斩波电路。
3.如权利要求2所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述boost升压斩波电路的输出电压Uo与输入电压Ui的关系式为
Figure FSA00000453720600011
其中D为斩波电路的占空比，D＝ton/T，ton为开关导通时间，T为开关导通周期。
4.如权利要求3所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述boost升压斩波电路通过调节占空比D来动态控制电路负载匹配，以实现最大功率跟踪。
5.如权利要求1所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述DC/AC变换器是单相全桥逆变电路。
6.如权利要求5所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述DC/AC变换器中的功率器件交替导通。
7.如权利要求5所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述DC/AC变换器中的功率器件包括四个开关管，组成逆变桥。
8.如权利要求1所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述芯片将参考电流经过同步信号控制后得到与电网电压同频同相的正弦波，与实际的逆变输出电流相比较后得到误差信号，所述误差信号经控制器调节产生参考正弦波，所述参考正弦波与三角波比较后，产生相应的SPWM驱动信号，控制所述DC/AC变换器中的功率器件，使逆变输出电流为正弦波。
9.如权利要求1所述的光伏并网逆变器系统，其特征在于，所述芯片是MCUATmega16芯片。
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