CN103151948A - 一种双h桥高频隔离型光伏并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，包括H桥斩波电路，其输入端与光伏电池板的输出端相连，其输出端与高频变压器T1的输入端相连，高频变压器T1的输出端通过整流滤波电路与H桥逆变电路的输入端相连，H桥逆变电路的输出端与输出滤波电路的输入端相连，还包括DSP控制器，其输入端与光伏检测采样电路、并网采样电路和保护电路的输出端相连，其输出端与通过驱动电路分别与H桥斩波电路、H桥逆变电路的输入端相连。本发明通过高频变压器T1实现了光伏电池直流电和电网交流电的完全隔离；采用两级高频PWM控制，实现了系统运行的高效率；本发明采用保护电路，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。

Description

一种双H桥高频隔离型光伏并网逆变器
技术领域
本发明涉及光伏并网逆变器领域，尤其是一种双H桥高频隔离型光伏并网逆变器。
背景技术
太阳能等清洁能源的大规模应用将是21世纪人类社会发展进步的一个重要标志，随着电力紧张、环境污染等问题的日趋严重，与公用电网并网运行的光伏并网发电逆变器已显出其越来越大的竞争力。随着光伏发电系统安装规模的逐渐增大，光伏逆变器的市场将保持高速增长态势。2012年我国光伏装机容量将超过4GW，其中光伏建筑装机容量将达到1.7GW，预计到2020年光伏累计安装量将达20GW以上，年复合增长率46%。
光伏逆变器是将光伏电池阵列发出的直流电变换为交流电提供给负载和并入电网，对应的光伏逆变器也分为并网型和离网型。逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。光伏逆变器按照有无隔离分为隔离式和非隔离式两类，其中隔离式并网逆变器又分为工频变压器隔离方式和高频变压器隔离方式。工频变压器隔离型为单级结构，稳定性好，电气隔离, 无直流分量，但其体积大，较为笨重，且工频变压器成本高，损耗大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、效率高、具有电气隔离功能的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，包括H桥斩波电路，其输入端与光伏电池板的输出端相连，其输出端与高频变压器T1的输入端相连，高频变压器T1的输出端通过整流滤波电路与H桥逆变电路的输入端相连，H桥逆变电路的输出端与输出滤波电路的输入端相连，还包括DSP控制器，其输入端与光伏检测采样电路、并网采样电路和保护电路的输出端相连，其输出端与通过驱动电路分别与H桥斩波电路、H桥逆变电路的输入端相连。
还包括ARM控制器，其输入输出端与DSP控制器的输入输出端相连，ARM控制器的输出端与显示屏的输入端相连，ARM控制器的输入输出端分别与RS232转换电路、RS485转换电路和存储器的输入输出端相连。
所述的DSP控制器采用TMS320F2407芯片，所述的光伏检测采样电路由光伏电池电流检测电路和光伏电池电压检测电路组成，所述的并网采样电路由并网电流检测电路、并网电压检测电路和并网频率采样电路组成，所述的保护电路由过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、驱动保护电路、孤岛效应保护电路组成，所述的驱动电路由用于驱动H桥斩波电路的第一驱动电路和用于驱动H桥逆变电路的第二驱动电路组成。
所述的H桥斩波电路包括IGBT管VT1，其集电极与光伏电池板的正极相连，其发射极分别与IGBT管VT2的集电极、高频变压器T1的初级线圈相连，二极管VD1跨接在IGBT管VT1的集电极和发射极之间，二极管VD2跨接在IGBT管VT2的集电极和发射极之间；IGBT管VT3的集电极与光伏电池板的正极相连，其发射极分别与IGBT管VT4的集电极、高频变压器T1的初级线圈相连，二极管VD3跨接在IGBT管VT3的集电极和发射极之间，二极管VD4跨接在IGBT管VT4的集电极和发射极之间；所述的整流滤波电路由整流桥和LC滤波电路组成，整流桥与高频变压器T1的次级线圈相连，所述的LC滤波电路由电感L1和电容C2组成，电感L1的一端与整流桥的一端相连，所述的H桥逆变电路包括IGBT管VT5，电感L1的另一端分别与电容C2、IGBT管VT5的集电极相连，IGBT管VT5发射极与IGBT管VT6的集电极相连，IGBT管VT5的发射极与整流桥相连，二极管VD5跨接在IGBT管VT5的集电极与发射极之间，二极管VD6跨接在IGBT管VT6的集电极与发射极之间，IGBT管VT7的集电极与电感L1的一端相连，IGBT管VT7的发射极与IGBT管VT8的集电极相连，IGBT管VT8的发射极与整流桥相连，二极管VD7跨接在IGBT管VT7的集电极与发射极之间，二极管VD8跨接在IGBT管VT8的集电极与发射极之间。
所述的ARM控制器采用LM3S8962芯片，其SPI口与DSP控制器的SPI口相连，其SCI口分别与RS232转换电路、RS485转换电路相连，其GPIO口与显示屏相连，其I2C口与EEPROM存储器相连。
所述的TMS320F2407芯片的A/D口分别与光伏电池电流检测电路、光伏电池电压检测电路、并网电流检测电路和并网电压检测电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的GPIO口分别与过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、驱动保护电路和孤岛效应保护电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的CAP口与并网频率采样电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的PWM口分别与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连，第一驱动电路的输出端与H桥斩波电路的输入端相连，第二驱动电路的输出端与H桥逆变电路的输入端相连。
所述的显示屏为LCD显示屏。
由上述技术方案可知，本发明通过高频变压器T1实现了光伏电池直流电和电网交流电的完全隔离；采用两级高频PWM控制，实现了系统运行的高效率；本发明采用保护电路，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；通过对光伏输出电压与电流的实时检测，自动寻优得到当前光伏电池最大输出功率点，实现在外界环境变化时，使光伏电池维持在最大功率点处。
附图说明
图1 是本发明的电路结构框图；
图2 是本发明中光伏电池板、H桥斩波电路、高频变压器T1、整流滤波电路和H桥逆变电路的电路示意图； 
图3 是本发明的工作流程图。
具体实施方式
一种双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，包括H桥斩波电路2，其输入端与光伏电池板1的输出端相连，其输出端与高频变压器T1的输入端相连，高频变压器T1的输出端通过整流滤波电路4与H桥逆变电路5的输入端相连，H桥逆变电路5的输出端与输出滤波电路6的输入端相连，还包括DSP控制器7，其输入端与光伏检测采样电路、并网采样电路和保护电路的输出端相连，其输出端与通过驱动电路分别与H桥斩波电路2、H桥逆变电路5的输入端相连。如图1所示，本发明还包括ARM控制器3，其输入输出端与DSP控制器7的输入输出端相连，ARM控制器3的输出端与显示屏的输入端相连，ARM控制器3的输入输出端分别与RS232转换电路、RS485转换电路和存储器的输入输出端相连。所述的显示屏为LCD显示屏。
如图1所示，所述的DSP控制器7采用TMS320F2407芯片，所述的光伏检测采样电路由光伏电池电流检测电路和光伏电池电压检测电路组成，所述的并网采样电路由并网电流检测电路、并网电压检测电路和并网频率采样电路组成，所述的保护电路由过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、驱动保护电路、孤岛效应保护电路组成，所述的驱动电路由用于驱动H桥斩波电路2的第一驱动电路和用于驱动H桥逆变电路5的第二驱动电路组成。光伏电池电流检测电路由电流传感器检测输出电流，得到采样信号，通过运放和线性光耦构成闭合反馈电路实现信号的线性隔离、再经分压送到DSP控制器7的A/D转换通道。光伏电池电压检测电路的原理同光伏电池电流检测电路。并网电流检测电路主要起到电流的采样反馈作用，以实现闭环控制。
如图2所示，所述的H桥斩波电路2包括IGBT管VT1，其集电极与光伏电池板1的正极相连，其发射极分别与IGBT管VT2的集电极、高频变压器T1的初级线圈相连，二极管VD1跨接在IGBT管VT1的集电极和发射极之间，二极管VD2跨接在IGBT管VT2的集电极和发射极之间；IGBT管VT3的集电极与光伏电池板1的正极相连，其发射极分别与IGBT管VT4的集电极、高频变压器T1的初级线圈相连，二极管VD3跨接在IGBT管VT3的集电极和发射极之间，二极管VD4跨接在IGBT管VT4的集电极和发射极之间；所述的整流滤波电路4由整流桥和LC滤波电路组成，整流桥与高频变压器T1的次级线圈相连，所述的LC滤波电路由电感L1和电容C2组成，电感L1的一端与整流桥的一端相连，所述的H桥逆变电路5包括IGBT管VT5，电感L1的另一端分别与电容C2、IGBT管VT5的集电极相连，IGBT管VT5发射极与IGBT管VT6的集电极相连，IGBT管VT5的发射极与整流桥相连，二极管VD5跨接在IGBT管VT5的集电极与发射极之间，二极管VD6跨接在IGBT管VT6的集电极与发射极之间，IGBT管VT7的集电极与电感L1的一端相连，IGBT管VT7的发射极与IGBT管VT8的集电极相连，IGBT管VT8的发射极与整流桥相连，二极管VD7跨接在IGBT管VT7的集电极与发射极之间，二极管VD8跨接在IGBT管VT8的集电极与发射极之间。
如图2所示，H桥斩波电路2、H桥逆变电路5均采用单相电压型拓扑结构，C1为直流侧储能电容，二极管VD9是防止电容C1的储能倒流。H桥斩波电路2通过调节IGBT管VT1至IGBT管VT4的占空比来进行最大功率点跟踪（MPPT）控制，由DSP控制器7直接产生20KHz 的PWM驱动信号，H桥斩波电路2将输入的直流电压变为高频方波电压，经高频变压器T1隔离，整流滤波电路4整流滤波后变为400V的高压直流电。H桥逆变电路5采用20kHz的SPWM控制，对前级H桥斩波电路2和高频变压器T1提供的400V直流母线电压逆变成为220V 交流电，同时对光伏并网逆变器的输出电流进行控制，以实现逆变输出电流和电网电压的相位一致，输出与电网实时同频同相的正弦交流电。
如图1所示，所述的ARM控制器3采用LM3S8962芯片，其SPI口与DSP控制器7的SPI口相连，其SCI口分别与RS232转换电路、RS485转换电路相连，其GPIO口与显示屏相连，其I2C口与EEPROM存储器相连。所述的TMS320F2407芯片的A/D口分别与光伏电池电流检测电路、光伏电池电压检测电路、并网电流检测电路和并网电压检测电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的GPIO口分别与过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、驱动保护电路和孤岛效应保护电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的CAP口与并网频率采样电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的PWM口分别与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连，第一驱动电路的输出端与H桥斩波电路2的输入端相连，第二驱动电路的输出端与H桥逆变电路5的输入端相连。
如图3所示，开机运行后，系统参数初始化，在外部中断服务程序中添加过流保护子程序；检测光伏电池输出电压是否在150Vdc～400Vdc内，不正常则返回继续检测；如果光伏电池输出电压在允许范围之内，则在电压捕获中断服务子程序中添加H桥斩波电路2输入电压（即光伏电池输出电压）过压欠压保护程序；根据直流电压值控制直流断路器闭合，调用MPPT控制子程序，输出PWM驱动信号，启动H桥斩波电路2工作；检测电网电压及频率在设定的时间内是否稳定在允许范围之内，不正常则返回，继续检测；若正常在电压捕获中断服务子程序中增加电网输入电压过压/欠压保护子程序；在电压捕获中断服务子程序中增加输出电流直流分量保护子程序，孤岛效应保护子程序，控制孤岛效应电路中的并网断路器吸合，延时约5s；同时检测电网电压过零点及频率，调用PLL子程序，输出SPWM驱动信号，H桥逆变电路5开始工作。在逆变器运行过程中，若DSP控制器7收到各保护电路发送来的中断信号，则进入中断响应调用相应的保护子程序，断开并网断路器，同时，停止输出所有驱动信号；H桥逆变电路5在此状态下等待3分钟后重新启动。
本发明首次采用双H桥两级式高频隔离型并网逆变器，实现了全数字化、高效率的光伏电能的变换。充分利用DSP控制器7在嵌入式控制方面的优越性能，通过软件编程实现了最大功率点跟踪，并网电流直接控制、锁相环功能，斩波控制PWM信号和逆变控制SPWM信号都直接由DSP控制器7通过编程方式输出，使得光伏并网逆变器具有更好的一致性、动态响应性能和可扩展性；ARM控制器3控制通讯显示电路，实时显示系统运行数据及故障信号，使系统具有良好的人机显示界面，并具有RS232、RS485等多种通讯功能。
综上所述，本发明通过高频变压器T1实现了光伏电池直流电和电网交流电的完全隔离；采用两级双H桥高频PWM控制，实现了系统运行的高效率；本发明采用保护电路，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；通过对光伏输出电压与电流的实时检测，自动寻优得到当前光伏电池最大输出功率点，实现在外界环境变化时，使光伏电池维持在最大功率点处。

Claims (7)

1.一种双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：包括H桥斩波电路（2），其输入端与光伏电池板（1）的输出端相连，其输出端与高频变压器T1的输入端相连，高频变压器T1的输出端通过整流滤波电路（4）与H桥逆变电路（5）的输入端相连，H桥逆变电路（5）的输出端与输出滤波电路（6）的输入端相连，还包括DSP控制器（7），其输入端与光伏检测采样电路、并网采样电路和保护电路的输出端相连，其输出端与通过驱动电路分别与H桥斩波电路（2）、H桥逆变电路（5）的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：还包括ARM控制器（3），其输入输出端与DSP控制器（7）的输入输出端相连，ARM控制器（3）的输出端与显示屏的输入端相连，ARM控制器（3）的输入输出端分别与RS232转换电路、RS485转换电路和存储器的输入输出端相连。
3.根据权利要求1所述的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：所述的DSP控制器（7）采用TMS320F2407芯片，所述的光伏检测采样电路由光伏电池电流检测电路和光伏电池电压检测电路组成，所述的并网采样电路由并网电流检测电路、并网电压检测电路和并网频率采样电路组成，所述的保护电路由过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、驱动保护电路、孤岛效应保护电路组成，所述的驱动电路由用于驱动H桥斩波电路（2）的第一驱动电路和用于驱动H桥逆变电路（5）的第二驱动电路组成。
4.根据权利要求1所述的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：所述的H桥斩波电路（2）包括IGBT管VT1，其集电极与光伏电池板（1）的正极相连，其发射极分别与IGBT管VT2的集电极、高频变压器T1的初级线圈相连，二极管VD1跨接在IGBT管VT1的集电极和发射极之间，二极管VD2跨接在IGBT管VT2的集电极和发射极之间；IGBT管VT3的集电极与光伏电池板（1）的正极相连，其发射极分别与IGBT管VT4的集电极、高频变压器T1的初级线圈相连，二极管VD3跨接在IGBT管VT3的集电极和发射极之间，二极管VD4跨接在IGBT管VT4的集电极和发射极之间；所述的整流滤波电路（4）由整流桥和LC滤波电路组成，整流桥与高频变压器T1的次级线圈相连，所述的LC滤波电路由电感L1和电容C2组成，电感L1的一端与整流桥的一端相连，所述的H桥逆变电路（5）包括IGBT管VT5，电感L1的另一端分别与电容C2、IGBT管VT5的集电极相连，IGBT管VT5发射极与IGBT管VT6的集电极相连，IGBT管VT5的发射极与整流桥相连，二极管VD5跨接在IGBT管VT5的集电极与发射极之间，二极管VD6跨接在IGBT管VT6的集电极与发射极之间，IGBT管VT7的集电极与电感L1的一端相连，IGBT管VT7的发射极与IGBT管VT8的集电极相连，IGBT管VT8的发射极与整流桥相连，二极管VD7跨接在IGBT管VT7的集电极与发射极之间，二极管VD8跨接在IGBT管VT8的集电极与发射极之间。
5.根据权利要求2所述的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：所述的ARM控制器（3）采用LM3S8962芯片，其SPI口与DSP控制器（7）的SPI口相连，其SCI口分别与RS232转换电路、RS485转换电路相连，其GPIO口与显示屏相连，其I2C口与EEPROM存储器相连。
6.根据权利要求3所述的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：所述的TMS320F2407芯片的A/D口分别与光伏电池电流检测电路、光伏电池电压检测电路、并网电流检测电路和并网电压检测电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的GPIO口分别与过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、驱动保护电路和孤岛效应保护电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的CAP口与并网频率采样电路的输出端相连，所述的TMS320F2407芯片的PWM口分别与第一驱动电路、第二驱动电路的输入端相连，第一驱动电路的输出端与H桥斩波电路（2）的输入端相连，第二驱动电路的输出端与H桥逆变电路（5）的输入端相连。
7.根据权利要求2或4所述的双H桥高频隔离型光伏并网逆变器，其特征在于：所述的显示屏为LCD显示屏。
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