CN104253445A

CN104253445A - 单相光伏并网系统及方法

Info

Publication number: CN104253445A
Application number: CN201410472518.5A
Authority: CN
Inventors: 朱志宇; 原琳; 李阳; 陈迅; 王彪; 吴将; 薛文涛; 黄巧亮; 戴晓强
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2014-09-16
Filing date: 2014-09-16
Publication date: 2014-12-31

Abstract

本发明公开了一种单相光伏并网系统及方法，所述系统由主回路和控制回路构成，主回路包括DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路，控制回路包括控制单元以及电压、电流、频率、相位、过零检测电路。所述方法如下：其中控制单元发出PWM控制信号控制DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路，根据光伏阵列的电压、电流输出值控制DC-DC升压电路完成光伏阵列的最大功率点跟踪，根据电网电压值控制DC-AC逆变器的输出，实现安全并网；频率、相位检测电路检测DC-AC逆变电路的输出频率和相位，控制单元根据过零检测电路检测到的电网的运行状态控制DC-AC逆变电路的输出与电网同频同相。

Description

单相光伏并网系统及方法

技术领域

本发明涉及一种单相光伏并网发电系统，包括其硬件实现和软件设计，属于电力电子技术领域。

背景技术

太阳能光伏发电是一种清洁能源，大力发展光伏发电，其意义不仅可以部分代替石化燃料发电，还可以减少CO₂和有害气体的排放，防止地球环境恶化。因此，利用太阳能进行发电越来越受到人们的普遍重视，如何高效的实现光伏发电已成为世界各国目前研究的重大课题。

光伏并网发电系统大体上可分为两类，一类是大中型光伏并网发电站或是小区的成套光伏屋顶发电系统。另一类是城市家庭所用的小功率光伏并网系统，也就是单相光伏并网系统。这种单相光伏并网系统具有功率小，体积小，噪声低，性能可靠，使用安全方便，价位适中等优点。如果光伏电池的价格下降到居民可以承受的程度，用户光伏系统能像太阳能热水器一样进入千家万户，必然是家庭节能产品的首选，成为一种广为普及的太阳能利用方式。

单相光伏并网逆变器按功率级数有单级式、两级式两种结构。其中，单级式结构简单，无DC-DC环节，光伏阵列直接经逆变器并网，但电网与光伏发电系统直流母线间无能量解耦环节，实现MPPT、逆变、并网控制的算法复杂；两级式结构，先通过前级的DC-DC变换实现MPPT，再经后级的DC-AC变换进行逆变、并网控制，两级控制可以解耦，控制算法较为简单易行。按逆变器输出与电网之间是否接有隔离变压器分为隔离型和非隔离型，隔离型不仅提高了安全性，且可通过选择隔离变压器变比调节电压变换范围，增大了直流母线电压的输入范围，故可根据场地要求进行光伏阵列优化设计。

光伏并网发电目前存在的主要问题是光伏电池成本过高和转换效率过低；逆变输出波形失真较严重所含谐波分量较多。如何提高光伏电池的转换效率，充分利用光伏电池所转换的能量，以及如何提高输出波形的质量，是光伏发电系统研究的重要方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的缺陷提供一种单相光伏并网系统及方法。

本发明的单相光伏并网系统，由主回路和控制回路构成，主回路包括DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路，控制回路包括控制单元以及电压、电流、频率、相位、过零检测电路；其中控制单元发出PWM控制信号控制DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路，通过ADC模块采样光伏阵列的电压、电流输出值以及DC-DC升压电路的电压输出值、电网电压值，根据光伏阵列的电压、电流输出值控制DC-DC升压电路完成光伏阵列的最大功率点跟踪，根据电网电压值控制DC-AC逆变器的输出，实现安全并网；电压检测电路检测光伏阵列和电网电压并反馈至控制单元的ADC模块；电流检测电路检测DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路电流并反馈至控制单元的ADC模块；频率、相位检测电路检测DC-AC逆变电路的输出频率和相位，控制单元根据过零检测电路检测到的电网的运行状态控制DC-AC逆变电路的输出与电网同频同相。

所述DC-DC升压电路与DC-AC逆变电路之间设置滤波电路，所述滤波电路采用二阶巴特沃思滤波电路。

所述DC-AC逆变电路采用电压型全桥逆变电路。

所述电流检测电路包括分别设置于DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路上的电流传感器，其中DC-AC逆变电路上设置线性霍尔电流传感器。

所述电压检测电路包括光伏阵列输出电压检测电路和并网电压检测电路。

单相光伏并网系统的并网方法如下：

电压检测电路检测光伏阵列和电网电压并反馈至控制单元的ADC模块；电流检测电路检测DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路电流并反馈至控制单元的ADC模块；频率、相位检测电路检测DC-AC逆变电路的输出频率和相位，控制单元根据过零检测电路检测到的电网的运行状态控制DC-AC逆变电路的输出与电网同频同相；控制单元发出PWM控制信号控制DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路中开关管的通断，根据光伏阵列的电压、电流输出值控制DC-DC升压电路完成光伏阵列的最大功率点跟踪，根据电网电压值控制DC-AC逆变器的输出，实现安全并网。

本发明专利采用无变压器两级式逆变电路，逆变器选用全桥逆变的电路结构、电压外环电流内环的控制方式。增加了电流内环控制，提高了系统的响应速度；电流内环控制采用固定滞环宽度的滞环控制。逆变器的输出电压能够很好地跟随电网变化，且输出波形的失真度很低，能够实现高效安全并网。同时本发明专利能够实现对光伏阵列的最大功率点跟踪，有效提高了光伏电池的利用率。

附图说明

图1：单相光伏并网系统简化框图；

图2：Boost电路图；

图3：直流控制系统原理图；

图4：逆变电路原理图；

图5：DC回路电流采样电路；

图6：并网电流采样电路；

图7：并网电压检测电路；

图8：电压过零检测电路；

图9：二阶巴特沃思滤波电路；

图10：系统软件整体框图；

图11：主函数流程图；

图12：ADC中断函数流程图；

图13：PWM中断函数流程图；

图14：定时器1中断函数流程图；

图15：捕获4中断函数流程图；

图16：捕获3中断函数流程图。

具体实施方式

单相光伏发电并网系统的电路结构由光伏阵列、Boost DC－DC电路、逆变桥及控制电路组成。单相光伏并网系统实际上是将光伏阵列产生的直流电能，经过DC-DC变换电路，进行最大功率点跟踪，然后经过逆变电路将直流电变换为与电网电压同频同相的交流电。系统简化框图如图1所示。

1、控制单元

本系统中控制单元的主要作用是：(1)发出PWM控制信号，控制DC-DCDC-DC升压电路和逆变电路中开关管的通断。(2)通过ADC模块采样光伏阵列的电压、电流输出值；DC-DCDC-DC升压电路的电压输出值，电网电压值。(3)完成光伏阵列的最大功率点跟踪。(4)依据测量的电网电压值控制逆变器的输出，实现安全并网。

本系统采用的控制器是微芯公司的DsPIC33FJ256MC710，其最大的工作主频可达40MIPS。此款控制芯片有较高的运算速度，有助于系统实时控制；其次，此款芯片的捕获功能引脚、PWM控制功能引脚与数字IO口复用，使用更为方便；最后，其PWM具有互补控制功能，并且带有死区保护功能。

2、前级DC-DC电路方案设计

本发明采用Boost电路，其电路结构如图2所示。首先由于并网系统要求直流侧的输入电压要高于交流侧的电压，光伏阵列输出电压一般较低，采用Boost电路，扩大了前端直流系统电压的输入范围；其次，DC-DC升压电路变化效率较高，并且其电压输出值可以很好地跟随PWM占空比的变化而变化，控制效果好。

Boost电路功能主要完成最大功率点的跟踪，即通过调节开关管的占空比来调节Boost电路的输出电压，实现其与光伏阵列的负载匹配。Boost电路工作原理：在理想条件下假设电感值L和电容值C均为无穷大，当功率开关管MOSFET处于导通状态时，电源向电感充电，充电电流基本恒定为I₁，同时电容通过负载放电。因电容值很大，基本保持输出电压恒定，记为U_o。设MOSFET导通的时间为t_on，这段时间内电感上存储的能量为EI₁t_on。当功率开关管处于关断状态时，电源E和电感同时向电容充电。设MOSFET管关断的时间为t_off，则在此期间电感释放的能量为(U_o-E)I₁t_off。电路处于稳态工作状态时，一个周期中电感积累与释放的能量相等，即EI₁t_on＝(U₀-E)I₁t_off，化简得由于T/t_off>>1，所以输出电压高于电源电压，电感储能之后有使电压泵升的作用，电容则可将泵升的输出电压保持住，使电路实现升压的功能。

Boost电路控制引脚名称及功能如表1所示。由DSP的RB₀、RB₁引脚采样光伏阵列的输出电压和电流，通过最大功率点跟踪函数，控制改变RE₀输出PWM的占空比，进而对Boost电路的输出电压进行控制，实现阻抗匹配，完成光伏阵列的最大功率点跟踪。当光伏阵列外界条件变化时，若输出电压小于设定值时PWM占空比变小，MOSFET管导通时间变长；若电压大于设定值时PWM占空比变大，使MOSFET管的导通时间变短。最终完成最大功率点跟踪，使得输出电压维持在恒定值，保持此时PWM的占空比不变。通道1测得的是DC-DC升压电路输出电压，通道2为DSP发出PWM控制信号。

表1Boost电路引脚列表

引脚名称	类型	实现功能
			RB₀	AN₀	采样光伏阵列电压值
RB₁	AN₁	采样光伏阵列电流值
			RE₀	PWM1L	输出PWM信号，控制Boost电路开关管通断

直流控制系统原理图如图3所示。选用MOS管作为Boost电路的开关管。由于在控制环节中采用20KHz的PWM控制开关管的通断，选型时MOSFET的开关频率要在20KHz以上。根据电压电流均取两倍的裕量为原则，Boost电路MOSFET型号选择SPP16N50C3,该器件耐压560V，承受的最大电流为16A。DC-DC升压电路开关管的驱动芯片选择TC1412N，它是一种高速的MOSFET驱动芯片，最多可承受5V的反向电压。二极管选择通态压降较低的快恢复二极管。

3、逆变电路方案设计

并网型光伏发电逆变电路的控制目标是将直流电能变换为交流电能，使逆变器输出电压幅值、频率、相位与电网一致，输出电流波形谐波小，实现向电网无扰动平滑供电。

本系统采用电压型全桥逆变电路。全桥逆变电路原理图如图4所示，四个桥臂的开关管的选择与DC-DC升压电路的相同。驱动芯片选择的是一种全桥驱动器，型号为IR2110，输入电压可是3.3V,满足DSP发出的控制信号直接输入的条件，输出电压10～20V，可以满足控制开关器件导通的需要。工作频率可达500KHz，并且具有光耦隔离和电磁隔离，使得器件体积小、工作速度快。全桥逆变器中，每个桥臂的上管都是浮地的，运用全桥驱动电路最大的优点是解决了高端悬浮自举电源的问题。逆变器的MOSFET开通和关断瞬间会产生尖峰电压，因此需在MOSFET旁并上一个电容和电阻，组成阻容吸收回路，消除尖峰。

逆变电路控制引脚及功能如表2所示。其中桥臂上面浮地的两个开关管由RE₂、RE₃输出的高频SPWM信号控制，合成正弦波。下桥臂开关管由RD₀、RD₁发出的与电网同频的方波信号进行控制，使逆变器的输出电流跟随电网频率变化。

表2逆变电路控制引脚及功能

引脚名称	类型	功能
			RB₂	AN₂	采样逆变器输出电压值
RB₃	AN₃	采样逆变器输出电流值
			RE₂	PWM2L	依据正弦表输出SPWM控制信号，控制上桥臂开关管Q1
RE₃	PWM2H	依据正弦表输出SPWM控制信号，控制上桥臂开关管Q3
			RD₁₀	IC₃	捕获电网电压过零时刻
RD₀	I/O	发出与电网同频的方波信号,控制下桥臂Q2
			RD₁	I/O	发出与RD₀互补的方波信号，控制Q4

4、电流检测电路

DC-DC电流检测电路

采用电流传感器对电流进行测量，将其安装在开关管和地之间。这种测量方法是用来测量MOSFET的反馈电流，电路如图5所示。

逆变器电流检测电路

逆变电流检测采用线性霍尔电流传感器，选择的霍尔电流传感器带宽为80KHz。传感器输出是180mV/A，输出电压非常小。因此，在电路中采用了2.5V的补偿电压。为优化输入DSP的模拟信号电压范围，在电流传感器的输出端加了一个1.65V的补偿电压，这样的模拟电压变化范围有利于ADC模块进行采样。

电流传感器的输出连接到U1的反向端，补偿电压连接到U1的同相端。其中U1为单位增益带宽放大器。逆变电流经运放放大后输入到ADC模块。电流采样电路如图6所示，其中I_out表示逆变器的输出电流，I_AC表示输送到电网的并网电流。

5、电压检测电路

PV输出电压检测

由于ADC模块输入电压范围是0～3.3V，对光伏阵列的输出电压检测U_检测采用的是电阻分压法，电路结构如图7所示。U_检测等于U_PV乘以R₁在除以R₁和R₂的和。通过电阻分压后的电压值在0～3.3V，送入DSP的ADC模块，使其对光伏阵列的输出电压进行采样。电路中电容的作用为滤波。

并网电压检测

并网逆变器输出的电压为交流电压，不能够采用分压电阻的方法进行电压测量，本设计将逆变器的输出电压经过一个信号调理电路，如图7所示。在运放的同相端加一个2.5V的补偿电压，调节输出信号在0～3.3V范围内。

6、过零检测电路

逆变器输出的并网电流应与电网电压同频同相，以提高系统的功率因数。因此，需要一个过零检测电路以检测电网的电压状态，以此来改变DSP的输出，控制并网逆变器的输出状态。电路图如图8所示，在运放U的同相端加2.5V参考电压，对交流并网电压信号进行调理。为防止比较器的扰动干扰，采用了一个RC电路的滞后频带。

7、滤波电路设计

本设计选用的是二阶巴特沃思滤波电路，其硬件电路如图9所示，经过计算及仿真，确定参数为图9标出的参数时有较好的滤波效果。

滤波电路功能是滤除输出的高频谐波，使系统输出光滑高品质的正弦波。经过电流内环电压外环控制，采用512点合成正弦波，经过滤波电路后由逆变器输出波形。

8、系统软件整体框图

程序主要包括主程序和中断程序，主程序主要完成系统参数的初始设置、中断发生的条件判别，中断类型采用事件管理器中断。本系统是基于DSP控制的系统，系统软件整体框图如图10所示：

主函数

主函数为一个简单的无穷等待死循环程序。流程图如图11所示：基本流程为(1)配置系统参数，包括初始振荡器的选择：带PLL的主(XT,HS或EC)振荡器，使能时钟切换，osc2为通用数字I/O引脚，主振荡器模式为XT，关闭看门狗定时器。(2)系统初始化，包括I/O口初始化，定时器初始化，中断初始化。(3)ADC函数初始化。(4)PWM函数初始化。(5)死循环，等待AD采样数值，若采样结束，计算当前电压值，置电压计算结束标志为1。否则继续执行死循环，等待AD采样数值。

ADC中断函数

ADC中断函数的主要功能是:采样光伏阵列和逆变器输出的电压值、电流值，使系统构成闭环控制系统。系统流程图如图12所示。本设计采用10位AD。每采样一次AD值就进入一次中断，在中断中读取当前ADC的值。

PWM中断函数

PWM中断函数如图13所示，其主要功能是对直流变换电路和逆变电路中的开关管通断时刻进行调节。进入中断后首先执行算法函数，根据计算结果改写PWM1、PWM2的占空比寄存器PDC1、PDC2,当写入占空比寄存器的值使占空比大于90％，则保持90％的占空比输出，当写入占空比寄存器的值使占空比小于10％，则保持10％的占空比输出，否则根据计算值更新PWM2的占空比。这样做的目的是防止开关管长时间的保持导通或关断，对开关管起到保护作用。

定时器1中断函数

定时器1中断函数流程图如图14所示。定时器1中断时间的设置由定时器1的计数初始值决定。本设计采用的DSP外接8MHz晶振，经系统初始化配置后系统的主频为32MHz。定时器1的中断主要控制逆变电路的输出，发出与电网同频同相的电压。采用512点PWM波合成正弦波，则定时器中断时间应为：50Hz*512＝25.6KHz。计数器为向上计数，经计算，计数器初值应为1260。每进入一次中断改变一次PWM的占空比寄存器。其值是依据已算好的正弦表中的数值进行改变。

当捕获中断测得的外电网频率发生变化时，改变定时器1的初始值，从而改变了逆变电路输出频率，使其跟随电网频率变化。测得电网电压幅值波动时，使正弦表中的数值乘以相应的系数，赋值给占空比寄存器，使输出跟随电网电压幅值的变化。检测到电网信号过零点则立即从第零个点开始发送信号，实现相位跟踪。

逆变电路中Q1、Q2的控制信号为低频的50Hz,需控制其在一周期内各导通180°，Q3、Q4为高频的PWM控制信号。低频信号不需要改变占空比，因此通过I/O引脚产生。发送正弦表中的点数小于256时使引脚输出高电平，当发送点数大于256时使引脚呈现低电平。

捕获中断函数

捕获中断函数流程图如图15、图16所示，主要功能为测取电网频率、相位以及求得电网信号与逆变电路发出的信号之间的系统延时，以此为依据决定发送正弦表中数值的时刻。

Claims

1.一种单相光伏并网系统，其特征在于由主回路和控制回路构成，主回路包括DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路，控制回路包括控制单元以及电压、电流、频率、相位、过零检测电路；其中控制单元发出PWM控制信号控制DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路，通过ADC模块采样光伏阵列的电压、电流输出值以及DC-DC升压电路的电压输出值、电网电压值，根据光伏阵列的电压、电流输出值控制DC-DC升压电路完成光伏阵列的最大功率点跟踪，根据电网电压值控制DC-AC逆变器的输出，实现安全并网；电压检测电路检测光伏阵列和电网电压并反馈至控制单元的ADC模块；电流检测电路检测DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路电流并反馈至控制单元的ADC模块；频率、相位检测电路检测DC-AC逆变电路的输出频率和相位，控制单元根据过零检测电路检测到的电网的运行状态控制DC-AC逆变电路的输出与电网同频同相。

2.根据权利要求1所述的单相光伏并网系统，其特征在于所述DC-DC升压电路与DC-AC逆变电路之间设置滤波电路，所述滤波电路采用二阶巴特沃思滤波电路。

3.根据权利要求1所述的单相光伏并网系统，其特征在于所述DC-AC逆变电路采用电压型全桥逆变电路。

4.根据权利要求1所述的单相光伏并网系统，其特征在于所述电流检测电路包括分别设置于DC-DC升压电路和DC-AC逆变电路上的电流传感器，其中DC-AC逆变电路上设置线性霍尔电流传感器。

5.根据权利要求1所述的单相光伏并网系统，其特征在于所述电压检测电路包括光伏阵列输出电压检测电路和并网电压检测电路。

6.一种如权利要求1所述的单相光伏并网系统的并网方法，其特征在于所述方法如下：