CN105305496B - 一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器及其工作方法，该逆变器包括主电路、双核心DSP主控电路、辅助开关电源电路，主电路包括依次相连的前级升压模块、全桥拓扑逆变电路、输出滤波模块，前级升压模块包括两个支路，每一个支路包括输入滤波模块、高频隔离升压电路；双核心DSP主控电路包括第一DSP控制器、第二DSP控制器，第一DSP控制器用于驱动高频隔离升压电路，并进行前级双路太阳能电池板输出最大功率点跟踪控制，第二DSP控制器用于全桥逆变控制和并网电流逆变控制，第一DSP控制器和第二DSP控制器之间通过GPIO模块相连接。本发明采用双DSP，可以进行分时独立控制，提高系统的安全响应速度。同时前级升压模块包括两个支路，具有效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光伏并网逆变器研究领域，特别涉及一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器及其工作方法。
背景技术
人类社会的每一次变革发展，都离不开新能源的使用，能源对科技发展以及人们的生活水平的提高起着极其重要的作用。在传统能源中，以煤炭、石油。天然气等化石能源为主，虽然传统能源的使用促进了工业发展，但同时也引发了一系列的生态环境恶化。化石能源的资源有限，在不合理的使用下，终究会耗尽。因此，为满足能源需求的可持续发展，对新能源的研究已引起高度的重视。
太阳能具有可持续、安全、可靠、环境污染小且不受地域限制等特点，因此光伏发电对人类可持续发展具有重大的意义。其中光伏逆变器是光伏发电应用系统的核心组成部分，目前已有SMA、KACO、Fronius、Satcom等企业进行相应研究。
光伏并网发电系统分为家庭式光伏并网发电系统与电站式光伏并网发电系统，二者区别在于功率级别的不一样，但是家庭式光伏并网发电系统可以克服日照分散性缺点，在灵活性和经济性都比电站式光伏并网发电系统更具有优势。但是目前研究的光伏逆变器多是应用于电站式光伏并网发电系统，不适合大规模的推广，灵活性不够。即使有针对家庭式光伏并网发电系统设计的光伏逆变器，也多存在体积大、效率低等缺点。
因此，随着分布式光伏发电以及移动互联网的高速发展，需要研究一种适合大规模推广的、高效率的、具有数据传送功能的光伏并网逆变器，具有重要的实用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，该逆变器基于双DSP核心，采用前级双路升压模块，具有效率高、成本低、体积小的优点。
本发明的另一目的在于提供一种上述双支路结构的隔离型光伏并网逆变器的工作方法，该方法具有控制简单、数据传送便捷稳定的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，包括主电路、双核心DSP主控电路、辅助开关电源电路，所述主电路包括依次相连的前级升压模块、全桥拓扑逆变电路、输出滤波模块，输出滤波模块的输出端与电网连接，所述前级升压模块包括两个支路，每一个支路包括依次相连的输入滤波模块、高频隔离升压电路，所述输入滤波模块的输入端与太阳能电池板相连；所述双核心DSP主控电路包括第一DSP控制器、第二DSP控制器，所述第一DSP控制器用于驱动高频隔离升压电路，并进行前级双路太阳能电池板输出最大功率点跟踪控制，所述第二DSP控制器与一并网输出检测模块相连，并网输出检测模块的输入端分别与电网、全桥拓扑逆变电路的输出端连接，所述第二DSP控制器用于全桥逆变控制和并网电流逆变控制，第一DSP控制器和第二DSP控制器之间通过GPIO模块相连接；所述辅助开关电源电路用于为逆变器提供±15V及5V的直流电压。本发明采用双DSP进行控制，可以进行分时独立控制，提高系统的安全响应速度。同时前级升压模块包括两个支路，具有效率高的优点。
优选的，所述逆变器还包括光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、过压欠压保护模块、过热保护模块、过流保护模块，所述光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块通过ADC模块与第一DSP控制器连接；所述过压欠压保护模块、过热保护模块、过流保护模块通过GPIO模块与第一DSP控制器连接；所述并网输出检测模块包括并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块、并网频率采样检测模块，并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块通过ADC模块与第二DSP控制器连接；所述并网频率采样检测模块通过ECAP模块与第二DSP控制器连接。通过上述模块，两个DSP控制器可对整个逆变器的检测、保护电路进行实时监控。
优选的，所述逆变器还包括WIFI232无线通信模块，该模块通过UART模块与第一DSP控制器连接。通过采用WIFI232无线通信模块，可以进行逆变器的通讯组网，进而进行集中式监控。采用UART模块，可利用UART串口通信功能，应用工业Modbus通信协议，并使用循环冗余校验码(Cyclic Redundancy Check，CRC)对数据流进行校正，提高通信功能的稳定性，以及数据的可信性。
优选的，所述辅助开关电源电路为ICE3BR2280JZ反激式辅助电源。
优选的，所述第一DSP控制器还与一显示装置通过GPIO模块相连，用于进行监控参数的显示。
优选的，所述输入滤波模块采用EMI滤波器，所述输出滤波模块采用EMC滤波器。
优选的，所述主电路采用模块式设计，包括INPUT-OUTPUT模块和POWERCHANGE模块两个集成模块，所述INPUT-OUTPUT模块集成有输入滤波模块、输出滤波模块、孤岛效应保护模块、辅助开关电源电路，其中输入滤波模块通过INPUT-OUTPUT模块的输入端与太阳能电池板相连，辅助开关电源电路的输出端通过INPUT-OUTPUT模块的输出端为逆变器提供稳定的各级电压；
所述POWERCHANGE模块包括高频隔离升压电路、高频隔离开关管驱动模块、开关管驱动保护模块、全桥拓扑逆变电路、全桥开关管驱动模块，其中全桥开关管驱动模块采用两路变压器实现对全桥拓扑逆变电路中全桥开关管的三电平供电，使用光耦进行光耦隔离驱动。
一种上述双支路结构的隔离型光伏并网逆变器的工作方法，所述逆变器采用双核心DSP主控电路，第一DSP控制器和第二DSP控制器工作于分时独立模式，所述逆变器工作模式包括五种，分别为：等待模式、检查模式、正常工作模式、错误模式、重新连接模式；其工作方法如下：
(1)当逆变器初次启动时，先处于等待模式，然后第一DSP控制器开始对各个参数进行采集和检测，若母线电压大于预设的值，则第一DSP控制器进入检查模式；
(2)若检查当前逆变器无故障，则进入正常工作模式，进行最大功率跟踪和锁相并网，如果有故障，则逆变器进入错误模式，关闭驱动输出，与电网断开连接。
具体的，所述步骤(2)中，进行最大功率跟踪和锁相并网的过程是：在正常工作模式时，第一DSP控制器先调用软启动升压，再调用PI算法进行稳压，当前级升压完成后，第一DSP控制器通过同步GPIO模块通知第二DSP控制器闭合其内部的后级继电器，第一DSP控制器进入最大功率跟踪工作模式，第二DSP控制器进入无差拍并网和孤岛保护模式。
优选的，步骤(2)中，在错误模式下，若逆变器在一定时间内检测正常，则进入重新连接模式，重新连接若干秒后，检查无故障则再次进入正常工作模式进行工作。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明针对现有光伏并网逆变器系统控制的需求，设计了采用两片DSP控制器的主控制板，提出分时独立控制模式，进一步使光伏并网逆变器前级和后级控制模块化。在不增加成本的情况下，两片DSP通用采用若干个GPIO模块进行协调控制，相互独立工作的同时，可以实时监控通信，提高系统的安全响应速度。
2、本发明采用模块式设计，将前级输入回路和后级输出回路作为主电路的INPUT-OUTPUT模块，将前级高频隔离开关管电路和后级全桥逆变电路作为主电路的POWERCHANGE模块。在没有增加设计难度和系统成本情况下，本发明具有易于设计实现，功能模块化，外部设备接入复杂度低，成本低，适合推广应用的优点。
附图说明
图1是本发明所述逆变器的原理框图。
图2是本发明所述逆变器主电路的电路图。
图3是本实施例逆变器工作过程示意图。
图4是本实施例中双DSP核心控制策略框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，包括主电路、双核心DSP主控电路，辅助开关电源电路、WIFI232无线通信模块。主电路由前级升压模块、全桥逆变电路、EMC滤波器、并网输出检测模块组成，其中前级升压模块包括两支路的EMI滤波器、高频隔离升压电路、高频隔离开关管驱动模块、开关管驱动保护模块。辅助开关电源电路采用ICE3BR2280JZ反激式辅助电源，用于为系统各芯片提供稳定的±15V及5V直流电压。采用WIFI232无线通信模块可以进行逆变器的通讯组网。同时，本实施例还包括一LCD1602液晶屏，通过该装置进行系统人机交互显示，再加上采用WIFI232无线通信模块，可以实现电脑监控终端对逆变器进行集中式监控。
双DSP核心主控电路包括第一DSP控制器和第二DSP控制器，两个控制器均采用TMS320F28035数字信号处理器。第一DSP控制器还通过ADC模块与光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块连接，通过GPIO模块与过压欠压保护模块、过热保护模块、过流保护模块连接。第二DSP控制器通过ADC模块与并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块连接，通过ECAP模块与并网频率采样检测模块连接。两个DSP控制器之间也通过GPIO模块连接，可对整个逆变器的检测、保护电路进行实时监控。
参见图2，本实施例的主电路采用高频隔离型+全桥拓扑逆变，实现PV直流端与交流端的隔离，前级采用两路20KHz的高频隔离升压电路作为DC/DC电路，后级选择了全桥拓扑的逆变电路，其中第一DSP控制器对前级双路式升压电路进行控制，并负责系统的工作模式状态机控制，包括前级升压模式，前级双路太阳能板输出最大功率点跟踪模块，系统人机显示；第二DSP控制器对后级全桥逆变电路进行控制，负责系统逆变并网控控制，包括数字锁相环功能，孤岛保护功能，正弦逆变功能。
本实施例中，所述的主电路采用模块式设计，将前级输入回路和后级输出回路作为主电路的INPUT-OUTPUT模块，将前级高频隔离开关管电路和后级全桥逆变电路作为主电路的POWERCHANGE模块。所述的INPUT-OUTPUT模块包括EMI滤波器、EMC滤波器、孤岛效应保护模块，以及辅助开关电源电路，INPUT-OUTPUT模块的输入端与太阳能电池板连接，输出端给各种控制芯片和驱动芯片提供稳定的±15V及5V直流电压。所述POWERCHANGE模块包括高频隔离升压电路、前级开关管驱动模块(高频隔离开关管驱动模块、开关管驱动保护模块)、全桥拓扑逆变电路、全桥开关管驱动模块，其中全桥开关管驱动模块采用两路变压器实现对全桥拓扑逆变电路中全桥开关管的三电平供电，使用光耦进行光耦隔离驱动。
下面通过双支路结构的高频隔离型光伏并网逆变器的系统工作状态，以及双核心DSP分时独立工作流程两部分说明系统工作原理。
如图3所示的光伏并网逆变器工作过程示意图。逆变器有五个模式状态，分别为等待模式、检查模式、正常工作模式、错误模式、重新连接模式。当逆变器初次启动时，系统处于等待模式，第一DSP控制器开始对各参数进行检测，若母线电压大于150V后，则第一DSP控制器进入检查模式，检测无故障才能进行最大功率跟踪和锁相并网功能，进入正常工作模式，当出现故障时，系统立刻进入错误模式，关闭驱动输出，与电网断开连接。在错误模式下，系统若在一分钟内检测正常，进入重新连接模式，重新连接60秒后，无故障再次进入正常工作模式正常工作。
如图4所示的双DSP核心控制流程图，在图3所述工作流程的基础上，双DSP核心分时独立工作的流程如下：在系统处于等待模式时，第一DSP控制器、第二DSP控制器均处于等待模式，然后进入检查模式。判断当前状态是否正常，如果正常，则第一DSP控制器先调用软启动升压，再调用PI算法进行稳压400V，第二DSP控制器则等待前级DSP工作模式的切换，当前级升压完成后，第一DSP控制器通过同步GPIO输入输出端通知后级第二DSP控制器闭合后级继电器，此时系统进入正常工作模式，前级第一DSP控制器进入最大功率跟踪工作模式，后级第二DSP控制器进入无差拍并网和孤岛保护模式。两片DSP通过GPIO模块的接口，进行模式切换的通知。
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 (8)
1.一种双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，包括主电路、双核心DSP主控电路、辅助开关电源电路，所述主电路包括依次相连的前级升压模块、全桥拓扑逆变电路、输出滤波模块，输出滤波模块的输出端与电网连接，所述前级升压模块包括两个支路，每一个支路包括依次相连的输入滤波模块、高频隔离升压电路，所述输入滤波模块的输入端与太阳能电池板相连；所述双核心DSP主控电路包括第一DSP控制器、第二DSP控制器，所述第一DSP控制器用于驱动高频隔离升压电路，并进行前级双路太阳能电池板输出最大功率点跟踪控制，所述第二DSP控制器与一并网输出检测模块相连，并网输出检测模块的输入端分别与电网、全桥拓扑逆变电路的输出端连接，所述第二DSP控制器用于全桥逆变控制和并网电流逆变控制，第一DSP控制器和第二DSP控制器之间通过GPIO模块相连接；所述辅助开关电源电路用于为逆变器提供±15V及5V的直流电压；
所述主电路采用模块式设计，包括INPUT-OUTPUT模块和POWERCHANGE模块两个集成模块，所述INPUT-OUTPUT模块集成有输入滤波模块、输出滤波模块、孤岛效应保护模块、辅助开关电源电路，其中输入滤波模块通过INPUT-OUTPUT模块的输入端与太阳能电池板相连，辅助开关电源电路的输出端通过INPUT-OUTPUT模块的输出端为逆变器提供稳定的各级电压；
所述POWERCHANGE模块包括高频隔离升压电路、高频隔离开关管驱动模块、开关管驱动保护模块、全桥拓扑逆变电路、全桥开关管驱动模块，其中全桥开关管驱动模块采用两路变压器实现对全桥拓扑逆变电路中全桥开关管的三电平供电，使用光耦进行光耦隔离驱动；
所述逆变器还包括光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块、过压欠压保护模块、过热保护模块、过流保护模块，所述光伏电池电流采样模块、光伏电池电压采样模块通过ADC模块与第一DSP控制器连接；所述过压欠压保护模块、过热保护模块、过流保护模块通过GPIO模块与第一DSP控制器连接；所述并网输出检测模块包括并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块、并网频率采样检测模块，并网电流采样反馈模块、并网电压采样检测模块通过ADC模块与第二DSP控制器连接；所述并网频率采样检测模块通过ECAP模块与第二DSP控制器连接。
2.根据权利要求1所述的双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，所述逆变器还包括WIFI232无线通信模块，WIFI232无线通信模块通过UART模块与第一DSP控制器连接。
3.根据权利要求1所述的双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，所述辅助开关电源电路为ICE3BR2280JZ反激式辅助电源。
4.根据权利要求1所述的双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一DSP控制器还与一显示装置通过GPIO模块相连，用于进行监控参数的显示。
5.根据权利要求1所述的双支路结构的隔离型光伏并网逆变器，其特征在于，所述输入滤波模块采用EMI滤波器，所述输出滤波模块采用EMC滤波器。
6.一种权利要求1-5任一项所述的双支路结构的隔离型光伏并网逆变器的工作方法，其特征在于，所述逆变器采用双核心DSP主控电路，第一DSP控制器和第二DSP控制器工作于分时独立模式，所述逆变器工作模式包括五种，分别为：等待模式、检查模式、正常工作模式、错误模式、重新连接模式；其工作方法如下：
(1)当逆变器初次启动时，先处于等待模式，然后第一DSP控制器开始对各个参数进行采集和检测，若母线电压大于预设的值，则第一DSP控制器进入检查模式；
(2)若检查当前逆变器无故障，则进入正常工作模式，进行最大功率点跟踪和锁相并网，如果有故障，则逆变器进入错误模式，关闭全桥开关管驱动模块的输出，令全桥开关管不工作，从而与电网断开连接。
7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，进行最大功率点跟踪和锁相并网的过程是：在正常工作模式时，第一DSP控制器先调用软启动升压，再调用PI算法进行稳压，当前级升压完成后，第一DSP控制器通过同步GPIO模块通知第二DSP控制器闭合其内部的后级继电器，第一DSP控制器进入最大功率点跟踪工作模式，第二DSP控制器进入无差拍并网和孤岛保护模式。
8.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于，步骤(2)中，在错误模式下，若逆变器在一定时间内检测正常，则进入重新连接模式，重新连接若干秒后，检查无故障则再次进入正常工作模式进行工作。
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