CN107658902A - 一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,属于太阳能光伏发电与清洁能源应用领域,包括光伏阵列、双核处理器、直流升压控制电路、超级电容、直流‑交流逆变电路、核心双核处理器、储能模块、电能质量检测及双向电能计量模块、电能质量检测与电能计量芯片、信号调理电路、时钟电路、直流电参数采集模块、电能质量监控核心芯片、直流电压取样电路、直流电流取样电路、互感器模块、DC/AC转换芯片、DC/DC转换芯片、显示模块、通信模块;本发明提出一种以专用电能质量监控芯片和专用高集成度双核光伏逆变器专用处理器芯片为核心的光伏并网逆变器,具有外围电路简单,运算速度高,测量精确,稳定可靠的特点,实现了光伏并网逆变器的智能化。

Description

一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电与清洁能源应用领域,特别涉及一种光伏逆变器。
背景技术
光伏发电作为一种可再生能源的利用形式越来越得到重视和大力发展,分布式发电和微电网已经成为未来电网发展的必然趋势。分布式发电和微网一般以一家一户为单位并入低压配电网(380V或220V),具有明显的分散性、地域性和不确定性,大量的民用新能源并入电网也将带来电网格局的改变,对配电网电能质量的不利影响也逐渐显现出来。本发明整合光伏逆变器、双向电能计量表和电能质量分析仪等功能与一体,构造一种带有电能质量监控功能的光伏并网逆变器。
常规光伏逆变器一般不具备电能质量分析和监控功能。例如,有公开号CN107040148A,名称为《一种光伏逆变器》的中国专利。该专利所发明光伏逆变器由直流接口件、电源模块、电容模块、IGBT模块、电源板和采样板等构成,属离网型逆变器,该逆变器无电能质量测量环节、无电能计量环节,对于所逆变产生的交流电质量合格与否无法监测,对于未来微电网的发展存在潜在的电能质量隐患。
有公开号CN107086808A,名称为《一种光伏逆变器及其控制方法》的中国专利,该专利所发明的光伏逆变器采用了独立双CPU设计,其目的在于解决数据传输慢,CPU的负荷大,容易导致CPU过量发热和烧毁问题。该设计采用独立双 CPU结构,控制电路复杂,独立双CPU同时工作时容易产生电磁干扰,影响逆变器工作的稳定性和可靠性。该发明中同样无法实现对逆变后交流电的电能质量控制。
有公开号CN105610311A,名称为《一种光伏逆变器谐波抑制的方法与装置》的中国专利。该专利所发明光伏逆变器通过建立d-q坐标系下的并网逆变模型,采用PI控制器和重复控制器分别对谐波电流的输入误差信号进行控制,可以有效改善逆变后交流电中的谐波含量。该设计仅是通过控制方法的改进来减少输出交流电的谐波含量,缺少对某次谐波的针对性。同时该发明没有考虑电能质量的诸如频率波动和闪变等指标,也没有提到专用的并网后双向电能计量的问题。
有公开号CN105024385A和CN1041130881A的分案申请专利,名称分别为《改善电网的电能质量、具无功补偿功能的光伏逆变器电路》和《具有无功补偿功能的光伏逆变器电路》的中国专利。该两项专利所发明电路的目的在于通过无功补偿功能改善电网电能质量。该两项发明电路由电压检测环节、电流检测环节、无功测量环节和IGBT逆变及其控制环节构成,通过实时测量无功并通过控制IGBT对无功输出进行补偿来提高逆变器的转换效率,改善逆变输出的电压特性是有益的。但是,该发明电路并未涉及国家所规定的电能质量指标检测电路,无法对所逆变电能进行全面的质量控制。
知网检索有2013年湖北工业大学姚凯的硕士学位论文和同一作者发表在《电源技术》2015年第10期第2189至第2192页上的期刊论文,题目为《融合电能质量控制的光伏逆变技术研究》。论文针对光伏逆变器的现有技术现状,提出了通过检测基于瞬时无功功率的ip-iq方法,对被测电流中的有功、无功和谐波分量进行分离,在通过综合控制算法控制逆变电路的补偿输出。此方法对消除谐波虽然具有一定效果,但存在如下问题和缺陷:第一,仅考虑了电能质量的谐波指标,对电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变及三相不平衡等指标均未加以考虑。第二,仅提供了Matlab仿真数据,未给出具体的谐波检测方法与电路。第三,论文仅为理论研究成果,未提供实施例。
综上,随着微电网技术的发展和微电网的普遍推广,电力系统和用户对电能质量的要求将越来越高。目前的分布式太阳能光伏发电并网逆变器普遍缺少对逆变器输出电能质量进行实时监控的手段,同时由于现有产品大多采用集成度较低的多个数据采集和处理芯片来完成,逆变器的功能相对比较单一,其运行的可靠性也有待进一步提高。
因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
针对现有光伏并网逆变器技术存在的不足,本发明的目的是提供一种带有电能质量监控及双向电能计量功能的光伏并网逆变器。
一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,其特征是:包括光伏阵列、双核处理器组、储能模块、电能质量检测及双向电能计量模块、直流电参数采集模块、互感器模块、DC/AC转换芯片、DC/DC转换芯片、显示模块及通信模块;
所述光伏阵列与DC/DC转换芯片的输入端连接;
所述双核处理器组与显示模块及通信模块连接,且双核处理器组通过SPI 总线与电能质量检测及双向电能计量模块及直流电参数采集模块连接;
所述双核处理器组包括直流升压控制电路、超级电容、直流-交流逆变电路及核心双核处理器;
所述直流升压控制电路与核心双核处理器上的Cortex-M0芯片的PWM-A组端口连接;
所述直流-交流逆变电路与核心双核处理器上的Cortex-M4芯片的PWM-B组端口连接;
所述储能模块由超级电容组成,且其输入端与DC/DC转换芯片连接,所述储能模块的输出端与DC/AC转换芯片的输入端连接;
所述电能质量检测及双向电能计量模块的输入端通过互感器模块与DC/AC 转换芯片的输出端连接,且电能质量检测及双核处理器模块的输入端与双核处理器组连接;
所诉电能质量检测及双向电能计量模块包括电能质量检测与电能计量芯片、信号调理电路及时钟电路;
所述信号调理电路接受互感器模块输出的三相交流电压、三相交流电流及零线电流,将其转换为双核处理器组输入所要求的240mV范围;
所述电能质量检测与电能计量芯片分别与信号调理电路及时钟电路连接;
所述时钟电路为电能质量检测与电能计量芯片提供工作时钟信号;
所述直流电参数采集模块的输入端与DC/DC转换芯片的输出端连接;
所述直流电参数采集模块包括电能质量监控核心芯片,直流电压取样电路及直流电流取样电路;
所述直流电压取样电路与DC/DC转换芯片连接,用于测量DC/DC转换芯片的电压信息;
所述直流电流取样电路与DC/DC转换芯片连接,用于测量DC/DC转换芯片的电流信息;
所述直流电压取样电路的直流电压输出端与电能质量监控核心芯片的通道 VA和VB相连;
所述直流电压取样电路的直流电压输出端与电能质量监控核心芯片的通道 IA和IB相连;
所述DC/AC转换芯片与低压电网连接,且DC/AC转换芯片分别与双核处理器组上的直流-交流逆变电路连接。
所述双核处理器组采用ADI公司的ADSP-CM419F芯片。
所述电能质量检测与双向电能计量模块的电能质量检测与电能计量芯片采用ADI公司的ADE9000芯片。
所述直流电参数采集模块的电能质量监控核心芯片采用ADI公司的ADE9000 芯片。
通过上述设计,本发明有如下有益效果:提出一种以专用电能质量监控芯片和专用高集成度双核光伏逆变器专用处理器芯片为核心的光伏并网逆变器解决方案,可以对电能质量进行监测。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明的双核处理器组的工作流程图。
图中1-光伏阵列、2-双核处理器组、201-直流升压控制电路、202-超级电容、203-直流-交流逆变电路、204-核心双核处理器、3-储能模块、4-电能质量检测及双向电能计量模块、401-电能质量检测与电能计量芯片、402-信号调理电路、403-时钟电路、5-直流电参数采集模块、501-电能质量监控核心芯片、 502-直流电压取样电路、503-直流电流取样电路、6-互感器模块、7-DC/AC转换芯片、8-DC/DC转换芯片、9-显示模块、10-通信模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,其特征是:包括光伏阵列1、双核处理器组2、储能模块3、电能质量检测及双向电能计量模块4、直流电参数采集模块5、互感器模块6、DC/AC转换芯片7、DC/DC转换芯片8、显示模块 9及通信模块10;
所述光伏阵列1与DC/DC转换芯片8的输入端连接;
所述双核处理器组2与显示模块9及通信模块10连接,且双核处理器组2 通过SPI总线与电能质量检测及双向电能计量模块4及直流电参数采集模块5 连接;
所述双核处理器组2包括直流升压控制电路201、超级电容202、直流-交流逆变电路203及核心双核处理器204;
所述直流升压控制电路201由IGBT构成,且其与核心双核处理器204上的 Cortex-M0芯片的PWM-A组端口连接,核心双核处理器204上的Cortex-M0芯片对直流升压控制电路201进行控制和调节;
所述超级电容202用于直流储能;
所述直流-交流逆变电路203由IGBT构成,且其与核心双核处理器204上的Cortex-M4芯片的PWM-B组端口连接,核心双核处理器204上的Cortex-M4 芯片用于对直流-交流逆变电路203进行控制和调节,以保证电能质量符合相关标准;
所述储能模块3由超级电容组成,且其输入端与DC/DC转换芯片8连接,所述储能模块3的输出端与DC/AC转换芯片7的输入端连接;
所述电能质量检测及双向电能计量模块4的输入端通过互感器模块6与 DC/AC转换芯片7的输出端连接,且电能质量检测及双核处理器模块4的输入端与双核处理器组2连接;
所诉电能质量检测及双向电能计量模块4包括电能质量检测与电能计量芯片401、信号调理电路402及时钟电路403;
所述信号调理电路402接受互感器模块6输出的三相交流电压、三相交流电流及零线电流,将其转换为双核处理器组2输入所要求的240mV范围;
所述电能质量检测与电能计量芯片401分别与信号调理电路402及时钟电路403连接;
所述时钟电路403为电能质量检测与电能计量芯片401提供工作时钟信号;
电能质量检测和电能加量由电能质量检测及双向电能计量模块4完成,互感器模块6取得的三相交流电压VA、VB、VC和三相交流电流IA、IB、IC及零线电流IN信号经信号调理电路402调理成电能质量检测与电能计量芯片401所能接受的输入信号,由电能质量检测与电能计量芯片401完成交流电能质量指标的测量和电能的累积,其结果以串行通信的方式输入到双核处理器组2。
所述直流电参数采集模块5的输入端与DC/DC转换芯片8的输出端连接;
所述直流电参数采集模块5包括电能质量监控核心芯片501,直流电压取样电路502及直流电流取样电路503;
所述直流电压取样电路502与DC/DC转换芯片8连接,用于测量DC/DC转换芯片8的电压信息;
所述直流电流取样电路503与DC/DC转换芯片8连接,用于测量DC/DC转换芯片8的电流信息;
所述直流电压取样电路502的直流电压输出端与电能质量监控核心芯片501 的通道VA和VB相连;
所述直流电压取样电路502的直流电压输出端与电能质量监控核心芯片501 的通道IA和IB相连;
DC/DC转换芯片8两侧的直流电压和直流电流分别通过直流电压取样电路 502和直流电流取样电路503与电能质量监控核心芯片501的电压输入VA、VB 和电流输入IA、IB相连,经电能质量监控核心芯片501采集和计算的直流电参数以串行通信的形式传送给双核处理器组2,由双核处理器组2发出DC/DC转换芯片8变换的控制信号。
所述DC/AC转换芯片7与低压电网连接,且DC/AC转换芯片7分别与双核处理器组2上的直流-交流逆变电路203连接。
经DC/AC转换芯片7逆变后的交流电经互感器模块6送入电能质量检测及双向电能计量模块4,完成电能质量指标的检测和电能计量,检测和计量结果以串行通信的方式送入双核处理器组2,通过运算后发出对DC/AC转换芯片7的控制指令,并调整其输出合格的电能并入低压电网。
所述双核处理器组2采用ADI公司的ADSP-CM419F芯片。
所述电能质量检测与双向电能计量模块4的电能质量检测与电能计量芯片 401采用ADI公司的ADE9000芯片。
所述直流电参数采集模块5的电能质量监控核心芯片501采用ADI公司的 ADE9000芯片。
所述光伏阵列1输出直流电流进入DC/DC转换芯片8,DC/DC转换芯片8转换后输入由超级电容组成的储能模块3进行升压,升压后的电流输入DC/AC转换芯片7。
图2为本发明的双核处理器组2的工作流程图,直流电压电流测量由双核处理器组2ADSP-CM419F的处理器Cortex-M0完成,对直流电压电流的偏差进行判断,如果偏差不满足运行要求则由双核处理器组2ADSP-CM419F的处理器 Cortex-M0计算PWM的占空比进行调节,直到直流输出满足要求为止。交流电压电流测量完成交流输出参数的测量并计算电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波等电能质量指标,对各项指标是否满足要求进行比较并产生交流PWM调整信号,调节逆变电路的输出,直至电能质量满足要求。

Claims (4)

1.一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,其特征是:包括光伏阵列(1)、双核处理器组(2)、储能模块(3)、电能质量检测及双向电能计量模块(4)、直流电参数采集模块(5)、互感器模块(6)、DC/AC转换芯片(7)、DC/DC转换芯片(8)、显示模块(9)及通信模块(10);
所述光伏阵列(1)与DC/DC转换芯片(8)的输入端连接;
所述双核处理器组(2)与显示模块(9)及通信模块(10)连接,且双核处理器组(2)通过SPI总线与电能质量检测及双向电能计量模块(4)及直流电参数采集模块(5)连接;
所述双核处理器组(2)包括直流升压控制电路(201)、超级电容(202)、直流-交流逆变电路(203)及核心双核处理器(204);
所述直流升压控制电路(201)与核心双核处理器(204)上的Cortex-M0芯片的PWM-A组端口连接;
所述直流-交流逆变电路(203)与核心双核处理器(204)上的Cortex-M4芯片的PWM-B组端口连接;
所述储能模块(3)由超级电容组成,且其输入端与DC/DC转换芯片(8)连接,所述储能模块(3)的输出端与DC/AC转换芯片(7)的输入端连接;
所述电能质量检测及双向电能计量模块(4)的输入端通过互感器模块(6)与DC/AC转换芯片(7)的输出端连接,且电能质量检测及双核处理器模块(4)的输入端与双核处理器组(2)连接;
所诉电能质量检测及双向电能计量模块(4)包括电能质量检测与电能计量芯片(401)、信号调理电路(402)及时钟电路(403);
所述信号调理电路(402)接受互感器模块(6)输出的三相交流电压、三相交流电流及零线电流,将其转换为双核处理器组(2)输入所要求的240mV范围;
所述电能质量检测与电能计量芯片(401)分别与信号调理电路(402)及时钟电路(403)连接;
所述时钟电路(403)为电能质量检测与电能计量芯片(401)提供工作时钟信号;
所述直流电参数采集模块(5)的输入端与DC/DC转换芯片(8)的输出端连接;
所述直流电参数采集模块(5)包括电能质量监控核心芯片(501),直流电压取样电路(502)及直流电流取样电路(503);
所述直流电压取样电路(502)与DC/DC转换芯片(8)连接,用于测量DC/DC转换芯片(8)的电压信息;
所述直流电流取样电路(503)与DC/DC转换芯片(8)连接,用于测量DC/DC转换芯片(8)的电流信息;
所述直流电压取样电路(502)的直流电压输出端与电能质量监控核心芯片(501)的通道VA和VB相连;
所述直流电压取样电路(502)的直流电压输出端与电能质量监控核心芯片(501)的通道IA和IB相连;
所述DC/AC转换芯片(7)与低压电网连接,且DC/AC转换芯片(7)分别与双核处理器组(2)上的直流-交流逆变电路(203)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,其特征是:所述双核处理器组(2)采用ADI公司的ADSP-CM419F芯片。
3.根据权利要求1所述的一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,其特征是:所述电能质量检测与双向电能计量模块(4)的电能质量检测与电能计量芯片(401)采用ADI公司的ADE9000芯片。
4.根据权利要求1所述的一种具有电能质量监控功能的光伏并网逆变器,其特征是:所述直流电参数采集模块(5)的电能质量监控核心芯片(501)采用ADI公司的ADE9000芯片。
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