CN107689635A - 一种新型光伏并网逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光伏并网逆变器，包括三个结构相同的逆变单元以及各逆变单元的控制单元，各逆变单元的输入端分别与太阳能电池板阵列的储能单元相连，三个逆变单元的输出端星形连接后可与电网连接，所述控制单元包括可采集电网中各相幅值和频率的信号采集模块以及对信号采集模块采集的信号进行处理后对逆变单元可否接入电网进行控制的主控模块，所述每个逆变单元包括由四个IGBT器件组成的全桥电路，全桥电路的两个桥臂与太阳能电池板阵列的储能单元相连，另两个桥臂与一变压器的初级线圈相连，变压器次级线圈连接由主控模块控制启闭的交流接触器，交流接触器与电网相连。该逆变器效率高、可靠性高，能使并网电流谐波含量变得极小，特别适用于电能质量较差的地区光伏的并网发电。

Description

一种新型光伏并网逆变器

技术领域

本发明属于光伏发电与电气技术领域，具体涉及一种新型光伏并网逆变器。

背景技术

由于全球能源资源的危机，环境污染的日益加大等因素促使越来越多的国家开始意识到加强可再生能源开发利用才是应对日益严重的能源和环境问题、实现可持续发展的必由之路。而太阳能因其清洁、高效和永不衰竭的特点成为可再生新能源中最具活力的绿色能源。太阳能的并网发电技术把太阳能通过并网逆变装置直接馈入电网，因其无需储能、结构简单等独特优势，使其很快成为世界各国专家研究开发的热点。太阳能并网运行方式也迅速成为光伏应用的一种主要形式。

太阳能并网发电系统核心为并网逆变控制器。在大功率并网电站设计中，均采用三相并网输出方式，因此三相并网逆变器的性能优劣决定了整个电站能否稳定安全运行。目前，大功率并网逆变器主要依赖进口，但由于国内各地电网质量差别较大，在电网质量较差的地区，往往三相电压不均衡，波形畸变较大，此时，三相并网逆变器就会出现并网电流谐波含量增加，系统效率降低，运行不稳定等问题，甚至不能正常工作。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对现有技术中并网逆变控制器所存在的上述不足，提供一种高效率、高可靠性，能使并网电流谐波含量极小的新型光伏并网逆变器，该逆变器尤其适合于电能质量较差的地区光伏的并网发电。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该三相光伏并网逆变器包括三个结构相同的逆变单元以及各逆变单元的控制单元，各逆变单元的输入端分别与太阳能电池板阵列的储能单元相连，三个逆变单元的输出端星形连接(符合三相四线制)后可与电网连接，所述控制单元包括可采集电网中各相幅值和频率的信号采集模块以及主控模块，主控模块对信号采集模块采集的信号进行处理后对逆变单元进行驱动控制和可否接入电网进行控制，所述逆变单元可包括由四个IGBT器件组成的全桥电路，全桥电路的两个桥臂与太阳能电池板阵列的储能单元相连，另两个桥臂与一变压器的初级线圈相连，变压器次级线圈连接由主控模块控制启闭的交流接触器，交流接触器与电网相连。

优选的是，所述变压器的初级线圈中还可连接有用于滤波的电抗器和电容，其次级线圈中还可连接有用于滤波的交流滤波器。

优选的是，主控模块采用高速数字信号处理器DSP芯片，其包括PWM产生模块、捕捉模块和AD转换模块。

高速数字信号处理器DSP芯片采用专用于工业控制领域的16位DSP芯片TMS320LF2407A作为控制核心的主控模块，来控制每一相都能独立快速跟踪电网电压的频率、相位和幅值的变化，其包括PWM产生模块、捕捉模块和AD转换模块。

其中，信号采集模块包括可采集电池板阵列电压Ud的直流电压信号采集模块和采集电网电压Ua、Ub、Uc及电网电流Ia、Ib、Ic的信号采集模块，当电池板阵列电压Ud达到设定电压时，主控模块通过对信号采集模块采集的信号检测电网电压Ua、Ub、Uc和电网电流Ia、Ib、Ic来检测电网电压的幅值和频率，当主控模块内的捕捉模块得到电网同步信号后，通过其内的数字锁相环使逆变单元的输出电压与电网电压的相位保持同步，并调节逆变单元的输出电压幅值，使之与电网电压幅值一致后，主控模块指令逆变单元接入电网电池板阵列电压Ud的采集模块采用线性光耦HCNR200。即在信号采集模块中，通过线性光耦HCNR200采集电池板阵列电压Ud。

电网电压Ua、Ub、Uc采集模块器件采用电流型的电压传感器，信号通过电流型的电压传感器隔离后经过滤波，经相位补偿电路后分两路输出，一路通过过零比较器得到电网电压的同步信号并送入主控模块的捕捉输入口，另一路直接送入主控模块的AD输入口。

电网电流Ia、Ib、Ic采集模块采用霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器采集并隔离后送入主控模块的AD输入口。

这样，通过三个独立的单相并网逆变单元输出经同步拟合后可将太阳能馈入三相电网。

本发明与现有的三相并网逆变器相比，具有以下有益效果：

其一，当电网电压中的三相不均衡时，并网电流每一相均能快速跟踪电网电压的频率、相位和幅值的变化，且并网电流总谐波含量明显降低，输出功率平稳，系统运行稳定可靠。

其二，当电网电压总畸变率超过5％时，并网电流总畸变率仍小于4％。

其三，与直接利用三个单相并网逆变器相比，本发明可以同步进行三相的并入和退出，并减少了并网接入交流接触器的触点数，节省了柜体空间，降低了整个系统的制造成本。

附图说明

图1为本发明的电路原理图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明逆变器包括三个结构相同的逆变单元以及各逆变单元的控制单元。

太阳能电池板阵列输出经储能电容C1后分别输入三个单相并网逆变单元，每个逆变单元包括由4个IGBT器件组成全桥电路，全桥电路输出经过一个电抗器(L1、L2或L3)和电容(C2、C3或C4)滤波后，接工频变压器(T1、T2或T3)的初级线圈，工频变压器的次级线圈隔离并变换电压，再通过交流滤波器(Fa、Fb或Fc)，最后三个逆变单元输出采用星形连接后分别通过交流接触器K1和K2接入电网。

控制单元包括主控模块和信号采集模块。本实施例中主控模块控制芯片采用工业设计专用的高性能16位DSP芯片TMS320LF2407A，该处理器内置PWM产生模块可以产生SPWM调制信号，捕捉模块可以快速捕捉电网电压的同步信号和10位高速AD转换模块。利用DSP芯片内部PWM产生模块生成正弦调制脉冲，经IGBT器件组成的驱动模块为逆变桥提供驱动信号。

本实施例中，每个逆变单元均有独立对其进行控制的采用独立的主控模块和信号采集模块。

同时，由于本发明逆变器采用的是三个独立逆变单元组合三相的方式，因此必须保证三个逆变单元的同步接入和退出。本系统采用主从控制方法实现此功能，即把三个独立的逆变单元分为一个主单元，另两个设为从单元，主从单元的设置是利用控制模块的切换开关来实现的。其中，主单元协调三个逆变单元的输出，并控制交流接触器K1和K2的开闭以保证三相的同步接入和退出电网。这种方式控制简单，性能稳定可靠。

信号采集模块以12K的固定频率采集太阳能电池板阵列电压Ud、电网电压Ua、Ub或Uc，和并网电流Ia、Ib、Ic。其中直流电压Ud采用线性光耦HCNR200实现直流电压采集，同时使信号采集模块与高压母线隔离。三相电网电压Ua、Ub和Uc采用电流型的电压传感器隔离后滤波，经相位补偿电路后其输出分成两路，一路通过过零比较器得到电网电压的同步信号并送入DSP芯片的捕捉输入口，另一路直接送入DSP芯片的AD输入口，由其内部的AD转换模块完成数据采样。并网电流Ia、Ib和Ic通过高精度和线性度的霍尔电流传感器隔离后送入AD输入口进行高速采样。再通过软件锁相环控制输出电流相位跟踪电网电压相位，实现单位功率因数。

工作时，主控模块DSP芯片不断的对信号采集模块的输入信号进行高速采样和AD转换，当太阳能电池板阵列电压Ud输出达到设定电压时，主控模块开始检测电网电压的幅值和频率，如果电网电压幅值、频率均在正常的范围之内，本发明系统开始进行并网准备。首先，主控模块中的捕捉模块得到电网同步信号后，通过其内部的数字锁相环实现逆变器输出电压与电网电压的相位保持同步，在并入前调节逆变输出电压幅值，使其和电网电压幅值完全一致，以降低系统的并网冲击电流。

在每个从单元满足并网条件后，就给主单元发准备好信号，当主单元中的主控模块检测到三个单元均准备好后，主控单元控制吸合交流接触器K1和K2，开始并网功率输出。如果从单元监测到孤岛发生或该相电压、电流或温度异常时，就给主单元中的主控模块DSP芯片发故障信号，主控模块一旦检测到有故障信号输入，立刻断开交流接触器K1和K2，将逆变输出从电网断开，因此本发明系统具备缺相、过载、短路、反孤岛和过热保护功能。

IGBT驱动模块包括调制信号隔离电路和功率放大电路两部分，其中信号隔离电路是通过高速开关光藕把DSP控制电路给出的调制信号与高压功率电路相隔离，隔离后的驱动信号经过功率放大电路放大驱动电流，以使IGBT器件能快速开通和关断，并降低其开关损耗。每个逆变单元通过其驱动模块给出的驱动信号控制相应的4个IGBT器件的交替导通和关断，而驱动信号是采用正弦脉宽调制方式产生的，因此，每组IGBT的占空比也以正弦规律变化，从而实现把太阳能直流电逆变为与调制信号相位和幅值相一致的交流电。

IGBT驱动模块驱动控制信号就是正弦脉宽调制信号，是根据电网的幅值和输出电流来计算PWM信号的脉宽，即调整输出电压幅值和输出电流，从而保证逆变器与电网的电压幅值、相位和频率相同，输出电流保证在限流值之内。

考虑到电网质量较差的地区，电网电压的波形畸变较大，致使并网电流总谐波增大，本系统中通过高速采集电网电压值，并以此采集值与三角波比较得到SPWM调制信号，使得当电网电压总畸变率超过5％时，并网电流总畸变率仍小于4％，有效降低了对电网的谐波污染。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型光伏并网逆变器，其特征在于，包括三个结构相同的逆变单元以及各逆变单元的控制单元，各逆变单元的输入端分别与太阳能电池板阵列的储能单元相连，三个逆变单元的输出端星形连接后可与电网连接，所述控制单元包括可采集电网中各相幅值和频率的信号采集模块以及主控模块，主控模块对信号采集模块采集的信号进行处理后对逆变单元进行驱动控制和可否接入电网进行控制，所述每个逆变单元包括由四个IGBT器件组成的全桥电路，全桥电路的两个桥臂与太阳能电池板阵列的储能单元相连，另两个桥臂与一变压器的初级线圈相连，变压器次级线圈连接由主控模块控制启闭的交流接触器，交流接触器与电网相连。

2.根据权利要求1所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于所述变压器的初级线圈中还连接有用于滤波的电抗器和电容，其次级线圈中还连接有用于滤波的交流滤波器。

3.根据权利要求1-2之一所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于主控模块采用高速数字信号处理器DSP芯片，其包括PWM产生模块、捕捉模块和AD转换模块。

4.根据权利要求3所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于高速数字信号处理器DSP芯片采用16位DSP芯片TMS320LF2407A。

5.根据权利要求3所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于信号采集模块包括可采集电池板阵列电压Ud的信号采集模块和采集电网电压Ua、Ub、Uc及电网电流Ia、Ib、Ic的信号采集模块，当电池板阵列电压Ud达到设定电压时，主控模块通过信号采集模块采集的信号检测电网电压Ua、Ub、Uc和电网电流Ia、Ib、Ic来检测电网电压的幅值和频率，当主控模块内的捕捉模块得到电网同步信号后，通过其内的数字锁相环使逆变单元的输出电压与电网电压的相位保持同步，并调节逆变单元的输出电压幅值，使之与电网电压幅值一致后，主控模块指令逆变单元接入电网。

6.根据权利要求5所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于电池板阵列电压Ud采集模块采用线性光耦HCNR200。

7.根据权利要求5所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于电网电压Ua、Ub、Uc的信号采集模块器件采用电流型的电压传感器，电网电压信号通过电流型的电压传感器隔离后经过滤波，经相位补偿电路后分两路输出，一路通过过零比较器得到电网电压的同步信号并送入主控模块的捕捉输入口，另一路直接送入主控模块的AD输入口。

8.根据权利要求5所述的新型光伏并网逆变器，其特征在于电网电流Ia、Ib、Ic的信号采集模块采用霍尔电流传感器，通过霍尔电流传感器采集并隔离后送入主控模块的AD输入口。